在南非的几个金矿,科学家在黑暗、酷热的地下深处发现了一些微小的蠕虫。这是目前发现的生活环境最深的动物。没有人知道它们是如何到达那里,而它们可能已经在那里生活了数千年时间。它们的存在表明,复杂生命能够存活的环境深度,已经远远超出了科学家以往的估计。
20世纪80年代,科学家发现,有些生命能在地球表面以下数百米的地方生存。不过,大多数科学家认为,只有细菌等单细胞的生命体才能在地球深处存活,因为那里酷热、黑暗,而且氧气稀少。地球深处也无法提供多少食物,任何动物要想存活下来,需要非常艰难才能获得足够的能量。
有一位科学家却不这么认为。加埃唐?博尔格尼(Gaetan Borgonie)此前在比利时根特大学任职,目前在比利时根特布吕赫极端生命研究所工作。他认为,有一类动物可以在地壳深处存活,那就是线虫。线虫极其顽强,能够应对极端的高温、低温和干燥环境。它们具有一种聪明的生存策略。
线虫能进入一种特殊的状态,称为“多尔阶段”(dauer stage)。在这种状态下,它们能度过长期的恶劣环境条件,当情况好转时再苏醒过来。这一点与水熊很像。水熊堪称是地球上生命力最顽强的动物,它们在休眠时能经受住沸水、冰冻、极端干燥等考验,甚至在外太空也能存活。在多尔阶段,线虫的生命活动陷入停滞,新陈代谢极其缓慢。引发线虫进入这一阶段的是一种外激素,只有当食物缺乏、高温或个体数量过多的时候才会发挥作用。多尔阶段时的线虫极为顽强。2003年,当哥伦比亚号航天飞机进入地球大气层发生爆炸,最终坠毁,而机上携带的线虫竟然存活了下来。
在地球的几乎每一个地方,都可以发现线虫的踪迹。它们出现于温泉、沙漠、高山,以及海洋最深处。它们生活在南极洲,生活在其他动物(包括人类)的肚子里,甚至是抹香鲸的胎盘内部。
如果地球深处有动物存在,那会不会就是线虫呢?博尔格尼决定自己寻找答案。由于缺乏研究经费,他最后与普林斯顿大学的图里斯·沃斯托特(Tullis Onstott)进行合作,后者也认为线虫能在地下深处存活。两个人利用自己的积蓄,前往南非展开研究。
之所以选择南非的金矿,是因为那里是陆地上人类可以进入的最深的地方。矿工们钻探的深度达到了3.2公里以上,研究者得以有机会进入神秘的地下世界。博尔格尼在酷热、潮湿的矿井中寻找生命的迹象。他采集钻孔里的水样,进行过滤,然后寻找是否有生命存在。这些钻孔是采矿地质学家留下的,用于在采矿之前检查气体和水分的情况。
在显微镜观察时,博尔格尼发现了大量微小的线虫,这是首次在如此深的地方发现有生命存在。在此之前,人们最深只在地下几十米的地方发现过线虫。接下来,他们要确定这些线虫是来源于矿井内部,而不是伴随矿工的鞋子,或者其他方式进入矿井。为了验证这一点,博尔格尼在一年时间里检测了31582升采矿作业中所用的水。他还对钻孔附近的土壤进行了分析。
他没有在采矿用水中发现线虫,表明这些线虫不是从矿井之外被带进来的。土壤中的线虫属于不同的物种。他还发现,这些线虫喜欢摄食矿井中的细菌,而不是矿井之外的细菌,表明它们已经很好地适应了地下深处的生活。研究团队在2011年发表了他们的发现。
“当你进入地下的时候,压力会逐渐增加,温度上升,氧气减少,食物也变得稀少,”博尔格尼说,“因此要想在地下深处找到多细胞生命,简直太疯狂了。”然而,他不仅找到了,而且还不止一种。在3个金矿中,博尔格尼发现了4种不同的线虫。
其中两个物种——Plectus aquatilis和另一种未知的线虫——发现于德里方丹金矿,深度为0.9公里,温度为24摄氏度。它们的风头被恶魔蠕虫(Halicephalobus mephisto)盖过。这种线虫生活在地下1.3公里的深处,这里的温度达到37摄氏度,比大部分线虫能生存的区域都要热。
在研究结果发表时,许多媒体都将恶魔蠕虫描述为已知分布最深的现生动物,或者至少令人产生了这样的印象。但是,情况并非如此。
科学家在TauTona金矿发现了另一个物种的DNA,存在于3.6公里深的地方,那里的温度达到了48摄氏度。这个神秘的物种才是目前已知分布最深的动物。“因为恶魔蠕虫获得了所有的关注,它出现在1.3公里深处,被认为是分布最深的动物,但实际上并不是,”博尔格尼说道。
而且,根据博尔格尼的研究,这些线虫并非在生存线上挣扎求生,而是在地下世界里过得十分自在。它们以黏糊糊的生物薄膜为食,这是由数百万细菌聚集而成的群落,每个细菌比线虫小大约100亿倍。这些生物薄膜站在人工的钻孔表面,这表明人类在采矿活动中,不经意间为线虫提供了绝佳的生存环境。
低浓度的氧气条件也难不倒线虫。人类在呼吸时需要氧气含量为21%的空气,而线虫在氧含量仅为0.5%的时候也可以活得很好。高温也不是问题,即使是在48摄氏度的TauTona金矿。科学家已经发现,一些线虫物种能在61摄氏度的热泉中生存。在进入地下深处之前,这些线虫似乎已经演化出忍耐高温和高压的能力。遗传学检测结果表明,恶魔蠕虫与Halicephalobus gingivalis的关系最为密切。这是一种以细菌为食的线虫,有时会寄生在马、驴、斑马甚至人类身上。
类似的,Plectus aquatilis是一种常见的淡水线虫。这两种线虫都演化出了忍耐低氧和高温的能力,因而不需要额外的适应过程。博尔格尼说:“尽管地下深处的条件非常极端,但对于线虫来说却不那么极端。”他指出,生活在土壤中的线虫可能在24小时内就会经历“从灼热的阳光到极度的干燥,再到水淹或冰冻的变化”。
“它们在一整年里,每天都会经历这样的压力,”博尔格尼说,“线虫在寻找早餐、午餐和晚餐时会经历极端的环境条件。考虑到这些,你就不会对它们能在地下的极端环境中生存感到惊奇。”
令人感到不解的是,这些线虫一开始是怎么到达地下深处的,以及它们在那里存活了多长时间?碳元素测定显示,发现这些线虫的水体年龄在3000到12000年之间,这意味着,这些线虫至少在3000年前就来到了这一深度,不过这还不是定论。它们也有可能是被地面的古老雨水顺着岩石缝隙冲刷到地下深处。
无论是以什么样的方式来到地下,这些线虫似乎也没有回到地面的理由。“与地面上的线虫相比,这些线虫的生活就像是在夏令营,”博尔格尼说,“地下深处提供了更加稳定的环境,而地表环境每一小时都会发生变化。”
影响线虫生存深度的最重要因素可能是温度。尽管单细胞生命体能在极高的温度下存活,但像线虫这样的复杂生命如果能应对60摄氏度以上的高温,也会令人感到不可思议。无论深度记录如何,我们现在已经知道,生命确实能在非常深的地下生存,类似的例子也越来越多。
2008年的一项研究发现,一些微生物能在海床以下1.6公里的地方存活,那里的温度在60到100摄氏度之间。2013年,科学家在克罗地亚一个地面以下1公里的洞穴中发现了一种小型的蜗牛。这种蜗牛具有透明的外壳,表明它已经高度适应了洞穴里的生活。
2014年10月,耶鲁大学的研究者报告称在地下19公里的深处发现了细菌存在的证据。他们对美国华盛顿州洛佩兹岛的岩石进行了分析,发现其中含有异常高的轻质碳,这是产甲烷微生物存在的标志。该研究指出,生活在地壳深处的微生物改变了岩石的化学组成。
与此同时,博尔格尼也在其他较深的地方寻找线虫的踪迹。
2015年8月,他在矿井巷道顶部悬挂的钟乳石上发现了20种线虫。这是第一次在如此独特的环境中发现线虫的存在。其中一种线虫,Monhystrella parvella,通常出现在海洋里,而此时却出现在Beatrix金矿中的一个钟乳石内部,距离地面1.4公里。钟乳石上并没有明显的裂缝,因此线虫是在钟乳石刚形成时就被包裹在里面,表明它们具有稳定的食物来源。
Monhystrella parvella还出现在TauTona金矿3.6公里的深处,正是在同一个钻孔中,研究者采集到了一个未知线虫物种的DNA。目前,这两种线虫分享着地下最深处居民的称号。那么问题又来了,这些线虫来自哪里呢?
另一种可能是,南非拥有许多高盐的盆地,大群的鸟类定期造访这些盆地,它们有可能将海岸的线虫带到了金矿的地面。不过,博尔格尼认为这种可能性很小,因为在没有持续盐水供应的环境中,这些线虫会很快死去。
从目前的发现来看,地下深处的生物多样性远比之前预想的高得多。在近日发表于《自然-通讯》(Nature Communications)的一篇文章中,博尔格尼及其同事报道了在德里方丹金矿和Kopanang金矿的一些新发现。在他们采集水样的钻孔中,不仅存在细菌和线虫,也生活着真菌和其他一些小型动物,包括扁虫、环节动物、轮形动物,甚至有一个可能是甲壳动物的物种。
这些生物的生活方式也多种多样。有些真菌似乎会感染线虫,表明它们营寄生生活。此外,其中一种线虫Mylonchulus brachyurus是肉食性的。它比其他种类更大,以较小的动物为食。
尽管所采集的样品在深度和年龄上有很大差别,但所有金矿中的生态系统具有很高的相似性。显然,一些动物类群更擅长在地下深处生存。几乎所有的物种都来自地面。与最初研究中发现的线虫一样,其他生物似乎也没有因为“搬到”如此深的地方而改变太多。无论在那里生存,这些生物都演化出了相当灵活的适应特征。
在如此深的地方发现生命,改写了有关动物生存准则的传统观点。如果线虫能在地球上这些极端的环境中生存,那它们也可能在其他极端的环境中存在。或许我们还能在地下发现其他简单的动物物种,而不是只寻找细菌。几乎可以肯定的是,未来几年内,将会有更多生活在地下深处的生物体被科学家发现。
这些发现也意味着,科学家在其他星球上寻找生命时需要保持开放的心态。微生物依然是最可能发现的生命,但在地面以下,或许能发现一些意想不到的简单动物。(任天)