地底也有大量生命存在

（来源：科普中国）

转自：科普中国

大吃一口，吃嘛嘛香。

在我们脚下，从接近地表的深度到几千米深的地层中，其实生活着地球上最古老的一群生命——原核生物。已有研究提出，从古菌到氧化还原细菌，多达 95% 的原核生物都生活在地壳深处，它们甚至占据了地球总生物量的 19%。因为缺少阳光和氧气，这里的生物只能从矿物中获取营养，从水和岩石的反应中获取能量。

原核生物细菌 图源：维基百科

从本质上来说，我们和这些原核生物获取能量的底层原理是一样的。在地球表面，人体摄入的葡萄糖分解释放电子，这些电子传递给氧气分子，随着氧与氢结合成水，释放出的能量形成 ATP，供给人类各样的活动。这种电子在氧化还原对之间的流动，提供了生命活动需要的能量。

而在深不见光的地底，这里的微生物同样依靠电子的流动获取能量。由于无法接触到太阳能，对地底生物来说，它们最常见的电子供体就是氢气。

氢气通常形成于水—岩反应和水的分解。一些具有放射性的岩石可能会分解水产生氢气，还有一些富铁的岩石可以与水反应产生氢气（通常发生在岩石蛇纹石化过程中）。

但在一些情况下，岩石在破裂时也可以分解水，产生氢气。尤其是在地震作用，或是冰川引发的巨大压力下，在硅酸盐岩石新鲜的断裂面上，断裂或扭曲的硅-氧键会产生活性自由基，从而使水具备分解成氢气的能力。事实上，水在这类岩石新鲜断面的作用下发生的反应被认为是断裂带与冰川底部氢气的潜在来源，甚至可能促进了地球早期氧气的产生。

但只有氢气还不够。就像我们需要氧气一样，地壳深部的微生物如果想要利用这些氢气（电子给体），也需要电子受体。“（就算）食物摆在桌子上，但如果没有叉子，你还是什么都吃不到。”加拿大多伦多大学的芭芭拉·舍伍德·洛拉（Barbara Sherwood Lollar）在接受《新科学家》（New Scientist）采访时解释道。

一项发表于《科学·进展》（Science Advances）的研究就尝试寻找深地微生物的“食物”和“叉子”，这项研究由中国科学院广州地球化学研究所的何宏平院士和朱建喜教授领导完成，洛拉也是作者之一。

地下电网

在地下，有一种元素对生命非常重要，就是铁。它广泛分布于大多数岩层中，并且具有高度迁移性——在硫、氮、碳这些微生物代谢核心元素的生物地球化学循环中起着关键作用。

我们当然无法亲身进入数千米下的地层，去实地观察受地震活动影响的岩石中微生物的活动。因此，研究者在实验室里设置了缺氧条件，并利用石英和球磨工艺，模拟地震中岩石破裂后的反应。在研磨过程中，石英就可以模拟岩石中常见的硅酸盐矿物。其中的硅氧共价键容易断裂，使共用电子对平均分配给硅原子和氧原子（这个过程被称为均裂），由此形成两个活性自由基。随后，研究者会将粉碎的石英与水和多种形态的铁混合。

在实验室里，破裂的石英与水反应，释放出了大量的氢。其中既包括氢气，也存在一些其他形式的氢，例如过氧化氢（H2O2）。研究者发现，由于微量过氧化氢的积累，局部的水溶液会呈弱氧化性，而由于氢气的积累，顶部空气会略呈还原性，这种氧化还原梯度仅存在于非常局部的区域，甚至可能只有微米尺度，但却有潜力为深层地壳中的生命提供适宜的生存环境。“其重要性，堪比近期报道的海底‘暗氧’现象。”研究者在论文中写道。

一旦相对稳定的氧化还原对（如氢气和过氧化氢）形成，氧化还原梯度便可以快速建立，并进一步与地下水和岩石中的铁发生反应——即使是这样局部的氧化还原条件，也可以将二价铁氧化为三价铁，或是将三价铁还原为二价铁。而随着铁参与其中，电子就能进一步在碳、硫、氮等生命必需元素之间流动。在接受新华社采访时，研究者将这种能量机制比喻成一种长期的“电池”或是“地下电网”，可以源源不断地为地下生命提供能量。

无处不在

从总量来看，地震导致的岩石破裂释放的氢气其实并不多。研究团队根据地震震级、断层面密度和地震频率做了简单估算，发现全球地震每年至少会产生 1.1×10⁸ 摩尔氢气。这个数字其实比辐射性岩石和蛇纹石化，以及海洋系统中海水与岩石的反应低很多。

然而，对深层地壳中生物的氧化还原循环来说，地震的作用不容忽视。如果从单位面积看，岩石破裂局部氢气的产生速率很高，可以达到每平方米每年 33.1 摩尔，这个数字比辐射分解水和蛇纹石化至少高出 5 个数量级。“这样局部的产氢速率对维持岩石内栖息的微生物生命至关重要，特别是在一些开放裂隙内。”论文中解释道。在这些活动的断层中，形成了一个个微生物活动与多样性的局部热点。

早在生命刚刚起源的时候，这些氧化还原反应可能就已经对深层生物圈产生了影响。而现在，这样的氧化还原梯度依然存在于地层深处。同时，这样的反应并不一定要发生强烈的地震，在一些构造活动平静的地区，甚至是在一些已经停止构造活动的行星内部，当压力分布发生变化时，岩石的破裂也可能会发生类似反应。

“在木卫二、土卫二等天体的地下环境中，”论文中写道，“这样的过程可能也在发生。”