| 探尋南極的神秘花園 |
| 科學家推測冰下湖泊蘊涵巨大生態系統 |
這裡的生態系統蓬勃發展，我們將首次研究冰川下的生命是如何存活的。
John Priscu抱著從惠蘭斯湖獲得的樣本。
圖片來源：J. T. Thomas
長期以來，美國波茲曼市蒙大拿州立大學微生物生態學家John Priscu和其他科學家一直渴望探索深藏在南極洲冰層下的湖泊，並尋找那裡可能存在的生命。不過，因為擔憂鑽探工作會向天然地下湖泊內注入大量外來有機體，導致湖泊受到汙染，所以鑽探作業一直沒有進行。
6年以來，Priscu和他的團隊一直在研究如何「乾淨」地從惠蘭斯湖中提取樣本——這處湖泊是地球上最與世隔絕的地方之一，深藏在南極冰層下方800米深的地方，距離南極點只有640公裡。去年1月28日，Priscu的研究團隊終於獲得了第一份樣本，同時也是世界上第一份冰川湖樣本。
通過分析樣本，研究者發現南極冰層下存在多種多樣的生命。在近期出版的《自然》雜誌上，Priscu和他的團隊報告稱，每毫升的冰川湖中含有13萬個細胞，這一數值與地球上絕大多數深海中蘊涵的細胞數值相似。此外，研究者在樣本中發現了4000種細菌和古生菌，對於一處與世隔絕的地方而言，冰川湖中生物的多樣性超出了研究者的預想。Priscu說：「這實在太令人震驚了。」
研究者通過樣本了解到，在過去12萬年甚至100萬年的時間裡，惠蘭斯湖中的生物在沒有從太陽獲得任何能量的情況下生存下來。惠蘭斯湖中的生物為研究者展現了迄今為止地球上最神秘的生態系統，諾桑比亞大學微生物學家、Priscu研究小組成員David Pearce說：「這裡的生態系統蓬勃發展，我們將首次研究冰川下的生命是如何存活的。」
冰下的生命
覆蓋在惠蘭斯湖上方的冰川平整厚實，讓人完全無法想像下方還存在著生命。這個被稱作Whillans冰川下冰流研究鑽井工程的項目，凝結了來自5個國家15所大學的二十幾位研究人員的心血。美國國家科學基金會（NSF）為此資助2000萬美元，包括建造不會汙染原生態環境的熱水鑽井。
直到上世紀90年代，人們才開始思考南極冰川下方可能存在生命，這得益於探冰雷達和地震測繪技術的突破，研究者正是通過這兩項技術掌握了冰川湖存在的確鑿證據。到目前為止，研究者共發現了約400座冰川湖，它們的水源來自底層融化的冰雪，這些雪水每年只會融化幾毫升。
惠蘭斯湖與地球表面上的任何一處湖泊都不一樣，冰雪的重力迫使冰川湖水向上流動，導致冰川湖沿著山體的一側蜿蜒流動。湖水很淺，方圓60平方公裡左右的水面，其深度只有2米。此外，由於冰層不斷變薄，冰川湖內的水壓很低。
研究者用了7天時間鑽透冰層，為了避免汙染原生態環境，研究小組使用了紫外線輻射、水過濾以及雙氧水三重保護手段對機器進行了消毒。在臨近冰川湖面時，研究者更加謹慎，鑽探速度就像爬行一樣緩慢，共耗費36個小時才完成了最後一步。
去年1月27日早晨7：30，鑽機破冰而入，打通了冰川湖，經測試湖水溫度約為零下5℃，比研究者的宿營地暖和一些。
研究者於次日提取出第一份樣本，經過分析後發現，冰川湖中的礦物質含量十分豐富，超出了研究者的預期。數小時後，研究者利用顯微鏡發現了第一個細胞，數天之後，研究者確認該細胞還活著。總計20名科學家和研究生日以繼夜地工作，共收集了30升湖水和一些沉積巖芯。此外，研究小組還趕在洞口重新冰封之前測試了湖水的化學成分和地熱流動情況。
在過去的1年中，研究者針對這些樣本進行過無數次研究，並據此繪製出了一幅冰川下生物棲息的畫面。他們已經隔絕並培養了12種微生物，並且完成了全部3931種生物的DNA測序工作，這些微生物中的許多種類都與已知的微生物有關聯，能吸收礦物質並將之轉化為能量。
避免汙染一直是研究的重中之重，沒有參與鑽探工作的研究者認為，該研究團隊的消毒措施做得很到位。伊利諾伊大學地球科學家Peter Doran曾經與美國國家研究委員會合作工作10年，研究如何「乾淨」地鑽探冰川湖。Doran指出，鑽井過程中滲出的水中含有的微生物濃度比冰川湖水樣本中含有的微生物濃度低200倍，這就是一個證據。Doran認可Priscu團隊的發現，他說：「他們的研究方法無懈可擊，令人無法懷疑。」
生命特徵
總體來說，惠蘭斯湖中的生態系統與地表生態系統極為相似，但是棲息在湖底的生命無法接觸到陽光，因此不能依靠光合作用維持生存，也無法吸收湖水中的二氧化碳。
研究小組在對生物進行遺傳分析後證明，一些棲息在冰川湖中的微生物與海洋微生物有關，後者能通過氧化鐵和硫磺的混合物獲得能量。但是根據基因DNA數據，湖中絕大部分微生物是通過氧化銨獲得能量的。
Priscu說：「冰川湖中的銨可能是古老海洋沉積物的遺留，例如死去生物的有機體，而那時的南極還不是現在的冰雪世界。」
冰川湖樣本中只含有單細胞細菌和古生菌，但是研究者使用的特殊DNA測試只能發現以上兩種生物，這也為之後的探究留下了很大空間。或許湖中還蘊涵著更加豐富的生物，例如原生動物、輪蟲、蠕蟲以及緩步類動物，這些生物在南極大陸上都有分布。湖面上方冰層內的氣泡能夠為湖水提供氧氣，但是微生物低水平的碳固定過程可能無法為多細胞生物提供足夠食物。
「倖存者」還是「定居者」
惠蘭斯湖是世界上最「貧瘠」的湖，每年每平方米接收的二氧化碳濃度只有其他湖泊的10%。儘管機會很渺茫，但Priscu和同事將努力在湖中尋找生物。他們計劃利用更先進的DNA分析技術輔助尋找。到目前為止，研究者對湖中棲息生物的來源困惑不已，最大的問題是這些生物究竟是「倖存者」還是「定居者」。
如果是「倖存者」，這些微生物可能是棲息在海洋沉積物上的微生物後裔，2000萬年前，該區域還是海洋。如果是「定居者」，這些微生物可能是經由海風抵達這裡，並在過去5萬年間隨著冰層的融化滲透到地下。
有關湖中樣本的其他發現令研究者產生了一些奇思妙想。湖水中氟化物的痕跡表明該區域存在地下熱液噴口，熱液中含有豐富的化學能量，足以支撐生物的生存。德克薩斯大學奧斯汀分校冰川學家Donald Blankenship說：「湖泊中可能存在熱液系統。」惠蘭斯湖佔據廣闊的大裂谷，那裡的地殼很薄，Blankenship通過雷達發現湖水下方可能存在火山。
惠蘭斯湖的研究成果同樣也能夠揭示南極大陸對周圍海洋甚至整個世界的影響。如果冰川湖中的微生物在礦物質轉化過程中扮演著關鍵角色，那麼這些生物可能會為冰川湖提供鐵元素，這些元素最終將抵達海洋。英國布裡斯託大學海洋生物地球化學家Martyn Tranter指出，這一過程能夠改善缺鐵的南半球海洋生態環境。（段歆涔）
《中國科學報》 (2014-08-26 第3版 國際)