探秘深海熱泉

2021-01-15 中國物理學會期刊網

在海洋深處的一些地方出現了裹挾大量物質噴湧而出的熱液，在那裡就有生命。天文學家Jon Willis開啟了一段考察這類嚴酷環境的航海之旅，從而為尋找太陽系地外生命提供蛛絲馬跡。


2017 年6 月16 日，在太平洋東北部溫哥華島的西海岸，我與其他同事在鸚鵡螺號的控制室裡潛入海底，尋找海底熱泉。我本身是一名天文學家，工作的主要內容是利用大型天文望遠鏡以及太空觀測站來研究星系在宇宙中的分布。但同時，我對尋找地外生命的天體生物學極其熱愛。在地球以外的星球尋找生命尚處於初步的設想階段，關於地外生命，我們還有太多的疑問需要從研究存在於地球極端環境下的生命那裡尋找答案，這也是為什麼我想要去海底熱泉考察一番，因為很多人相信那裡的環境與木星和土星表層冰蓋下的環境有相似之處。


海底熱泉出現在板塊邊界，那裡的地殼厚度最薄，地幔能更近地接近地表，它們之間的距離甚至在1 km 以內，而在洋殼的其他位置，它們之間的距離則在5—10 km。在這些洋殼板塊的邊界，海水透過斷裂和縫隙滲入地殼，被下部的地幔加熱，熱的海水與巖石發生化學反應，會溶解周圍巖石中的多種礦物質，主要包括含有鐵、銅、鋅的硫化物顆粒。


隨著不斷被加熱，地層海水的密度下降而向上湧出。這樣的過程便在板塊邊界地殼薄弱的地方形成了一個複雜的泵系統：冷的海水下降，被加熱後的海水裹挾著礦物質再翻湧上來，這些噴湧的海水溫度可以達到400 ℃，當冷熱海水相遇時，熱液中含有的諸如硫化鐵等物質就會發生迅速沉澱，從而形成緻密的黑色顆粒，從海底觀察時，就像一團黑色的噴氣，所以海底熱泉又被俗稱為海底黑煙囪。海底黑煙囪於1977 年被發現，它的發現至關重要——為研究地殼的熱液流動和海洋的化學成分提供了缺失的一環。更令人意想不到的是，在這樣不見天日，溫度和壓力很高的極端環境下竟然存在著獨特的生態系統。


在這些海底熱泉周圍，科學家發現了種類繁多的蠕蟲。這樣的生態系統是靠什麼能量維持的呢？其中最重要的一環被證實為溶解在海水中的硫化氫和氧氣。硫化氫和氧氣，以及二氧化碳，為微生物群落提供了源源不斷的地球化學能。除此以外，更為重要的是微生物與宏生物群落之間的共生關係。當1979年， 生物學家、海洋學家Holger Jannasch 首次發現海底熱泉附近的生態系統時，便立即將其與地外生命的研究聯繫在一起。Holger Jannasch認為「地球上的生命依賴於太陽，而在海底熱泉，太陽的作用完全被化能無機自養性細菌所代替，這不由得使人驚訝，尤其是這一現象背後的意義」。


對地球海洋最深部的理解能否帶給我們對世界新的認識


深海的硫氧化細菌的代謝依賴於植物、藻類或者細菌等能夠進行光合作用的生物，地球海水中溶解的氧氣均來自於光合作用。但是我們對厭氧的化能合成細菌和古細菌(它們可以在沒有氧分子的情況下，代謝形成地球化學能)所知甚少，海底熱泉附近的生態系統將為我們提供很多線索。


(中國人民大學附屬中學周雨欣編譯自Jon Willis，Physics World，2017，(11)：23)


相關焦點

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    提個醒生命的起源與深海熱泉有關嗎？答：可能有關。20世紀70年代，在東太平洋的加拉帕戈斯群島附近發現了幾處深海熱泉，在這些熱泉裡生活著眾多的生物，包括管棲蠕蟲、蛤（gé）類和細菌等。它們生活在一個高溫（300℃以上）、高壓、缺氧、偏酸和無光的環境中。化能自養型細菌利用熱泉噴出的硫化物（如H2S）所得到的能量去還原CO2而製造有機物，然後其他動物以這些細菌為食物而維持生活。
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    科學家們已經在兩處深海熱泉區域採集了樣品。其中一處是「Von Damm field 」，水深大約2300米；另一處是「Piccard」，水深約4900米，後者是目前世界上最深的深海熱泉區域。美國宇航局目前正在對加勒比地區的蝦類進行研究，這裡擁有全世界水深最深的海底熱泉區域之一。在這些暗無天日的海底區域，白色的深海蝦類層層堆積，遍布熱泉附近的海底巖石。這些蝦類的口部和特殊演化的鰓蓋內部生活著細菌，這些細菌會產生有機物並養活這些蝦類。
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    NASA：外星生命或與地球熱泉生物相似　　這些蝦類的口部和特殊演化的鰓蓋內部生活著細菌，這些細菌會產生有機物並養活這些蝦類。在這一特定案例中，這些細菌使用硫化氫物質，這種物質大量存在於熱泉噴口的噴出物中。這些細菌可以以此為原料製造有機物。在這些噴口附近的環境溫度可以高達750F(約合400攝氏度)左右，但在稍稍遠離噴口的區域，溫度便低到可以讓這些蝦類在此生活的程度。這些蝦類是沒有視覺的，但在它們的頭部後側卻擁有熱感受器。
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    然而，隨著探索的不斷深入，人們驚奇地發現，在深海之中依然生存著非常多的海底生物。在黑暗、高壓、嚴寒或灼熱的條件下，這些生物是如何生存的呢？        早在讀博期間， Colleen Cavanaugh 就提出了和熱泉口常見的巨型管蟲（Riftia pachyptila）共生的一種細菌可以通過氧化硫化氫來獲取能量從而將無機碳轉化為有機碳。
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    海底熱泉是指海底深處的噴泉，原理和火山噴泉類似，噴出來的熱水就像煙囪一樣，發現的熱泉有白煙囪、黑煙囪、黃煙囪。　　實際上，海底熱泉的活動並不一定形成煙囪。早在20世紀60年代，科學家們在紅海發現了許多奇異的現象，比如水溫和鹽度偏高，接著就出現了高溫滷水。1967年，在一處海淵中發現了在熱泉周圍形成的海底多金屬軟泥。從此，揭開了人類研究現代熱液礦產資源的新篇章。1988年，我國科學家與德國科學家聯合考察了馬裡亞納海溝。
  • 一張長圖:與「深海勇士」潛水機器人共赴海底探秘
    一張長圖：與「深海勇士」潛水機器人共赴海底探秘 2019-02-03 14:55 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
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