暗氧之谜

# 暗氧之谜 来源：https://www.newyorker.com/science/elements/the-mystery-of-dark-oxygen 今年三月，我跟随一支国际科学家团队前往人类曾踏足的最深区域之一——南非约翰内斯堡郊外数小时车程处。黎明前，我们驱车前往莫亚布·霍松金铀矿入口，加入了换下夜班的工人队伍。安检十分严格；多年来，矿企一直难以阻止被称为*zama-zamas*（https://www.newyorker.com/magazine/2023/02/27/the-dystopian-underworld-of-south-africas-illegal-gold-minines）的非法矿工潜入地下冒险采集矿石。当警卫最终放行我们及装备后，我们穿过旋转闸门，进入了一处形似郊区办公园区的场所。中央矗立着一座方形混凝土塔楼——矿井升降梯将载着我们深入地下近两英里。 科学家们此行并非为贵金属，而是为更难以捉摸之物：他们称之为“暗氧”的物质。在地球表面，植物与藻类利用阳光和水大量产生氧气，使我们得以生存呼吸。曾几何时，科学家认为地球其他任何地方都不可能存在大量游离氧（O₂），部分原因是O₂会与其他元素剧烈反应。“O₂在宇宙中的丰度远低于钻石，”微生物生态学家、本次考察队领队埃米尔·鲁夫告诉我。但过去数年间，科学家在远离阳光照射的深邃地带检测到了微量游离氧。鲁夫与同事希望在矿井中采集古老水样，他们推测氧气在维持地下生命中扮演着未被认知的角色。 我们领到了靴子、头盔和反光工作服，其造型让人强烈联想到“野兽男孩”歌曲《星际》的音乐录影带。着装完毕，我们通过另一个检查点，进入一个满是头灯和应急氧气包的房间。墙上海报说明了塌方时的应对措施：拉出气袋阀门，为关键几分钟提供可呼吸空气。“我们可悲地依赖氧气，”南加州大学生物地球化学家凯伦·劳埃德说，她此次前来研究地下微生物如何应对地震活动。她研究的许多地下微生物并不像我们那样呼吸氧气，而是利用从岩石中浸出的硫或铁化合物驱动新陈代谢。 全员装备整齐后，我们挤进一座三层楼高的“铁笼”升降梯——它每天运送数千名矿工往返矿井。我尽量不去想脚下那片虚空——相当于七倍帝国大厦的高度。我估算过，若不慎坠落，足足一分钟才会触底。操作员拉下闸门，哐当一声将我们投入黑暗。我们开始下降。 多年前已有富有探索精神的科学家在莫亚布·霍松开展研究，但2014年附近发生地震后，这座矿井对生物学家变得尤为珍贵。一支日本地球科学团队随即开始向矿井下方的断层线钻探。深入半英里后，极端高盐的放射性水从钻孔涌出。这些水吸引了研究深部生物圈的学者——地壳中尚不为人所知的微生物生态系统，据估占地球生物量的10%至50%。已故普林斯顿大学地球生物学家图利斯·C·昂斯特特（著有《深层生命：搜寻地球、火星及更远之地的隐秘生物学》http://amazon.com/dp/0691096449）曾告诉同事，他花费二十五年寻找类似莫亚布·霍松的水体。“它完全独立于地表世界，”曾与昂斯特特合作的微生物学家托马斯·基夫特告诉我，“完全独立于光合作用。” 地球化学测量（https://www.nature.com/articles/s41467-022-31412-2）显示，这些水至少与地表隔绝了12亿年——超过地球历史的四分之一，远在动植物诞生之前。然而其中竟充满生命。昂斯特特与其同事证明，卤水中缓慢生长的细胞以氢分子为食，这些氢分子是辐射将水分子分解为“H”和“O”时产生的。团队还发现氧气存在于卤水中的迹象，甚至获得少量遗传证据表明地下微生物可能具备利用氧气的能力。但氧气从未成为他们研究重点，因为深邃黑暗的环境通常被认为是无氧区域。 随后在2023年，鲁夫与同事协助加拿大政府监测地下水时，在阿尔伯塔省深井中检测到了O₂。这极不寻常。这些氧气大多并非来自大气，地下亦无阳光或植物进行光合作用。任何游离的O₂分子本应被岩石与流体的化学反应或微生物迅速消耗。“神志正常的人都不会查看古代地下水并想：‘我们来测测氧气吧，’”鲁夫告诉我，“但我们发现它在积聚。” 其意义令人振奋。O₂是大型复杂生命体化学反应的*核心要素*，被称为电子受体——意味着它能从其他化合物中夺取电子。点火时，O₂从燃料中夺取电子释放热量；进食时，O₂从糖和脂肪中夺取电子释放能量驱动躯体。没有其他化合物能解锁如此多能量，任何缺乏O₂的生物都只能将就求存。（鲁夫引用诺贝尔奖得主生物化学家阿尔伯特·森特-哲尔吉的名言：“生命不过是电子寻找安息之所的过程。”） 研究者推论，若地下蕴藏如此丰富的有用分子，那么深部生物圈可能比预期更多样化、更广泛存在。而任何能产生暗氧的机制，也可能存在于地球之外的行星或卫星上。“我们开始深挖，”鲁夫告诉我。他的团队很快在全球深层地下水中发现了微量氧气。他们在阳光永不可及之处检测到需氧微生物——能利用氧气的微生物——的DNA。其他微生物似乎能自行产生暗氧，或许用于从甲烷等碳氢化合物中提取能量，犹如直线竞速赛车手向引擎注入一氧化二氮以提升马力。去年，鲁夫与其他五位研究者获得了*NASA*数百万美元资助，开启一场“暗氧全球探索之旅”。莫亚布·霍松是他们的首站，也是最深的一站。 “铁笼”全速运转时，下降速度接近每小时四十英里。除了经过地下层时微弱的哐当与呼啸声，旅程异常平稳。我们的耳膜因气压变化作响；研究员们紧张地轻笑。凉水开始从顶棚滴落。最终，下降约四千英尺后，升降梯在第一站减速。 在探访矿井底部超咸放射性卤水前，我们必须采集一份*非*十亿年级别的地下水基线样本。我们走出“铁笼”，低头钻过水帘，进入一条高耸的隧道。此处看不见天然岩石；通道表面覆盖着斑驳混凝土，两侧铺设有气味管道。空气中弥漫着腐蛋与混凝土粉尘的气息。乍看之下，这里似乎毫无生命迹象。 前矿井地质学家本尼·利本伯格担任向导，他身上带着长期地下工作者特有的沉稳与略显呆滞的神情。他曾协助地震后钻探钻孔，此后一直担任矿方与科学家的联络人，帮助说服管理层：解开深刻环境谜团的机会值得偶尔中断采矿作业。他的办公室里保存着昂斯特特题赠的《深层生命》：“你曾是我们的福音。永远感激。” 利本伯格带我们来到一处橙色管道涌出水流的墙壁前。自数十年前矿井钻探以来，水流一直如此。“他们试图封堵，但失败了，”他用简短的南非荷兰口音说道。此处地下水埋深较浅，数万年前曾与地表水流连通，仍含有氧气。因此它可为科学家提供与下方十亿年卤水对比的参照点。然而研究员尚未开始采样，震耳欲聋的轰鸣突然充斥隧道。团队首席地球化学家、伍兹霍尔海洋研究所研究员斯科特·万克尔不慎踢穿一根锈蚀的压缩空气管。（“兄弟，你他妈把矿井搞坏了！”鲁夫后来开玩笑说；利本伯格似乎并不在意。） 所幸我们有耳塞，但已无法交谈。接下来数小时，科学家们只能笨拙地打手势采样：*不，我不需要那个小瓶子，要稍小一号的！*最终有人想到可以互写纸条，这才推进了工作。南加州大学地球生物学家劳埃德示意我递给她笔记本。 “你看到硫磺流丝了吗？”她写道。我摇摇头。她招手让我走向一条沟渠，那里簇拥着在矿水中飘动的蓝灰色纤维。“它们是巨型硫化细菌丝状体，”她在逐渐浸湿的纸页上写道。显然，某些细菌正利用隧道中的氧气代谢水中硫化合物，从而产生腐臭气味。单细胞生物以千万计聚集成丝状体，以免被水流冲走。 另一处水管下方，共同领导考察的生物化学家兰贾尼·穆拉利发现了规模更大的流丝薄膜，以及看似橙色的硫化细菌。在穆拉利于内华达大学拉斯维加斯分校的实验室工作的苏琼·林摆动身体模仿流丝姿态，示意大家注意她发现的菌落。与此同时，在隧道另一端，鲁夫将戴手套的手伸入数英寸深的微生物淤泥中。幽灵般的流丝拖把——有些比我的手臂还长——在黑色淤泥层上如触手般摇曳。当我们回到寂静的“铁笼”时，他咧嘴笑道：“这简直像康普茶！” 一个看似死寂的人造空间实际生机盎然。据科学家解释，我们呼吸的氧气正助力它们繁盛。正如氧气助燃更旺，这些微生物也借助氧气从水中的硫和铁化合物中释放能量。正因如此，细菌能增殖至肉眼可见的规模。但此地氧气并非自然资源——它是为矿工（偶尔也为地球生物学家）呼吸而循环至矿井的。关键问题仍是：作为生命火箭燃料的氧气，是否也存在于更深岩层中？ 次日，我们重返“铁笼”，此次同行的还有约三十名前往“深部作业区”的矿工。当我告知一位名叫大卫的矿工我为矿井的宏大规模震撼时，他点头答道：“地下有生命！”其他人则用祖鲁语和科萨语随意交谈。此次升降梯疾驰深入地下近两英里。在深部作业区，我们爬出升降梯，看到数条从井道辐射延伸的长隧道。我们此刻的深度已超越团队所有成员的既往记录——包括曾探访加州湾深海热液喷口的鲁夫。“我在这里比当时在潜艇里更接近地心，”他说。 等待数分钟后，利本伯格通知我们地下列车故障，余下路程需步行。我们在岩石散发的闷热中跋涉约一英里，汗流浃背地转入一条狭窄通道。两名矿工经过。“早啊，”其中一人愉快招呼。 又行半英里，我们终于抵达尽头——混凝土墙消失，露出天然岩石：威特沃特斯兰德盆地逾二十亿年的含金石英岩。其下方半英里处，地震撕裂的水道纵横交错，利本伯格称之为“昂斯特特岩脉”。两根管道从岩壁伸出；其中一根下方，岩石表面覆盖着结晶盐与橙色微生物席。整个场景急需水管工。来自伍兹霍尔海洋研究所的万克尔调侃道：“我们长途跋涉……就为这个？” 研究员们开始工作。万克尔旋动阀门，十亿年卤水从管道中汩汩涌出。在水压衰竭前，鲁夫实验室的埃米琳·维达尔成功灌装数个容器；她计划对水中所有细胞进行DNA测序。万克尔则专注灌装密封气罐，动作轻柔如开启摇晃的汽水罐。“气味不像硫磺，更像屁，”鲁夫观察道。团队另一位地球化学家戴维·贝卡尔用价值七万美元的质谱仪找到了科学解释：水中存在甲烷，这很可能是微生物消耗氢气和二氧化碳的代谢标志。 众人围拢时，生物地球化学家卡罗琳娜·费尔南德斯·莫雷拉·德卡瓦略对水中溶解氧进行了初步测量。在头灯光圈映照下，她将超灵敏氧气探针伸向钻孔。卤水滤入探针，注满瓶子。一分钟后探针读数稳定，费尔南德斯报出数值：0.09微摩尔/升。这是极微量的氧气——或许仅为饮用水含量的二百分之一——且需进一步验证。但在此处，在植物诞生前便困于黑暗的水体中，本应毫无氧气存在。 离矿数月后，我致电鲁夫。他当时以科德角海洋生物实验室科学家身份参与考察，如今已在德国不来梅大学任教。他告诉我，团队已确认“暗氧是该生态系统特征”。但需经多年实验室研究，方能查明究竟是生物过程还是放射性作用更主导其生成，以及微生物如何利用它。例如，氧原子重量能明确其来源；团队将结合其他地下站点的测量数据，估算深部生物圈O₂总量。 研究者们仍倍感振奋。拉斯维加斯的穆拉利与林已开始在实验室缓慢培育卤水中细胞。伍兹霍尔的维达尔将DNA样本袋冷藏待测序。鲁夫允许自己想象动物在崭新而惊人的环境中依靠暗氧生存。2011年，昂斯特特团队曾在南非矿井深达2.2英里处发现，一种前所未见的线虫以水生细菌为食。他们将其命名为*Halicephalobus mephisto*——魔鬼蠕虫。或许暗……