本文最初发表于 MIT Press Reader。本文节选自詹姆斯·劳伦斯·鲍威尔的书《深海之谜》。
1872年，当“挑战者号”科学考察船启航时，一些科学家仍然相信“无生界”理论：生命无法存在于300英寻（约550米）以下。另一些人则认为深渊中存在生物，但寒冷和黑暗阻碍了它们的进化。仅凭其采样设备，“挑战者号”的科学家们很快就驳斥了这两种观点。
对黑暗海底表面及以下生命的研究始于1936年，由斯克里普斯海洋研究所的克劳德·佐贝尔（Claude ZoBell）和昆廷·安德森（Quentin Anderson）发表的一篇文章。他们在南加州海岸采集的40至75厘米长的沉积物岩芯表层发现了大量的细菌。 一篇1936年的文章
深海及其生物在20世纪30年代成为人们极大的兴趣所在，这得益于深海潜水器的发明，一种能够承受深渊巨大压力的微型潜艇。这些早期潜水器中最著名的是由著名科学家兼作家威廉·比比（William Beebe, 1877–1962）使用的双人“深海潜水器”（Bathysphere）。他创作的书籍及其拍摄的奇特深海生物照片曾令当时年轻一代着迷和启发。工程师奥蒂斯·巴顿（Otis Barton）设计了该潜水器，他和比比曾用它在百慕大海岸进行了多次深潜。1934年，两人达到了923米的纪录深度。
比比的深海潜水器的后继者是“阿尔文号”（Alvin），以其发明者同名同姓的阿尔·维恩（Al Vine）命名，并于1964年由伍兹霍尔海洋研究所推出。它的设计能够搭载两名科学家和一名飞行员下潜至4500米深处，并在此深度停留九小时。阿尔文号进行了超过5000次潜水，并催生了约2000篇研究论文。但可以说，它的开端颇为坎坷。“阿尔文号”的首次潜水是在1965年，下潜至1800米。1966年3月，“阿尔文号”曾参与一次试图回收一枚在空中事故中丢失并坠落海底的氢弹的行动，但未能成功，该弹坠落地点位于西班牙海岸附近910米深处。同年10月，当“阿尔文号”正在被从支援船上吊起，船员在船上且舱门敞开时，固定它的两条钢缆断裂。“阿尔文号”沉入1500米深的海底，但船员成功逃脱。幸运的船员们留下了他们的午餐，当“阿尔文号”被打捞上来时，食物竟然完好无损，丝毫没有受到微生物啃食的迹象。这再次强化了深海对大量细菌生命不利的观点。
然而，“阿尔文号”最著名的潜水是1986年对不幸遇难的泰坦尼克号残骸的探索。在2014年完成全面大修后，“阿尔文号”重返伍兹霍尔海洋研究所的现役岗位。2022年夏天，该潜水器在波多黎各海沟创下了6453米的纪录深度，这意味着“阿尔文号”几乎可以到达海底的任何一点。
黑烟囱
板块构造的一个关键概念是，洋中脊的中心下方存在熔岩浆房。这些岩浆房加热了附近的海水，海水随后通过海底热液喷口上升并流出。1977年，科学家们在“阿尔文号”上进行了24次潜水，研究了加拉帕戈斯裂谷（东太平洋海隆的一个分支）沿线的这些喷口。他们发现，裂谷中热量损失的三分之二通过这些喷口逸失。
“阿尔文号”上的科学家们在加拉帕戈斯裂谷发现了多种形式的丰富生命，其深度远超阳光可穿透的范围。
在“阿尔文号”进行这些潜水之前，科学家们认为光合作用是支持生命所需能量的最终且不可或缺的来源，这意味着生物无法在黑暗的海洋深处生存。然而，“阿尔文号”上的科学家们在加拉帕戈斯裂谷发现了多种形式的丰富生命，其深度远超阳光可穿透的范围。如果不是光合作用，这些生物从哪里获得能量来维持生存呢？科学家们曾解释说，浮游植物，即生活在水面附近的微小植物，死亡后会下沉形成“海洋雪”，这是比比创造的一个术语，并且是“挑战者号”科学家们早已认识到的过程。蕾切尔·卡森（Rachel Carson）在她所著的《海的女儿》（The Sea Around Us）一书中描述道：“当我想到深海的海底……我总是看到上面物质稳步、不间断地向下漂移，一片又一片，一层又一层——这是地球上最壮观的‘降雪’。” 死亡的浮游植物落到黑暗的深海海底，为那里生存的生物提供了食物来源。根据这一理论，光合作用仍然是深渊生物的最终能量来源。
但是，加拉帕戈斯裂谷的海底热液喷口聚集的生物数量比周围的海底高出数千倍。喷口内的某个未知的过程——而非光合作用——提供了该喷口生态系统赖以生存的能量。结果证明是“化学合成”，即细菌在化学反应中氧化无机物，主要是硫化氢，这些反应反过来为更高级的生命形式提供能量。一些喷口的标志是黑色、不规则的烟囱，这些烟囱是溶解在热水中的化学物质在热喷口水与冷海水相遇时沉淀形成的深色硫化物。此后，科学家们在大西洋和太平洋的许多地方，以及陆地上发现了这些“黑烟囱”——例如，沿加利福尼亚海岸，那里板块构造将古老的洋底抬升到海平面以上。
喷口生态系统的生物最终依赖于硫还原细菌——我们几乎可以说它们“呼吸”硫——其中包括许多前所未见的奇特居民。其中最奇特的是管状蠕虫，它们长度可达3米，但宽度只有4厘米，每平方米密集生长着数千个个体。它们依靠细菌提供能量，因此不需要消化系统。它们能在如此不适宜的环境中生存，再次引发了关于海底及其以下可能存在哪些其他生命形式的疑问。
托马斯·戈尔德
如果生命能够存在于海洋深处，那么地球上是否存在生命的大部分实际上是在深处，而不是在地表之上呢？这是20世纪下半叶一位最具创造力和非传统思维的科学家提出的理论。托马斯·戈尔德于1920年出生于奥地利，父母是犹太人，1938年希特勒吞并奥地利后，他们逃往英国。戈尔德进入剑桥大学三一学院，但二战爆发时，英国将他作为敌对外国人拘留，并把他遣送至加拿大的一处营地。在那里待了15个月后，他被允许返回英国，并在剑桥重新学习物理学，并从事至关重要的雷达研究。戈尔德多方面的兴趣和成就足以写成一本书，甚至几本书。他成为最早探索深层海底热液喷口更广泛意义的人之一，这并不令人意外。
在1992年一篇题为“深热生物圈”（The Deep, Hot Biosphere）的挑衅性文章和1999年同名书中，戈尔德从喷口处的微生物生命推断，这类生命也大量存在于海底之下。他甚至提出，地下微生物生命在质量和体积上可能与地表所有生命相当。微生物生命可能普遍存在于地球表面以下的矿物颗粒之间的孔隙空间中——不仅在地球上，还在太阳系的其他天体上：例如月球和火星。它们表面空气和水太少，无法维持生命，但地下可能存在。也许微生物地下生命是最早出现的，它们受到早期太阳系表面剧烈活动的保护，并利用化学合成，然后演化成光合作用生命。戈尔德认为微生物生命可能广泛分布于宇宙中，这一概念被称为“泛种论”，可以追溯到公元前五世纪的希腊哲学家阿那克萨戈拉。许多著名科学家都支持这一观点，但由于无法进行检验，人们的注意力转向了生命有机构成要素可能在太阳系形成之初就普遍存在的可能性。
钻探深渊
在海底以下探测生命是早期深海钻探项目（DSDP）的首次航行之一——1970年的第15次航行，由哥伦比亚大学首席科学家华莱士·布罗克（Wallace Broecker）领导。船员在海底以下800米、数千万年前的沉积物中发现了甲烷，这是微生物活动的副产品。1986年10月，DSDP第96次航行的船员钻探了密西西比扇（墨西哥湾东北部的一个海底沉积物堆）。他们在海底以下167米处发现了地下微生物活动。到世纪末，海洋钻探计划（ODP）已对14个地点进行了细菌活动证据采样。对这些研究的总结发现，尽管海底以下的微生物数量通常会随深度增加而减少，但活细胞仍存在于700米深处。作者们得出了一个惊人的结论，即海底以下500米内的生物量相当于地表总生物圈的10%。这些早期结果表明，活细菌可能存在于比当时钻探所能达到的深度更深的地方。这促使了第一次专门研究地下生命的探险活动。
2002年春季，海洋钻探计划（ODP）的第201次航行在两个地点进行了钻探，一个位于秘鲁大陆边缘，另一个位于赤道太平洋。地下生态系统拥有高度多样化的微生物，不仅包括在喷口发现的硫还原细菌，还包括一种通过碳反应获取能量的新型细菌。这些微生物是“活的”，因为它们进行新陈代谢活动，如修复DNA和细胞分裂。它们包括生命的所有三个域：古菌（单细胞生物）、细菌和真核生物（具有细胞核的细胞）。到此时，科学家估计，地下细菌生命可能占地球总生物量的三分之一。2003年，ODP第210次航行钻探了纽芬兰海岸的海底，再次提高了标准。它在海底以下1626米处、1.11亿年前的岩石中，发现了温度高达113摄氏度的活细菌细胞。这使得作者们估计，地下沉积物中的细菌可能占总细菌生物量的三分之二。
这些微生物是“活的”，因为它们进行新陈代谢活动，如修复DNA和细胞分裂。
2010年10月，ODP的后续机构——综合海洋发现计划（IODP）的第329次航行，在南太平洋环流（地球上水最深的一些区域）进行了钻探。它是地球上五个巨型海洋旋转系统之一，这些系统驱动着巨大的海水体积。南太平洋环流逆时针旋转，北至赤道，西至澳大利亚，东至南美洲，南至南极绕极流。其中心是“海洋不可及点”：距离任何大陆最远的点。南太平洋环流的沉积速率是海洋中最低的，其底部沉积物的细胞浓度和新陈代谢活动是所有区域中最低的。要发现生命能在地球上生存的最极端条件，这里是最佳选择。
在JOIDES Resolution号科考船上，这艘船至今仍在辛勤工作，在近6公里的深水中，科学家们钻探了海底100米。他们在岩芯的底部都发现了微生物，尽管数量不像在靠近地表的富饶地区那么多。科学家们估计，最深处的微生物至少有1亿年的历史，这似乎表明它们只能是化石。毫无疑问，有什么东西能存活（无论确切意味着什么）1亿年是不可能的。但当被带回实验室并提供营养后，这些微生物开始生长并繁殖。
这一看似不可思议的发现引发了一个问题：环流下的微生物在1亿年里都在做什么？也许细胞的食物太少，不足以分裂，但足以修复受损的分子。但正如海底微生物学的主要权威之一史蒂文·D·洪特（Steven D’Hondt）所说，“这似乎很疯狂”，他猜测是否存在另一种未被发现的能源——可能是放射性——能够支持缓慢的细胞分裂。
在IODP的第337次航行中，日本钻井船“地球号”（Chikyū）针对深海钻探进行了设计，在日本下北半岛附近的海底以下2466米处进行了岩芯采样。它在煤炭和页岩中发现了与现代热带雨林土壤中的微生物相似的微生物。这些微生物群落被认为是约2000万年前生活在土壤中的微生物的遗迹，而不是可能从其他地方迁移到煤层中的现代微生物。为了探索微生物生存的最高温度极限，IODP的第370次航行中，“地球号”在日本中南部室户岬附近的南海海槽俯冲带进行了钻探。钻井深度达到4776米，最深岩芯在1177米处采集，该处温度测量为120摄氏度。在沉积柱的最底部都检测到了微生物生命。该深度的细胞似乎将大部分能量用于修复高温造成的损伤。多位权威人士曾撰文指出，地下生命能承受的最高温度为80摄氏度，但戈尔德曾预测，细菌生命能承受的最高温度将在120至150摄氏度之间——事实证明他是正确的。
火星人
这些来自科学海洋探索的发现表明，在长期被认为不适宜居住甚至致命的条件下，微生物生命可能普遍存在于地球表面以下的任何地方。这引发了一个可能性，正如戈尔德所设想的那样，细菌生命可能存在于太阳系的其他天体上，包括火星。尽管这颗红色星球表面条件恶劣，持续受到太阳和宇宙致命辐射的轰击，火星表面的平均温度为零下60摄氏度，而且极其干燥，一杯水会瞬间蒸发。一组科学家对一种名为*Deinococcus radiodurans*的地球细菌进行了实验，这种细菌被吉尼斯世界纪录评为地球上最顽强的细菌，以测试它是否能在火星上生存。这种生物能在核反应堆中茁壮成长。他们发现，如果埋在地下9米深处，*D. radiodurans*能够承受火星水平的辐射长达2.8亿年。
本十年晚些时候，欧洲空间局计划向火星发射一艘探测器，该探测器将钻探地表以下2米多深处，并分析那里的有机分子。如果我们在另一个星球上发现了生命，它看起来与我们完全不同，甚至不是小绿人，而是微生物，我们人类将如何反应？如果在火星上发现了微生物地下生命存在的证据，它可能是太阳系中最早的生命形式，在那里，它受到表面剧烈活动的保护，并利用化学合成，最终可能演化成光合作用生命，进而演化成我们。如果地球和火星都存在地下细菌生命，那么为什么其他行星不可能呢？
詹姆斯·鲍威尔是一位退休的地质学家和大学管理者。他著有多本书，包括（哥伦比亚大学出版社出版的）《气候科学审判》、《2084报告：大变暖口述史》（西蒙与舒斯特出版）和《深海之谜》，本文即节选自此书。
