科罗拉多州斯蒂姆博特斯普林斯（Steamboat Springs）的硫磺洞穴（SULPHUR CAVE）内的空气中弥漫着有毒的硫化氢和致命剂量的二氧化碳。这个洞穴被三块木板围起来，很少有人来过。旧版的《斯蒂姆博特飞行员报（Steamboat Pilot）》详细记录了几次早期的探险，比如20世纪30年代的探洞者戴着防毒面具，每次只能在里面待四分钟。或者20世纪60年代的一位供氧洞穴学家，曾把自己（抽搐着）推向洞口，不得不被人拖进新鲜空气里。
然而，大卫·斯坦因曼（David Steinmann）并未被吓倒。“最致命的气体其实是汽水冒出来的气，”他笑着说。斯坦因曼是一名环境顾问，也是丹佛自然与科学博物馆动物学系的特聘研究员，同时还是一名志愿消防员，非常习惯在不适宜居住的环境中活动。
为任何一次地下探险穿上所需的防护装备，感觉就像穿上呼吸器去救火一样。那是2007年，一个来自美国国家洞穴协会（National Speleological Society）的科罗拉多州团体组织了一次洞穴探险，招募了10名专家来研究这个奇特空间的地理、生物、历史和水化学。斯坦因曼则负责寻找新物种。这是他的专长。他已经发现了100多种以前未被识别的生物。那天，14年前，硫磺洞穴即将发现又一种。
斯坦因曼回忆说，其他科学家让他先下去，以免他们碰到或打扰到什么东西。装备齐全后，他小心翼翼地爬进洞口——大约浴缸大小，与地面齐平。里面很泥泞，然后是湿滑、黏腻，最终向下延伸25英尺（约7.6米），长度约180英尺（约55米）。这是他最喜欢的地方。他知道，不愉快的地方，正是新生命安身立命之处。
斯坦因曼继续前进，他发现了附着在天花板上的微生物群落，它们滴下的黏液状酸液可以烧穿衬衫，给皮肤带来他戏称为“轻微晒伤”的损伤。这些被称为“鼻涕虫”（snottites）（洞穴探险者很有幽默感）的生物，依靠对我们有毒的硫化物生存。
当斯坦因曼继续深入时，他很快看到一股泉水汇聚成几个池子——每个池子直径约5英尺（约1.5米），其中含有的硫化氢比海底的火山喷口还要剧毒。池子里有蠕虫。成千上万只细小的、红色的、蠕动的管状物聚集在一起，成百上千。它们长度一到两英寸（约2.5-5厘米），宽度只有铅笔芯那么粗，总体看起来就像海葵，或者过度熨烫过的天使发意大利面。“我这辈子从未见过这样的东西，”他说。“这是一个非常不寻常的环境。我当时就想，‘这些一定是什么新的东西’。”
斯坦因曼是对的：经过多年的分析，他和研究团队能够宣布，这些血红色的生物，现在被称为Limnodrilus sulphurensis，是一种全新的物种，迄今为止只在这个洞穴和一个附近的温泉中发现。
但这些蠕虫不仅是新物种，它们可能还有实用价值。L. sulphurensis属于一类被称为“极端微生物”的生物，这是一个用于描述那些在人类通常不去的偏远极端环境中茁壮成长的生物的术语。有些喜欢盐。有些适应寒冷。还有些则沐浴在放射性、金属、酸性、高温、干燥、黑暗中。结果发现，它们经常产生人类可以用来让相对平淡的生活更加舒适的化学物质。
极端微生物默默进化的劳动成果现在被应用于从洗涤剂到药物的各种产品中。但尤其是奇特的蠕虫，似乎是很有潜力的抗生素来源，甚至可能对耐药病原体有效。这些生物与它们既需要又需要抵抗的细菌群落一起生活，可能已经发展出了生物化学上的应对机制，这些机制可能会被用于你药店购买的药片中。
要了解极端微生物如何帮助现代社会，就需要有人发现它们，研究它们的潜在用途，然后在工业环境中复制它们的自然习性。这些都不是小任务，也不是能在短时间内完成的任务，这就是为什么，在硫磺洞穴发现14年后，弄清楚L. sulphurensis是否有用以及如何有用，这一过程仍在继续。这个过程的初始步骤通常是滑腻、有气味、 messy的一步——进入地球上人们最不应该去的地方。在这些地方，生物创新潜藏着，已存在了无数年。“还有很多东西有待发现，”斯坦因曼说，“还有很多未知。”
在硫磺洞穴，斯坦因曼弯腰舀起蠕虫样本，将它们从对我们来说可怕的栖息地中挖出。其他人则收集了关于洞穴微生物群落的数据，关于它们的细菌汤——正是这种混合物，这些生物必须发展出防御机制才能生存。附近，一位经验丰富的深洞探险家兼地图绘制师钻进一个裂缝，空手而归，满脸通红，几乎喘不过气来，浑身是黏液。
如今，来自极端微生物的化学物质被用于无乳糖牛奶、杀虫剂、洗衣皂、颜料、生物燃料。但数千年来，人们一直在向它们寻求帮助。“嗜盐菌在《圣经》中都有提及，”约翰霍普金斯大学生物技术教育中心主任詹姆斯·科克（James Coker）说，他指的是喜欢盐的生物。旧约的抄写员当然没有直接提及嗜盐菌。当时，在任何语言中，“细菌”（germ）这个词还没有被说出来。但科克说，看看关于盐业的说法：那些很久以前的人们知道，当晶体变成红色时，就是开采的时候——这是微生物改变的，它们的色素保护它们免受阳光照射。有些嗜盐菌可以在比海水盐度高10倍的水中生存；其他“菌”则占据类似的极端生态位，例如核反应堆的冷却池。“对它们来说，当然，这并不算极端，”科克说。“那是它们生活的地方。就像问我们：‘你怎么能在75华氏度（约24摄氏度）下生活？’”
那些出去寻找这类生物的人有时被称为生物勘探者。他们跋涉全球，寻找生活在极端环境中的生物。“他们挖土，采集南极的冰样，去澳大利亚和黄石公园的奇怪湖泊，收集东西，然后带回实验室，试图弄清楚是不是新的，”科克说。
斯坦因曼从硫磺洞穴出来后，联系了美国地质调查局的一位蠕虫专家，后者组织了一个国际团队来识别和表征这些没有眼睛的绯红色细线虫。该团队由来自科罗拉多州博尔德到德国罗斯托克的六所大学组成，他们是生物学家、动物学家、分子生理学家、地质学家和蠕虫专家。斯坦因曼和科罗拉多团队又回到了源头三次，收集了更多的样本并进行了环境研究。
在2009年的一次探险后，斯坦因曼将保存在酒精中的蠕虫包装好，寄往欧洲进行DNA分析。他还将一批活体样本装在一个充满洞穴水和藻类的充气容器中寄去。它们适应得很好。“在这个有氧气和食物的水族箱里，它们过得很轻松，”他说，“比那个疯狂的洞穴容易多了。”
斯坦因曼说，在那些黑暗寒冷的地方，营养很难获得。他坐在科罗拉多州的一家美食广场，周围都是唾手可得的卡路里。在他西边的山区里，大多数生物从进入地下的较大动物——土拨鼠、旱獭、徒步旅行者——的粪便中获取能量，或者从偶尔掉落到入口处的腐烂的木头中获取能量。然而，那些废物会像岩层一样，厚达数英尺地堆积在地面上，被锁定在时间和空间里。
斯坦因曼并非一直对洞穴里的极端生命感兴趣。在20世纪90年代，一次洞穴学会议来到科罗拉多州，带来了潜入该州地表之下的洞穴生物学家大卫·哈伯德（David Hubbard），他对这类探索产生了浓厚的兴趣。“在一周内，他发现了大约10个新物种，”斯坦因曼说。
当时，他是一名河流生物学家，负责收集和分析无脊椎动物和水生昆虫。他经营着一家名为Professional Wetlands Consulting的公司，为美国林业局、高尔夫球场、滑雪胜地、住宅开发项目和学校系统做过项目，这些项目都需要湿地边界的地图、环境分析和物种清单，以了解建造或扩建将对水域产生何种影响。在地下攀爬和滑动只是他偶尔的爱好，自高中以来就一直在涉足。但就像落石一样，一个想法砸中了他：他可以将工作和娱乐结合起来。“我开始寻找生命，”他回忆道。现在，作为丹佛自然与科学博物馆的特聘研究员，斯坦因曼已经在科罗拉多州的地下发现了数十种以前未知的生物。他是发现新事物的专家，但他将深层实验室的应用潜力研究留给别人。他更像是一个“生物窥探者”，而不是“生物勘探者”。
在欧洲，瑞典哥德堡大学的研究员克里斯蒂安·埃尔塞乌斯（Christer Erséus）负责对L. sulphurensis蠕虫进行基因分析。该团队研究了这些生物容易吸收稀薄氧气的血管网络。它们的生命液体具有高氧结合能力。“我总是开玩笑说，有些运动员会喜欢蠕虫的血液，”斯坦因曼说。但这些蠕虫像蕾丝一样细长，很难抽取。
在一个月内，DNA结果出来了。这些蠕虫与任何人以前见过的东西都不同。但即使有了基因上的确定性，要收集足够的信息来宣布和描述一个新物种也是一项艰巨的任务。该团队——所有人都忙于其他项目——花了九年时间才确定了该物种的分类地位，并在《Zootaxa》和《Hydrobiologia》上发表了详细介绍其存在、解剖特征和家园——斯蒂姆博特斯普林斯最不舒适的地方——的文章。
2016年该论文发表后不久，斯坦因曼联系了一位名叫奥雷莉·塔西姆斯基（Aurélie Tasiemski）的法国研究员，她专门研究极端蠕虫的抗生素潜力。
L. sulphurensis与塔西姆斯基通常研究的生物不同。她是法国北部里尔巴斯德研究所感染与免疫中心的生物学家和副教授，她主要研究海洋环境中的微小生物。但这种来自美国的变种因其硫磺栖息地吸引了她的注意。“根据我的经验，栖息在如此极端环境中的蠕虫是新型抗生素的有趣来源，”塔西姆斯基说，她是第一位研究奇特蠕虫抗菌潜力的科学家，于2004年发表了关于普通水蛭抗菌能力的首篇论文，并于2014年发表了关于奇特海蠕虫的第一篇文章。
斯坦因曼提出寄一些L. sulphurensis给她研究，或许从中提取抗菌肽——由氨基酸组成的化合物，可以消灭细菌。但这需要新鲜的活体样本，收集它们需要规划另一次探险，获得斯蒂姆博特斯普林斯的许可，组建团队，采取在硫磺洞穴中保持活力的预防措施，然后成功将蠕虫运往欧洲。考虑到斯坦因曼的全职工作和其他洞穴探险，以及疫情的复杂性，新的采集工作需要一段时间。但他计划在2022年将蠕虫运往大西洋彼岸。
一旦蠕虫到达，塔西姆斯基就会知道该怎么做。她从职业生涯早期就开始研究不寻常的蠕虫，大约在2000年开始研究水蛭，然后在2010年代转向研究来自海洋热液喷口的蠕虫。“我对非典型生物的生物学非常感兴趣，”她说。“我认为是因为别人都不关心它们。”她喜欢水下弱者，并想了解蠕虫是如何适应生活在她称之为“如此疯狂的物理环境”中的。
她发现并于2014年首次发表的答案是，它们可以与帮助它们的细菌共存——就像我们的微生物组帮助我们一样——并消灭阻碍它们的细菌。它们拥有*特异性*免疫力，能够产生只针对坏家伙的肽。她在Alvinella pompejana（也称为庞贝蠕虫）中发现了这样的化合物（人类也拥有），这些化合物可以用作对付特别棘手的病原体的抗生素。在2010年和2012年两次东太平洋海脊（一个构造板块边界）的采集航行后，她花了三个月时间找到并纯化了它们的肽。她立即为这两种想法申请了专利。
塔西姆斯基和她的同事们——包括前研究生雷纳托·布鲁诺（Renato Bruno）——多年来一直潜入海洋寻找额外的样本。“问题是，要获得大约1000条蠕虫，你必须花费数周数周的采样时间，”布鲁诺说。获得动物后，他们必须立即在船上冷冻，并在返回实验室之前保持低温。（有时，其他生物勘探者会将活体生物带回实验室，在那里他们会促进它们的生长和繁殖，并实时了解它们产生的化合物。）
塔西姆斯基的团队将蠕虫与海沙颗粒分开，沙子的尺寸与蠕虫的大小不相上下。分开后，蠕虫需要被磨成一种糊状物，塔西姆斯基用类似杵臼捣碎香料的动作比划着这个动作。
糊状物包含了生物所能提供的一切，她的团队只想要抗菌肽。幸运的是，这些肽具有特定的、小尺寸。一种叫做高效液相色谱仪的专业实验室设备通过筛选精确的分子来分析每个组件。研究人员将样品与液体溶剂混合，机器将溶剂泵通过固体材料。固体材料以不同的方式捕获不同尺寸和成分的颗粒，将它们像高科技筛子一样分离。
分离出的纯肽落在充满细菌的培养皿中。一两天后，如果化合物有效，培养皿会显示外圈有细菌，中间有一个空白圆盘，表示防御措施已经消灭了细菌。
塔西姆斯基的实验室分析有前景的肽的结构和杀菌特性。这使他们能够确定有助于它们在盐、酸、热、冷或高压条件下保持抗生素作用的分子组成。“我们发现分子的结构与其发现蠕虫的环境之间存在相关性，”布鲁诺说。某些结构是为了适应特定条件而进化的——而所有这些适应性都可以被用来增强人类的抵抗力。抗菌肽似乎对所谓的ESKAPE病原体特别有效，这是一种具有六种超强毒性和抗生素耐药性的细菌。
自20世纪80年代初以来，科学家们就已了解自然界的抗菌肽及其在人类免疫中的应用，并已发现其中3000多种。然而，这些化合物中只有几十种来自蠕虫。
蠕虫的生化适应性之所以有希望，部分原因在于它们生活在从不接触对人类有害的细菌的地方。因此，它们具有对引起我们生病的细菌来说是新颖的特性。“细菌不知道如何逃脱，”塔西姆斯基说。此外，通常由皮肤产生的蠕虫肽能够承受外部环境的极端温度，这意味着它们不像许多此类药物成分那样需要超低温冷藏。“你可以把它们放在桌子上，”她说。这也意味着未来的抗生素不会像某些药物那样受到发烧人体温度的损害。
一旦她的实验室分离并鉴定了这些肽，塔西姆斯基就不需要培养蠕虫来获取更多的化学物质了。它们可以被合成。
今天，塔西姆斯基正在用小鼠测试她的专利肽，这大约需要两年时间。如果它们在啮齿动物身上表现良好，试验最终将转向人类。这些直接的患者工作将落到其他人身上，如果成功，将需要与制药公司合作，进行试验和大规模生产。“目前，我们不需要与大公司合作，”她说。“但我们会需要的。”
塔西姆斯基希望对喜硫的斯蒂姆博特斯普林斯蠕虫的研究也能取得丰硕成果。但她比寻找应用更喜欢发现的刺激。“‘哇，我是第一个看到这些的人’，”她回忆起自己发现新事物时的想法，比如太平洋中的新热液喷口。漂浮在水面上，想到没有人曾亲眼见过这些地方，感觉很奇怪。而且，想到通过了解生物体在那里生存的方式，她可以帮助我们自己，感觉也很奇怪。
迄今为止，FDA已批准了3000多种已知的抗菌肽中的七种用于药品，如非处方药新霉素软膏。所有这些都来自非极端细菌或其它此类肽的衍生物，从发现到批准开发了约15年或更长时间。尽管科学家们研究了其他肽，但这些研究在临床试验前就停滞了。有时，肽在实验室中的效果不如在自然环境中看起来那样好。有时，它们可能对人类生物化学有毒性。有时它们不稳定。
进入临床阶段本身就是一大障碍：像塔西姆斯基这样的研究人员需要将这项任务移交给那些与大型制药公司（如果不是，至少是小型制药公司）有联系的研究人员。斯坦因曼这样的探险家、塔西姆斯基这样的学者，以及那些能够将他们的工作推广给更广泛受众的实业家，各自占据不同的生态位。这需要很长时间，如果它真的发生了的话。但从极端动物进化的尺度来看，这可以说是环节动物（annelid）眨眼的瞬间。
但约翰霍普金斯大学的科克坚持认为，极端微生物的商业化运动将会汇聚。“这将会发生，”他说。在喷口和洞穴中潜藏着巨大的潜力，而且有太多的钱可以赚，自然界的秘密不可能永远隐藏起来。科克甚至在想更长远的事情，关于当人类登陆火星并在一个拥有地球极端寒冷干燥条件的地方寻找生命时，情况可能会如何发展。
然而，斯坦因曼仍然牢牢地扎根于——也深入——这个星球，他希望找到更多为自己开辟生态洞穴的生物。“即使在我们美国的后院，也有很多未知，”他一边看着美食广场一边说。“我在我的柴堆里发现了新物种。”
发现这些惊喜只需要弄脏双手，并更仔细地观察，就会发现世界并非如看起来那样固定不变，而是充满了潜力，在水坑和裂缝中涌动：生命，以其自身理想的条件生存着，它们的艰辛可能会帮助我们。“我们可以窃取它们的所有秘密，”斯坦因曼说。
这个故事最初刊登在《科普》杂志 2022 年春季“混乱”特刊上。阅读更多PopSci+故事。
