神秘的量子生命在东湖中的探寻

遗失的世界

说到地球上最冷的地方，答案可能和你想的不太一样，不是南极点或北极点，而是东南极冰盖中部的某个地方，距南极点约1 300公里。在那里，冬季气温通常会骤降至零下几十摄氏度。地球上有记录的最低气温是-82.9℃[52]，就是1983年7月21日在那里测量到的，也为那里赢得了“南半球寒极点”的称号。在如此低的温度下，钢铁都可以被冻碎，柴油冻得用锯才能割开。极寒的天气冻结了空气中的每一丝水分，刺骨的强风无休止地吹刮着这片冰封的荒原。这一切让东南极冰盖成了地球上最不宜居的地方。

其实，这里的环境并非从古至今一直如此恶劣。现在的南极洲大陆，曾是超大陆冈瓦纳大陆的一部分，位于赤道附近。这里曾经植被茂盛、水草丰美，覆盖着种子蕨、银杏、苏铁等植物，大陆上有着各类恐龙和食草类爬行动物，比如形似犀牛的水龙兽等。大约8 000万年前，超大陆开始分裂，其中一部分向南漂流，最终在南极点安顿下来成了南极洲。之后，大约6 500万年前，一颗巨大的小行星撞击了地球，使得所有恐龙和大型爬行动物灭绝，但为温血的哺乳动物留下了生存空间，使之成为地球的主宰。尽管距撞击地点非常遥远，南极洲的动植物群也受到了影响，发生了彻底的改变：落叶植物取代了蕨类和苏铁；林间栖息着现已灭绝的有袋类动物、爬行动物和包括巨型企鹅在内的鸟类；盛产多刺鱼类和节肢类动物的急流和深湖蜿蜒散布在河谷中。

但是随着大气中温室气体水平下降，南极洲的气温也随之降低。循环的洋流也使气温进一步下降。约3 400万年前，南极的地表水，包括河流和内陆湖，开始在冬季结冰。之后，到了约1 500万年前，冬天冻上的地表水在夏天没能融化，坚实的冰层将河水与湖水封在了冰顶之下。随着地球持续降温，大片的冰川逐渐覆盖了南极洲大陆，使所有的陆生哺乳动物、爬行类和两栖类动物灭绝。几千米厚的巨大冰盖将土地、湖泊与河流埋在了下面。南极洲大陆从此深埋在冰盖之下。

据称，直到19世纪，美国的海豹猎人约翰·戴维斯（John Davis）船长才第一个登上南极洲大陆；直到20世纪，随着几个国家竞相在南极洲建立科考站以确立自己在南极的领土要求，才拉开了人类在南极永久定居的序幕。和平站（Mirny）是苏联的第一个南极考察站，于1956年2月13日建成，靠近南极海岸线。两年后，一支探险队从那里启程，远征南极内陆，希望能在南磁极点建设基地。考察队一路历经坎坷，经受了暴风雪、软雪、极寒（-55℃）、缺氧等极端条件的考验，终于在南半球夏天的12月16日到达南磁极点建立了东方站（Vostok）。

自那以后，常驻该研究基地的科考队伍几乎从未间断，人数维持在12～25人。科学家和工程师们在这里从事地磁与气象观测相关的研究工作。考察站的主要目标之一是在冰层上钻孔，以获得冰冻的气候历史记录。在20世纪70年代，工程师们成功钻取了一组深达952米的冰核，探到了在上一次冰川时期形成的冰层，距今有数万年的历史。到了20世纪80年代，新的钻井设备到达东方站，研究人员得以探测冰下2 202米的深度。1996年，钻孔深入到达冰下3 623米：这个深度超过3公里的冰洞，一路向下勘探到了42万年前形成的冰层。

但钻孔随后被叫停了，因为在孔底下方不远处探测到了奇怪的东西。其实，早在20年前的1974年，英国对该地区做地震调查时就在东方站底部发现了异常。当时发现，在冰面下约4 000米深处，有一片面积达10 000平方公里的广阔区域各项数据都异常。俄罗斯地理学家安德烈·彼得罗维奇·卡皮查（Andrey Petrovich Kapitsa）提出，雷达显示异常是因为冰下困着一大片湖，冰盖极强的压力及深处的地热使湖水获得足够的温度来维持液态。卡皮查的论断于1996年得到证实——对该地区的卫星测量发现，冰下有一个深达500米的湖泊（从该湖的液态表面至液态底部），面积与安大略湖相当。科考队将该湖命名为东湖（Lake Vostok）。

冰下埋着一片古老的湖泊——随着钻孔逐渐靠近这片独特的环境，东方站的钻孔行动具有了完全不同的意义。东湖封锁于地球表面之下，即使没有几百万年，也有几十万年了[53]，那是一个“遗失的世界”。

在湖水被冰封起来前，曾经活跃于湖中的动物、植物、藻类、微生物经历了什么？在绝对的黑暗与严寒中，是否有生物残存了下来？所有的生命都灭绝了吗？还是有些生命活了下来，甚至适应了冰川下几千米的生活？如果真是如此，这些顽强的生命必须应对极端的环境：刺骨的严寒、完全的黑暗，还有冰下湖由于厚重冰盖的重量而承受的300倍于地表湖水的高压。不过，生命的多样性令人惊叹，确实有生命曾在其他类似的极端环境中艰难地求得一条生路，比如弥漫着硫黄味儿的灼热火山口、酸湖、还有海平面下几千米深的漆黑海沟。也许，东湖也能撑起一片属于嗜极生物[54]自己的生态系统。(www.xing528.com)

近8亿公里之外的另一项发现让发现冰层深处的湖泊显得更加意义非凡。1980年，“旅行者2号”航天探测器从太空传来木卫二的照片，图中的木卫二表面被冰雪覆盖，但有些令人费解的数据显示，冰面之下有一片液态的海洋。如果生命可以在南极冰川之下数千米的水体中存活几十万年，那么木卫二冰面下的海洋里也可能会有外星生命。在东湖中寻找生命变成了一场演习，为更加令人激动的地外生命搜寻做准备。

科学家的钻孔于1996年停止，底部停在距离湖面还有100米的地方，以防冰下湖的原始水体与浸满煤油的钻头接触，而钻头可能沾染了来自地表的植物、动物、微生物及其他化学物质等。然而，通过之前抽取的冰核，科学家们早已对东湖的水进行了研究。随着冰下湖水体中暖流的流动，冰顶之下的水体会周期性地冻结、融化。这个过程自湖水被完全冰封开始，便一直这样，因此，冰下湖顶部的冰层，其实不是冰川，而是冻结的湖水，被称为积冰（accretion ice）。积冰从冰下湖液态表面向上延伸，厚度足有数十米。之前的钻孔行动钻到的冰核，曾穿过了这个冰层。

2013年，第一份详细研究东湖积冰冰核的文献公开发表。该报告的结论指出，冰封的湖中含有复杂的生物网络，包括单细胞细菌、真菌及原生生物，以及更为复杂的软体动物、蠕虫、海葵等动物，甚至还有节肢动物。科学家们还成功地找到了这些生物的新陈代谢类型，以及它们可能的栖息地和生态环境。

不可否认，东湖的生物体系极其令人着迷，但本章关注的焦点并不在此，而关注的是任何生态系统在被封锁数千年甚至数百万年后依然能存活下来的方法。其实，可以将东湖看作是地球的缩影。实际上，除了太阳辐射的光子外，地球与外部环境已经隔绝了40亿年，面对大规模火山喷发、小行星撞击和气候突变等一系列挑战，地球依然保留了丰富多样的生态系统。高度复杂的生命，在几千年甚至几百万年的漫长岁月中，多次经历环境的极端变化后，是如何生存下来并繁荣发展的呢？

在东湖生物学研究团队曾经研究过的一些材料中，可以发现一条线索：从冻结的冰下湖水中提取到的几微克化学物质。这几微克物质是地球上所有生物连续性及多样性的关键所在，它包含了已知宇宙中最不可思议的分子，我们把这种分子称为DNA。

进行东湖DNA研究的团队来自美国博林格林州立大学。为了读取从湖水中回收的数百万东湖DNA分子碎片的序列，该团队使用了之前用来解码人类基因组的DNA测序技术。之后，他们将东湖DNA与含有各种生物基因序列的数据库进行了比对。该数据库中的基因序列采集自全球数千种生物的基因组。他们发现，许多来自东湖的序列与生活在冰上的细菌、真菌、节肢类动物或其他生物的基因相同或非常接近，特别是那些栖息在冰冷湖水中或是幽深黑暗的海沟中的生物——这些地方的环境可能与东湖的环境有点类似。由于冰下湖中的生物将自己的DNA标志留在了湖水中，使科学家们得以根据基因的相似性对冰下湖中生物的天性与习惯做出有根据的猜测。

但是别忘了，东湖中的生物已经封在冰下与世隔绝几十万年了。因此，DNA序列的相似性说明了东湖中生物与冰上生物具有共同的祖先。在湖水与栖居于其中的动植物被隔绝在冰下之前，它们的祖先一定曾生活在南极洲大陆的动植物群中。之后，这些有机体祖先的基因序列在冰上和冰下，各自独立地复制着，一代又一代。不过，即使经历了漫长的复制过程，相同基因的两个孪生版本依然几乎完全相同。不知道用什么办法，在过去的几十万年间，决定冰上和冰下生物形状、特征和功能的复杂遗传信息，一直忠实地传递着，几乎没有一丝的错误。

遗传信息准确地自我复制，从一代传向下一代——这项我们称为遗传的能力，对生命来说起着支配性的作用。从植物和微生物的光合色素到动物的嗅觉感受器，或是鸟类不可思议的磁感应罗盘——基因，以DNA的形式存在，编码了蛋白质和酶类，并通过新陈代谢，造就了每个活细胞中的每个生物分子，甚至每一个生物的每一种特征。确实，许多生物学家会认为，自我复制是生命的决定性特点。但是，活体生命不能直接自我复制，除非它们能首先复制出创造自己的指令。因此，正是遗传的过程，或者说遗传信息高精度的复制，让生命成为可能。你或许还记得第1章中的遗传之谜，也就是遗传信息极其准确地从一代传递到下一代的过程，让埃尔温·薛定谔相信，基因是符合量子力学的主体。但是，他的想法正确吗？我们需要用量子力学来解释遗传吗？现在，我们就来讨论这个问题。