科学网—“生命充满海洋”的发现历程（2）
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2026-9-12 07:52
| 系统分类: 科研笔记
“生命充满海洋”的发现历程（2）
张武昌 2026 年 9 月 12 日星期六
海底是漏的
1948 年瑞典信天翁号考察船在红海盆地探测到高温高盐卤水、多金属软泥。这是人类最早观测到海底热液的地质信号， 但没有建立对应的成因解释，当时并不知道这是裂谷带海水下渗、被地下岩浆加热、水岩反应后再回流海底的现代海底热液系统，也没有意识到这是板块扩张中心的热液喷溢产物，只是当成一个奇怪的海洋化学异常现象，甚至一开始这个发现都没有受到学界足够重视。
1960‑1970 年代板块构造成熟， 1963–1965 年国际印度洋考察，再次在红海AtlantisⅡ海渊盆地确认高温卤水、系统采集多金属软泥样品，Arrhenius & Bonatti（1963）、Skornyakova（1965）等人才逐步提出海底热液理论： 大洋中脊板块撕裂，海水沿裂隙渗入地壳，被岩浆加温之后，会以热流体形式返回海洋水体，并 析出金属形成的沉积 。
在 1970 年代之前，海洋科学有一套牢固共识，即深海大洋底部永恒黑暗、低温寡营养，所有深海生命全部依靠上层海洋沉降下来的海洋雪（生物尸体、碎屑）供养， 万物生长靠光合作用 ，不存在完全脱离阳光的独立生态系统。
地质学家根据板块构造理论，已经理论推测大洋中脊扩张带应当存在海水下渗、被岩浆加热再回流的热液活动，但仅仅当成一种地质热现象， 完全没有预料这里会发育繁茂的生命群落 ；冷泉则连理论预判都几乎没有，属于纯粹意外发现。
第四章 海底热液喷口与冷泉的发现历史：一场出乎整个科学界意料的突破4.1 海底热液喷口（Hydrothermal Vent）
1977 年，人类在加拉帕戈斯裂谷首次实见热液与化能生态。
1977 年 2 月 17 日，美国伍兹霍尔、俄勒冈州立大学等机构组织加拉帕戈斯裂谷航次，目标本是 验证地质假说，寻找海底热的流体渗漏，不是来找生物。他们 使用拖曳设备 ANGUS （ Acoustically Navigated Geological Underwater Survey ） 携带温度传感器与照相机，在 2600 米深海扫描洋底。设备捕捉到温度异常，回传胶片，对应异常的十几帧照片里，荒芜玄武岩海底突然出现大量白色贝壳、生物壳体，现场科学家大为困惑：深海荒漠怎么会集中出现大量生物？
随后 阿尔文号（ Alvin ）载人深潜器 下潜抵达异常点，亲眼看到海底裂隙涌出温热浑浊流体，周围铺展着繁盛的生物群落：巨大的蛤、贻贝、奇异的管状蠕虫，完全是一片绿洲。
地质现象是理论有所预判的； 但黑暗深海不依靠阳光、依靠化能合成维持完整生态系统，是完全超出所有人预期的重大意外 。当时生物学范式被直接冲击：地球上居然存在不需要太阳光的初级生产方式。
1977 年发现的是温度相对较低的弥散流喷口； 1979 年阿尔文号再次下潜东太平洋海隆，拍到高温 “ 黑烟囱 ” ： 350℃ 左右富含金属硫化物的热液喷出，遇海水瞬间沉淀黑色矿物颗粒，形成高耸烟囱构造，同时确认巨型管虫等标志性生物，成果正式发表于《 Science 》，热液喷口生态系统正式向学界公开。
学界很快意识到这不仅是深海生态，还给生命起源研究提供了现实类比环境，冥古宙热液喷口作为生命诞生场所的假说，从此获得现代实证参照。
4.2海底冷泉（Cold Seep）：地质上都没有提前预判的发现
热液来自洋中脊岩浆加热；冷泉流体来自海底沉积层内部，甲烷、硫化氢、石油组分、孔隙水，沿着断层、泥火山缓慢渗漏溢出，流体温度和周围深海海水接近，并不被岩浆加热，主要分布在大陆坡、俯冲增生楔，而不是大洋中脊。
早期曾经零星观测海底甲烷渗漏地球化学信号，但没有把渗漏和成套化能合成生物群落联系起来。 1983 年， Charles Paull 团队，墨西哥湾佛罗里达陡崖，水深 3200 米，首次发现完整冷泉生态系统 ， 1984 正式刊文报道，命名为冷泉 “Cold Seep” 。这里海底渗出甲烷、硫化氢，同样供养化能合成细菌，继而支撑贻贝、蛤类、管虫等群落，生物类型和热液有相似，但地质驱动力完全不一样。
这个发现又是一重意外， 化能合成绿洲并不只存在洋中脊火山热液，在大陆边缘沉积地层，只要有还原流体渗出，就可以独立形成另一套黑暗生态 ，进一步拓展了对地球生物圈边界的理解。之后全球陆续在各大洋大陆边缘发现数百处冷泉点。
4.3 热液与冷泉发现带来两次认知颠覆
热液喷口（ 1977‑1979 ）由 洋中脊火山驱动，黑暗下可以建立完整独立生态，生产者不是光合，而是化能合成微生物 。地质现象有理论预判，生命系统完全出乎意料。
冷泉（ 1983‑1984 ） 不需要岩浆高温，依靠沉积物里渗漏甲烷等还原物质，同样构建化能合成绿洲 。无论地质还是生态，事先几乎没有预判，属于纯粹意外发现。
在此之前，几乎所有人都认为深海所有生命的能量根源都来自海面光合作用。两次发现之后，地球生物圈被划分为两套大生产系统，即 光合生物圈和化能合成生物圈 。
第五章 深部生物圈：最后的前沿
“ 深部生物圈 ” 这一科学概念，由天体物理学家托马斯 ・ 戈尔德在 1992 年 正式提出，最初命名为 “ 深部热生物圈 The deep, hot biosphere” 。该概念特指 存在于地表之下和海底界面之下，赋存于大陆结晶岩、海底沉积岩、洋壳玄武岩裂隙体系中的微生物生态系统 。
普通人看到 “深部生物圈”，第一反应很容易理解成深海海水里的生物，也就是水体深部；但它实际指海底界面之下，岩石 / 沉积层内部的地下生物圈，和海水水体无关。
深部生物圈中的微生物并不完全依赖阳光与光合有机质，大量菌群以化能自养方式生存，依靠岩石与地下水的化学反应获取能量，形成一套独立于地表光合生态的地下生命世界。整体来看，深部生物圈分为三大完全不同的生存环境：大陆深部结晶岩环境、海底沉积岩环境、洋壳玄武岩环境，三者的微生物来源、生存机制、地质条件各不相同，共同构成了完整的地下生命圈层。
人类对地下微生物的最早观测始于 1920 至 1960 年 。在陆地石油深井与深层煤矿的勘探作业中，工作人员多次在地下数百米的封闭含水层中检测到细菌存在的信号。但受限于当时的科学认知，学界统一将这些生命信号判定为地表污染所致。在没有防污染采样技术、没有化能生命理论的年代，科学家无法区分钻井施工带入的表层微生物和岩层原生微生物，只能默认地下不可能存在原位生命。这一阶段仅留下零星、存疑的观测记录，尚未形成任何科学概念。
1977 年 ，在热液喷口周边发现了大量化能自养细菌与底栖生物群落，彻底打破了 “ 生命必须依赖阳光 ” 的固有认知，证实了化能合成生命模式真实存在。
这次发现搭建起了深部生物圈的核心逻辑：海水可以顺着洋壳的岩石裂隙不断向下渗透，进入海底之下的地壳岩石内部；海水下渗过程中，不仅能与深部岩石发生水岩反应、产生氢气、硫化氢等生命可用化学能，还能将海水当中的微生物带入岩石裂隙深处。这为后续解释地下微生物的来源、定植、繁衍提供了唯一合理的科学依据。
5.1 深部生物圈假说
紧随热液喷口发现之后， 1979 年 深海钻探计划开启了海底深部生命的初步探索。 DSDP 第 64 航次在哥斯达黎加大陆边缘，钻探至海底下 550 米的半固结沉积岩中检测到完整细菌细胞；同年加利福尼亚大陆边缘海底下 260 米的沉积岩中，也检测到微生物代谢产生的甲烷信号。但由于防污染技术缺失，所有发现依旧被归为钻井泥浆污染，所有深部生命信号全部被搁置，没有得到学界认可。
在 1980 至 1991 年 期间，全球深部勘探积累了更多线索。 瑞典锡延环形构造（ Siljan Ring ）属于陆地地质体，钻探的岩层为大陆古老结晶岩（花岗岩、片麻岩类） ，在这里实施的超深花岗岩深井，钻探深度达到地下 6700 米，在陆地封闭结晶岩层内部检测到烃类物质与疑似微生物活动痕迹。托马斯 ・ 戈尔德长期汇总 陆地深井（结晶岩） 与 海洋大洋钻探（沉积岩、洋壳玄武岩） 两类来源的全球异常生命数据，结合 1977 年海洋热液喷口的化能生命理论，逐步构建起地下存在大规模生命系统的猜想体系，为 1992 年的假说奠定了全部数据基础。
1992 年 是深部生物圈研究的里程碑年份。托马斯 ・ 戈尔德在《美国国家科学院院刊》发表标志性论文，正式提出深部热生物圈假说。该假说首次系统指出：大陆深部结晶岩、海底沉积岩层、洋壳玄武岩裂隙中，广泛存在不依赖阳光、依靠水岩反应存活的微生物群落，地壳深部存在体量巨大的隐秘生命圈层。
需要明确的是， 1992 年的理论仅为整合所有零散线索形成的科学假说，彼时无论是陆地超深结晶岩地下生态、海底超深沉积岩生命、玄武岩深部微生物，都没有任何实测实证。但这一假说彻底扭转了学科研究方向，让原本无头苍蝇式的偶然观测，转变为全球学界 针对性、计划性的专项深部生命探索 。
5.2 深部生物圈实证
1993 至 2001 年 ，大洋钻探技术实现关键突破。 ODP 大洋钻探计划引入荧光微球示踪防污染技术，能够精准区分钻井带入的外来异养微生物，和岩层内部原生的原位微生物。技术革新最终证实，深埋沉积物中的微生物并非污染，是真实存活的地下生命，彻底推翻了过去数十年的污染定论，为后续专项钻探扫清了技术障碍。
Furnes H, Staudigel H, Thorseth I H, et al. 2001 （ Bioalteration of basaltic glass in the oceanic crust [J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2 (8):1029-1049 ）依托大西洋、劳海盆、哥斯达黎加裂谷 海洋 大洋钻探样品，研究对象为洋壳玄武岩（结晶岩），系统报道玄武岩玻璃内微生物蚀刻的微米级管道，建立洋壳深部生命微观识别标志。
2002 年 ，人类首支深部生物圈专项钻探航次 ODP Leg201 正式实施。科研人员在东太平洋秘鲁大陆边缘、秘鲁海盆 海洋区域 开展钻探，钻探地层属于海底沉积岩，在海底下 420 米的千万年沉积岩中，检测到稳定存活的原位微生物群落；在海底下 160 米的古老沉积层中，证实深部微生物丰度随深度衰减、代谢极度微弱，依靠地下化学能长期存活。这个航次坐实了 海底沉积岩深部生物圈 的真实存在，验证了戈尔德假说的核心内容，同时修正了其对生物量过度夸大的错误判断。（ D'Hondt S, Jørgensen B B, Miller D J, et al. 2003. ODP Leg 201: Exploring the deep biosphere in marine sediments. Scientific Drilling, 1 (1): 14-24. ）。
2003 年 ，陆地深部生物圈迎来决定性实证。南非 Mponeng 金矿属于 陆地 环境，围岩是 20 亿年古老大陆结晶岩（花岗岩、片麻岩），在地下 2800 米结晶岩的裂隙水中，发现了 勇敢者脱硫杆菌 。这一化能自养微生物可以独自支撑整个封闭地下生态系统，完全隔绝阳光与地表有机质，仅依靠岩石化学反应产物存活。后续邻近金矿地下 3400 米深处，同样检出稳定的厌氧化能微生物群落，彻底证明 大陆结晶岩深部 存在独立、封闭的深部生物圈。
2004 至 2013 年 ， IODP 综合大洋钻探计划补齐了最后两类关键生境，完成了深部生物圈三大体系的全覆盖。
2005 年 ，大西洋中脊亚特兰蒂斯地块 海洋区域 开展钻探， U1309D 钻孔深入海底下 1400 米的洋壳玄武岩基底，玄武岩属于结晶岩。在玄武岩玻璃中发现了原位化能自养微生物，也就是玄武岩玻璃细菌。玄武岩玻璃是岩浆遇海水快速冷却形成的不稳定矿物结构，极易发生蚀变反应。微生物并非只是被动附着在玻璃表面，它们通过代谢分泌有机酸，溶解玄武岩玻璃矿物，在玻璃内部蚀刻出大量微米级蠕虫状管道、孔洞与蚀变通道。这种管状结构是微生物活动留下的生物蚀变痕迹，区别于单纯无机水岩反应造成的蚀变；这些微小管道既是证明地下微生物存在的化石证据，也能作为流体、营养物质和微生物扩散的微小通道。海水持续渗入玄武岩裂隙，既提供化学反应能量，也携带微生物定植存活，正式证实 洋壳玄武岩（结晶岩）深部生物圈 的存在。
2012 年 ， IODP 337 航次聚焦日本岛弧俯冲带 海洋区域 ，在日本海钻探至海底下 1180 米的巨厚岛弧沉积岩。不同于稳定的太平洋大陆边缘，日本岛弧受板块俯冲、构造挤压、热流体活动影响极强，地质环境更加复杂。该航次在高温、挤压的超深固结沉积岩中成功检出存活微生物，证明深部化能合成生命可以适应极端复杂的俯冲带沉积岩环境，极大拓宽了深部生物圈的生存边界。
历经近百年的探索，科学界最终完整厘清了深部生物圈的三大完整体系。海底沉积岩深部生物圈生物总量最大，微生物由海洋表层沉降埋藏演化而来；大陆结晶岩深部生物圈为纯封闭化能生态系统，是地球最古老的生命群落；洋壳玄武岩（结晶岩）深部生物圈依托海水渗透与玻璃矿物蚀变存活，微生物在火山玻璃中蚀刻出微米管道，是识别古深部生物圈的重要标志，是深海地下生命的重要载体。
5.3 深部生物圈的下边界
深部生物圈没有统一固定的海底之下起始深度。沉积物内的无氧还原层出现，并不等于进入深部生物圈；只有当生态系统不再依赖大洋表层沉降有机质，转而以地壳水‑岩反应产生的无机物质作为主要能量来源时，才是真正意义上的深部生物圈。近海缺氧沉积物，仍然属于表层底栖生态系统的延伸。
mbsf：meters beneath sea floor： 海底以下米数
深部生物圈下边界的大致深度现实观测
海洋沉积物（ mbsf ，海底以下米数） 大洋钻探实际钻取到活体微生物，普遍可达 数百米‑2500 mbsf ；南海、日本海沟（ IODP 370 航次），局部可到 1200 mbsf ，此处温度接近 120 ℃ ；超过该温度段，可检测的活细胞急剧衰减，大量只残存休眠孢子。多数普通大洋站位，生命明显衰减发生在 600‑800 mbsf 附近。
洋壳玄武岩（大洋结晶岩） 目前采样集中在玄武岩顶部几百米；老洋壳、下洋壳直接钻探证据很少，理论上只要温度不超标、裂隙有水、有水岩反应产氢，就可以存在微生物，但钻探很难触及更大深度。
大陆深部（陆地结晶岩、花岗岩、变质岩） 已取得活体样品最深大约 3‑3.6 km ；个别钻孔 70 ℃ 条件下到 5.3 km 见到痕迹，但再往下普遍检测不到生命。按平均地温梯度 25 ℃/km 推算，理论生命极限大致在 4‑5 km ，超过以后温度突破微生物耐受上限。
核心控制因子是温度，其次是能量底物，压力本身不是主要限制 。
温度（第一主控因子）： 实验室已知微生物繁殖温度上限约 122 ℃ 。温度升高，蛋白质、细胞膜、 ATP 分子快速破坏；细胞要消耗巨量能量去修复损伤。即便有水、有孔隙，温度一旦超标，生命无法维持。 不是深度本身杀死生物，是深度带来的高温杀死生物。
能量底物匮乏（第二大限制）： 即便温度合适，如果水 ‑ 岩反应产出的 H₂ 、硫化氢等化能底物浓度太低，不足以供给微生物最低维持能耗，同样没有活细胞。 很多地方孔隙有水、温度不高，但地质产出来的化学能太少，只能维持极慢代谢，甚至不足以支撑细胞存活。大 陆深部很多裂隙就属于这种情况。
可连通的孔隙‑裂隙空间： 要有孔隙、裂隙，让水流动、底物输送；岩石完全致密无裂隙，即便温度合适，也没有栖息空间。
压力： 地壳范围内的压力，对原核微生物几乎不构成硬限制，不是边界决定因素。
深部生物圈没有一个全世界通用的 “多少米就彻底没生命” 数字。 温度划硬边界，能量划软边界。 深部生物圈的下边界主要为温度122度限制和化学反应底物的浓度限制，自海底下探最大深度可以达到5.3千米。 地温梯度各地差异很大。热构造区（俯冲带、火山带） 等 地温梯度高的地方， 生命消失的深度会浅很多 ， 几百米就到生命终点； 古老克拉通冷地壳，生命可以延伸到更大深度 如 数千米。 海洋沉积物实际采样，大多在几百‑一千多米见到明显生命信号；大陆岩石实际取样最深约 3‑3.6 千米，理论极限 4‑5 千米。真核生物、原生动物只出现在浅层，深部生物圈主体是细菌、古菌。
1875 年提出生物圈概念以来，人们终于找到了生物圈的下边界。
结语：近 200 年来人类对海洋的探索发现生命充满海洋。这一幅宏大的生物分布图景是人类好奇心驱动的几代人不懈努力的结果，在这一过程中，装备、仪器和方法的进步是推动认知前进的重要支撑，各学科各领域的协同并进是天时地利人和。无数的工作因为不确定性而不被采信，但是这些看似无用的工作是科学大厦的地基。参与这些工作的是无数的不同岗位的科研人员，很多人的工作都淹没在科学探索中试错的旁支上，他们都是树立起科学探索丰碑的无名英雄。科学探索的闪亮时刻固然值得铭记，但是从漫长的科学史来看，前面的 4 个馒头最为基础，青藏高原是珠峰的地基，而科研的主体永远是人类，而不是某个具体的人，科学发现是历史过程，而不是某个年份。
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