这些生命是地球的“贱民”:在地球最极端残酷的地方,这些微生物勉强维持着生命,然而,很可能正是这些微生物的存在,在宇宙中撒播下了生命的种子。
1968年秋天,伊姆雷•弗里德曼(Imre Friedmann)和太太罗塞莉退休后,在塔拉西安顿下来,过着安宁的晚年生活。弗里德曼从任教的佛罗里达州立大学下班以后,夫妇俩通常是一边吃晚饭,一边观看电视新闻。日复一日,年复一年,生活如平静的流水,谁都没想到,这两位学者曾经多年进出地球生命的禁区,向生命的极限屡屡挑战。1978年,当他们看到电视新闻上正在讲解火星上的生命很可能以海藻或细菌的形式存在于岩石中时,罗塞莉激动得把菜盘子都翻了:“说的是我们!”
广播员的确在说他们:两名微生物学家曾经就生存于地球最荒凉的地方的微生物发表过论文,却一直没有受到重视,直到1976年7月20美国的“海盗一号”太空飞船在火星上着陆并对火星土壤进行采样分析有无生命的迹象时,才有人想起,类似的工作早就有人进行过。只不过工作人员不是宇航员,而是植物学家弗里德曼;研究的对象也不是火星,而是地球自然条件极端恶劣处的岩石。以后的几个月内,“海盗一号”太空飞船成了新闻焦点,采样分析意外地发现了很可能是微生物遗留下的化合物。但是,这次航天飞行的专家之后得出的结论是:火星土壤无菌,因为没有生命能够经受得了太阳紫外线辐射、极端干燥和火星表面致命氧化物的考验。
“海盗一号”在火星上着陆不久以后,弗里德曼夫妇发表了一篇探讨生存于南极洲罗斯沙漠和山脉中的微生物的论文。一般认为,这些山脉寒冷干燥,不会有生命的。为“海盗一号”在火星上着陆做准备试验,美国航空航天局也曾经对那里的土壤进行过检测,结论是,有生命的可能性不大。但是,类似的实验弗里德曼不用离开塔拉西就完成了。只不过采集的不是硅样,而是非常完善的培根砂岩石样品。在塔拉西的实验室里,弗里德曼对送来的这一小块岩石样本进行了分析,发现岩石上有细菌。这些细菌在南极寒冷的极夜零下50℃的残酷环境中,勉强维持着生存。其维持生存的条件非常残酷:只有到了夏季,这些细菌才得以解冻、重新与水化合并进行光合作用,只有在中午温度略高但还不至于使雪融化消失。弗里德曼夫妇称这些生命为“石中隐藏者。”
弗里德曼夫妇的文章于1976年9月24日发表。此时,正是“海盗一号”的火星探索如日中天的时候,各种媒介仍在沸沸扬扬地报道有可能在飞船采集到的火星土壤中找到生命,而地球上有两个科学家则向世界宣布地球极端处发现了生命!人们的目光被火星上的生命探索牢牢吸引住了,没有人会静下心来思考弗里德曼夫妇的文章。一年之后,“海盗一号”引起的轰动烟消云散。有天,弗里德曼突然接到了美国航空航天局和美国科学基金会的电话。对方问能否为弗里德曼开个新闻发布会,谈一谈他的工作。弗里德曼也不明白这两个单位怎么转而对岩石中的生命产生了兴趣。
不久,弗里德曼就明白新闻发布会到底是干什么的了:当人们对“海盗一号”的希望破灭之后,弗里德曼的研究方向会重新激起人们在火星上发现生命的期望。有关方面可能是借弗里德曼向人们暗示:火星上的生命有可能为逃避火星表面残酷的环境条件而躲到岩石中去了——美国航空航天局的专家知道自己以后探索的方向了。
80年代初期,再没有飞船飞往火星,火星生命学也因国会中断了预算而告终。实际上,不要说有资助的火星生命的探索,就连这项课题本身也被人们彻底否认了。然而,地球上的生命学并未受到影响,弗里德曼的工作也未停止,而且,美国航空航天局和美国科学基金会开始悄悄地资助他了。多年以来,他在地球上最恶劣的环境中探索并成功地寻找到了生命,这一点对在其他行星上探索生命的踪迹是非常有意义的。
眼下,弗里德曼正在实验室里对新近从西伯利亚采回的细菌进行研究,这些细菌在300多万年的永久性冻土层中侥幸得存。在这样残酷的条件下,它们能够活下来是个奇迹,按照标准方法根本无法发现它们还是活着的。更令人惊讶的是,这些幼稚菌不但能抵抗西伯利亚的严寒,还可以在室温下生存。
为寻找这些微生物,弗里德曼的足迹遍及地球的各个角落。弗里德曼去过的沙漠有蒙古的戈壁,也有智利的阿塔卡马沙漠;为了探索冻土带,他要从地球的一极跑到另一极。他爬上过高山之巅,也下潜至大洋之底。他不断地问自己:如果微生物能够在地球这么残酷的环境中生存,那么,相同的生命形式会不会在地球以外生存?
弗里德曼的研究是从匈牙利移居到耶路撒冷时开始的。1951年来到希伯利大学时,他就决心在内盖夫沙漠中寻找海藻类植物。作为一名植物学家,他曾长时间研究过海草(一种很大的海藻)。但是在沙漠中他只能找到单细胞种。弗里德曼说:“虽然有人觉得我的观点没有根据、甚至有点疯狂,但我认为很可能海藻已经适应了沙漠条件。”整整10年,他在内盖夫沙漠跑来跑去,为的就是能够在沙漠土壤中找海藻。苍天不负有心人,1961年有位石油地质学家送给他一块石灰石。这块石头内有一层绿色物质。这位地质学家认为绿色物质是铜的一种形式,但被化学家否定了。他转而认为有可能是一种植物形式。弗里德曼简直不敢相信自己的眼睛,切片显微分析发现,石灰石中的绿色物质真的是海藻!弗里德曼很快意识到,透水性的多孔岩石比干透了的沙漠土壤可能更适合微生物生存。岩石的中心可以保存水分,而且岩石又是半透光的,可以产生光合作用,同时又能过滤掉沙漠中可置微生物于死地的非常强烈的阳光的淫威。弗里德曼从此一发不可收拾,在各处都能发现岩石中的微小生命。到60年代末期,弗里德曼靠积累的实际经验意识到,至少是在沙漠中,岩石的光合作用比土壤中的活跃,所以弗里德曼认为南极洲的情况肯定也是如此,决定着手研究南极岩石。此时,美国航空航天局正以南极洲为基地训练火星探险,该局的研究人员也在这里的土壤中寻找着微生物的踪影。弗里德曼告诉他们,即便火星上曾经有过生命,现也早已躲藏到火星上的岩石中去了。可惜,除了一名南极研究人员外,没有人相信弗里德曼的话。弗里德曼渴望着去南极洲考察,在那里继续岩石生命的研究,但是一直找不到资助。1973年,弗里德曼结认了“海盗号”航天飞行首席科学家、微生物学家沃尔夫•威施年科。听了弗里德曼在内盖夫沙漠岩石中找到了生命的介绍,威施年科同意下次去南极洲训练时注意一下这种石头。同年夏天,威施年科和一名地质学家在南极洲选择了一片山陡谷深风大的地方埋下了微生物探测器。但是,在起出这些仪器时,威施年科犯一个致命的错误:只身前往,在约定的时间没有回来。救援人员最后在悬崖下面发现了威施年科已经冻僵了的尸体。
弗里德曼直到1974年1月才知道朋友的腿耗。他痛苦得简直要绝望了。痛定思痛,弗里德曼决定另选课题,再也不提南极岩石生命了。但是,两个月之后,弗里德曼收到了威施年科遗孀海伦的信。信中说:“我收到了南极寄来的岩石和土壤样品,其中有些岩石据说含有海藻。我想那是沃尔夫为您采集的。如果沃尔夫的辛苦没有白费,至少我还能有所安慰。”看完信,弗坦德曼重又开始了岩石生命的研究。
沃尔夫留下的岩石中,有一块直径虽然仅仅2英寸的砂岩,却是弗里德曼1976年发表的长篇论文的立脚点。(当时,他认为岩石中的有机质是单细胞海藻,后来才知道那是正在进行光合作用的蓝藻细菌)。弗里德曼厚积薄发,从1976年起,他开始定期去南极考察。
弗里德曼研究越来越准确,虽然他还不明白细菌在岩石内到底是如何挣扎着生存下来的,但已经明确地证实了这些细菌的确是活着的。当然,他的研究还会使人产生误解,以为今天的火星上可能还会有微生物存在。实际上,火星上的大气层和表面的液态水早在几十亿年以前就完全消失了,火星上大部分地区的气候比南极洲还要寒冷残酷。岩石内的生命或许在火星上存在过,但是现在早已不在了。弗里德曼20年前就说过,即便火星表面真的有过生命,生命的落脚点也只能是岩石里面。
1996年,火星生命又成了人们议论的焦点。在南极洲发现的火星陨石中发现了化石或至少是类似化石化的微生物。弗里德曼对陨石里面的类似微生物的结构并不太热心,但是鉴于争论沸沸扬扬,他指出,南极含有微生物化石的岩石和火星上的岩石最相近,因为两者可能是在同样的自然条件下形成的。
目前弗里德曼正在研究西伯利亚冻土带的微生物。这种生命也许会有助于人们开拓视野,找到地外生命的其他形式。冻土开始是含有生命的,短暂的夏季使地表土解冻,新的淤泥将解冻了的土埋在下面。当最原始的地表土壤被埋得太深,夏季的阳光再也不能使其解冻时,这一土层变成了永久性冻土。有些冻土层深达地下3000英尺。弗里德曼也说,“在这种古老的冻土层里有微生物。”曾经活跃于地表的细菌会随着土壤被深深地埋在黑暗寒冷的地下。在西伯利亚冻土层发现了细菌后,弗里德曼又带队到更寒冷的南极冻土层钻探,而且再次发现了大量活菌。同实验室冷冻培育的微生物不同的是,南极冻土中发现的细菌并没有处于蛰伏状态,而是在某种程度上还保留着生命的活力。
火星上会不会有类似的情况?不管火星有没有液态水,冰是有的。火星的北极就有冰层覆盖,而且很多研究人员认为,如果那里的冻土层不会支撑着整个火星的话,至少对火星的大部分起着稳定作用。或许,在火星北极的冰层下而就深埋着某种生命,只是有两点困难:一是那里的冻土的平均温度大约为零下loot,比弗里德曼在南极钻探的零下16℃冻土温度要低;二是火星冻土层中的微生物要忍耐30亿年,而不是300万年。但即便如此,弗里德曼认为,虽然难以在那里发现生物,但会留下生物化石的。
所有关于火星、太阳系其他世界以及更深远的宇宙生命现象和争论都使地外生物学界非常活跃。但是,弗里德曼依然把地球作为工作的重点,因为遥远的行星虽能激发人们的想象力,我们所在的星球却可使研究人员能够实地核证自然的结果。况且,地球大部分地区的微生物研究还是空白,弗里德曼的话非常实在:“我倾向于研究地球生命样本,因为比较真实,近在眼前。”
毫无疑问,地球上肯定有生命隐藏于岩石中,但是为了真正了解它们,还必须到它们生存的自然环境中去研究。迄今为止,弗里德曼的南极之行多达17次0
起初,弗里德曼收集数据的程序和太空计划一样复杂:仪器以太阳能为动力,还有铅酸电池备用,向绕极地上空运行的卫星发射数据;法国图卢兹的跟踪站再将数据下载。研究费用非常昂贵。现在,他采用了比较便宜的数据记录器,这种仪器大小和鞋盒差不多,但是内存非常大。每年检索一次数据,去南极更换内存。一块锂电池就可以连续7年提供所需的动力。多亏了这种设备,他们能够连续不断地记录下非常准确的气候变化。弗里德曼、他的学生和他的同事在戈壁、阿塔卡马沙漠和内盖夫沙漠等地都设下了这种仪器。弗里德曼说,他们的数据是举世无双的,因为没有人连续长时间密切监测地球上最不起眼的岩石。弗里德曼非常自豪地说:“我们有南极一块岩石连续6年的最精确的记录。”
说起来有点滑稽:一块咖啡桌大小的褐色砂岩内埋藏着各种各样的传感器,导线将这些传感器连通到记录仪上,就像危重病人身上缠绕的抢救管子似的,每隔5分钟,这一系统就会记录下阳光强度、有无降水、温度、湿度等的变化数据,这么完整的实地观测再加上实验室的分析,弗里德曼的研究小组战至非常精确地计算出了岩石内生命的繁殖能力:它们光合作用的碳大部分丢失了。有些必须包裹在细菌用于抗拒外层的冰晶所产生的蛋白中;这样,蛋白就会从自身的膜中溢出。最后,细菌活力只有原有效率的0.25%,每年从每平方米中只能获得3毫升碳。完成上述过程以后,它们再也无力为生长提供能量了。一句话,这是最最苟延残喘的生命。这些有机物其实一直在生与死的临界线上走钢丝。所以,对这些细菌来说,夏季的阳光真是太珍贵了,风向改变,以不同的角度吹向岩石时,岩石就成了背风处的细菌的天然屏障。由于岩石破裂,暴露出来的细菌不得不钻到岩石更深的地方藏身。
在多年的研究过程当中,弗里德曼经常碰到一个熟悉的面孔——拟蓝球藻型植物(深蓝细菌的一种)。在佛罗里达的实验室里培养时,这种微生植物长势茂盛,但是在温和的自然环境中,a至在南极生物所钟情的环境中,它都拒绝生长。除了极端艰苦的环境之外,它还有一个要求,那就是孤独。在内盖夫沙漠调研中,弗里德曼首先发现的是拟蓝球藻型植物;在威施年科采集的南极岩石中首先发现的还是拟蓝球藻型植物;在地球的另一极北冰洋中的Ellesmere岛上,弗里德曼再次发现了它。最后,他们发现拟蓝球藻型植物的踪影遍及非洲、澳洲、加州、墨西哥和亚洲炎热的沙漠中。在意大利、在落基山、在全狂风肆虐的高山之顶,都有拟蓝球藻型植物。但是,对拟蓝球藻型植物来说只要有其它生物存在,就说明环境还没有那么残酷,它就拒绝生长。在室温下显微观察到的浮游于水滴上的拟蓝球藻型植物显得舒舒服服,生机盎然。从内盖夫沙漠岩石总分离出的一个植株甚至像半透明的绿色彩虹一样熠熠生辉。一旦水分干枯,这些植物的身体就蜷缩成软糖状,这种状态虽不雅观,但可使其生命在几十年的干燥环境中不致干枯。
按照弗里德曼的理论演绎下去,火星也极有可能有生命。地球上生命的间接证据(如保存在岩石中只有生命才能产生的有机化合物)表明,地球上生命至少可以上溯到38亿年前。然而,多数专家的意见是,地球表面在40亿年前不会有生命,因为当时地球正遭受着陨石雨的轰炸,海洋还在汽化。所以,进化生物学家怀疑,虽然有间接证据,但38亿年离40亿年前太近,怎么可能在这么短的时间内从最基本的有机分子演化为完整的细胞生命呢?也许,生命在别处出现,来到地球安家的。有人说生命源于地球深处(因为现在地球深处还有大量生命),后来才钻出地面的。另外一派的观点是,生命是从其他行星上过来的,弗里德曼比较倾向于这一派的观点。火星比地球小,离太阳也远,所以火星的温度应当比地球冷却得早。或许,生命的条件在火星上出现得早。而且,火星的引力比地球的小,生命借助某种形式(如陨石)到达地球也不是没有时间可能,弗里德曼说:“如果生命起源于火星再迁居到地球,就可以解释为什么生命会在那么短的时间内从地球上冒出来了。”
殖体泛在说已经争论了几十年,起初,它只是一种假设,但是现在研究人员对火星-地球的生命之旅越来越重视了。为能适应艰苦的太空旅行,火星上的微生物必须担负起坚强的嫁接生命的角色,它的生命力必须非常强大,忍受得了数月之久的太空旅行,而且一旦着陆,必须能够在一切环境条件下生存发展。如果着陆的是偏爱某种条件的生命,它必须恰好溅落在自己喜欢的地点,否则还会死去的。这种假设正好被弗里德曼证实了他在地球各处已经发现了能够适应一切残酷条件的生命,如拟蓝球藻型植物。也许,在广袤的宇宙时间与空间内,如此可怜的生命一点都不可怜,它们是生命的一种飞越形式,能够从一个行星飞向另一个行星,甚至行星有大规模的灾难时能够返回原来居住的星球。
当然,地球上的生命如此戏剧性起源的可能性很小,弗里德曼对此也并不热心。要证明这一说法,起码必须在火呈上发现生命或至少从火星上找到冷冻状态的微生物。还有其他需要探索的形式。地外生物学家正在研制一种岩洞机器人,这种机器人能够在其他行星的深处寻找微生物。也有人建议从木星的卫星欧罗巴上冷冻的海洋中采集冰屑,看看有没有有机分子。
所有这些假说、建议也许最后都是无稽之谈。随着1997年“探路者”(pathfinder)在火星上着陆,以后10年里还会有其他宇宙飞船到达火星。这些探测器都设计携带着寻找生命的设备。弗里德曼说:“我对当年的海盗号航天飞行还记忆犹新。当时,有好多异想天开的笑话,也有很多勾心斗角,都想让自己的设想被采纳。这一次,我可不和同事争论了,谁是谁非并不重要。我的猜想和别人的一样有道理。也许所有的人都对,也许所有的人都错了。每个人都在这一点或那一点上打了赌,但是谁是赢家,又有谁知道呢。”
[Discover,1997年5月]
寻找生命
发布时间:98年02月27日
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