地球生命科学的研究课题

　　近年来，人们已确认在地下数千米范围内有微生物，还认识到在海底或冻土层下的大范围内，由生物生成的沼气以冻结状态存在的事实。可见，在距我们脚下很远的地下深处就存在着以前未知的生物圈世界。日本在21世纪深海底开挖作业中，将派日本新建的先进挖掘科研船参与，以求探明地下深处的生物圈，对开创新地球生命科学有所建树。

　　把生命体的起源与进化（包括人类的进化）同地球环境与变迁等有机地结合起来，进而弄清地球与生命之间的联系的科学，叫做地球生命科学。

　　为了更好地理解地球生命科学，地下生物圈的存在已引起世人的注目。近年来，通过对深海底的探查或从陆地上挖掘，在地下几千米的地层或在火成岩体中存在着微生物的事实已得到了人们的确认；在海底下或在冻土层下的大范围内存在着冻结状态的沼气层也已被确认。这个地下世界究竟是什么？它到底对地球环境做了些什么？它同人类又有什么关系？

　　令人惊奇的地下深处生物圈

　　1999年6月14日，美国钻探船“JR"（Joides Resolution）号再次来到横滨港。JR号是在国际开挖深海底计划（ODP，Ocean Drilling Program）中服役的挖掘科研船。ODP计划目前正在积极研究的项目有：板块构造（plate tectonics）、海底的生成、地球内部动力学（dynamics）及地球环境的变迁等。JR号钻探船的微生物实验室装有岩心的提取器，能在无菌和嫌气性的条件下采取岩心；有能提供无菌作业空间用净化台；还将增设供研究微生物专用的储存容器室等。

　　有人曾对在地下生存的微生物总量与在地表层生存的微生物总量作了推测，一致的结论是地下的微生物总量比在地表层上的多得多。

　　其实，20世纪初就有人指出在地下深处有生物圈的问题。其后，美国能源部曾开展了对地表层内微生物的研究，但直至90年代后才开始在杂志上陆续介绍其科研成果。近10年来，由于对地层内微生物进行了一系列调查，陆上、地下及海底下存在的微生物再度引起了人们的注意。从此，有关地下微生物存在的普遍性、有机碳的埋藏量、基因资源的多样性、生理与生物化学的特异性、物质循环，以及生命起源等问题的研究就必然要具有微生物的知识，以致对地下微生物及地下生物圈的关心度迅速上升。

　　近5年来，有报告说在地下超过1000米深处的玄武岩带水层有微生物，另有报告说在地下约300米处的白垩纪堆积岩层也有微生物。另外，位于美国与加拿大两国间的“胡安 · 德富卡”海岭的热水喷出域，在进行ODP开挖过程中也发现在其喷出的热水中也含有微生物，可见现在已无法怀疑地下深处存在着生物圈的事实。

　　那么，地下深处的生物圈的深度能达到什么程度？反过来说，到底是什么物理要因决定着地下深处生物圈的深度下限？首先从温度条件考虑，据说已知微生物的生育温度界限为110~120℃。在热水喷出域的海底下数厘米到数米处的地方，温度可达110~120℃；而在大陆地壳一般要在4000米左右，海洋地壳约2000米左右才达110~120℃。这就是说，从生育温度方面而言，到地下数千米为止的范围为微生物生活圈。

　　从压力方面看，虽然现在尚未弄清微生物能生育的压力界限，或许其压力界限为2万气压左右。如果是这样，在水深4000米的海底再往地下约5000米左右为微生物生活的可能范围。因海洋堆积物的平均厚度约1500米地下深处生物圈的物理环境有可能越过海底堆积物而扩大到海洋地壳。

　　温度、压力、生息、空间及营养源是生物生存的必要条件。地下4~5千米范围内的温度和压力均适合于生物的生存，当然不但容易形成生物圈而且有可能使生物圈扩大。由于在堆积岩的粒子与粒子间的间隙大，而且含有生物残骸的多，-般说来有机物质较富。适度的间隙与丰富的有机物质是很适合于微生物的生活。

　　比海洋地壳更深的地方主要的是玄武岩层（厚度平均5000米），通常缺乏有机物质。但在日本海海底开挖到海底下727米时，其玄武岩的间隙率达约20%。像玄武岩这样致密的岩石也有约20%的间隙，这说明玄武岩也有供微生物生活的空间。据报道，生活在玄武岩的微生物还挖通岩石构筑了微型隧道。

　　在太阳系生成时，有可能原来存在于宇宙分子云中的沼气、一氧化碳或二氧化碳被封入于地球内部。在地球深处的这些气体有可能随着在中央海岭等处的岩浆活动，或地壳规模的流体循环，或板岩境界的断层运动而移动。

　　如果地球深处气体的上升具有普遍性的话，不仅热水环境或堆积岩，甚至玄武岩质的海洋地壳深处也能经常得到沼气、一氧化碳及二氧化碳的供给。这意味着利用这些气体的地下深处生物圈存在于更深更广的范围。虽然至今对地球深处气体与地下微生物的作用到底能制造出什么样化学物质的问题仍是个未知数。地下生物圈的存在已基本上得到认可，今后，生物量、生物多样性、生物活性及生物地球化学等将是研究的重要课题。

　　生命起源的现场

　　约40亿年前的地球生命起源的过程大致上是这样，在原始地球大量存在着沼气、硫化氢、氨及氢气等还原性物质，它们在高温与高压下反应而形成生物分子，进而在矿物表面聚合而高分子化，并在紫外线被遮断的环境下细胞化。那么，在原始地球中出现“生命起源”的现场究竟在什么地方呢？

　　约20年前所发现的海底热水喷出孔使人联想到生命起源的现场。然而，现在的热水喷出孔的化学环境同40亿年前的热水喷出孔的最大的不同之处是在于是否存在分子状氧O₂这一点上。现在的热水生态系是靠使用分子状氧的化学合成（来自二氧化碳的有机物合成）的，但40亿年前的热水性原始生命应该是靠不同分子状氧的代谢。化学合成是“化学合成独立营养”，如植物进行的光合成就叫做“光合成独立营养”。与此相反，凡是靠来自其他有机体的营养来维持自身生存的就叫做“从属营养”，包括人类在内的一切动物以及真菌类或细菌类都是属于“从属营养生物”。

　　在地球生命起源方面经常成为问题的是，最初的生物究竟是从属营养还是独立营养？约10年前，有人提出的关于最初生物是独立营养，其化学能源是一种叫做黄铁矿（FeS₂）的矿物的生成反应的学说，得到了许多欧美同行们的支持。

　　伴随着黄铁矿生成的游离能量，在高温与低pH条件下就大为增加，这正是有如热水喷出孔的环境。估计原始的热水喷出孔可能也是这样，从原始至今的地下生物圈或许也是这样。

　　如果高温、高压、丰富的还原性物质，嫌气（无氧）或黄铁矿的存在是适宜于生命起源的环境的话，现在遗留着的这种环境就是地下深处的生物圈。地下生物圈的物理与化学环境同生命起源环境有类似之处。假定原始生命的直系子孙能传到现在，它们或许只能到地下深处生物圈去寻找。

　　深海开挖船的建造计划（OD21）

　　日本建造新型挖掘船的研讨是在大约10年前开始的。其后以科技厅及海洋科学技术中心为主，通过与大学等研究人员的合作制定了采用套管挖掘技术建造新型深海开挖船方案——OD21。

　　OD21计划要建造的深海开挖船的挖掘深度达到海底下7000米，比现有的JR号挖掘的深度要深得多。采用套管挖掘技术能确保使泥水得以闭锁循环，同时也可能开挖含有碳化氢的地层。

　　OD21计划从1998年4月开始建造，2006年可望正式投人营运。其最主要目的是构筑新的地下世界观。

　　地球深处是生命体的故乡，现在仍还在生成沼气或碳化氢并予以贮藏，给地球的碳循环，即对地球环境产生了巨大影响。如果在海洋地壳内部微生物普遍存在的话，由这些微生物生成的物质（如沼气或碳化氢）或许左右着断层的强度，甚至还同地震的发生有关。人们必须主动去理解这未知的世界，而唯一的方法看来是开挖洋底。

　　OD21计划的方针可以说是满足了理解地下生命物质世界所需要的基本条件，推进这项计划必将对创立地球生命科学有所贡献。

　 [科学，（日）1999年第9期]