【海洋之谜】深海探秘 海底发现"阿凡达"

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图：Gettyimages。

    看过电影《阿凡达》的人们，一定会对纳威人与世间生灵的沟通方式记忆犹新：他们只需要将自己长长的辫子和其他的生物连接，就可以互相沟通。最近，一位丹麦的生物学家发现，原来这个“潘多拉星球”也许真的存在，它就藏在海洋深处！在那里生活着的海洋细菌，很有可能是靠着一张纳米级的蛋白质网络来互通信息，一切都可以在瞬间完成！
/ u& A0 ^. q0 V& m$ q; V    骄傲的人类现在必须承认，单细胞的海洋微生物，在很多方面确实比我们更加“聪明”。作为“万物之灵长”的我们，也许是时候匍匐下身子，好好地向微不足道的细菌们学习一下了。要知道，它们比我们在这个星球上多生活了几十亿年，比我们知道更多在这个星球上生存的智慧。也许正是在这些微不足道的细菌身上，蕴藏着解开世间种种谜团的钥匙。

                               
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一只长着成年后用来觅食触须的管海葵（tube-anemone）幼虫。

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旋藻（Lyngbya）。

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尔森教授在实验中“自制”了海底世界。

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等幅骨虫（acantharia）是出现在海洋开阔水域的四种大变形虫之一。

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原甲藻（Prorocentrum）是有两个大瓣膜的罕见甲藻。

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黏液菌。

                               
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会“设计”地铁线路的黏液菌。

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深海发现“潘多拉星球”
8 \! `3 }- L: k: _2 [2 i# M% W5 W    生命，在没有光合作用的深海游戈
在上个世纪70年代之前，人们一直认为海洋的最深处是生命的禁区。因为那里没有阳光，不能发生光合作用。然而，1977年，当一个美国的地质小组乘坐一艘名叫“阿尔文”号的深潜器潜入东太平洋加拉帕戈斯海底裂谷2600米深的海洋深处的时候，却在这里发现了一个生机盎然的“海洋绿洲”。一个个像烟囱一样的海底火山正在这里喷吐着温度高达350℃的热液，而在这些热液的旁边，各种各样前所未见的奇异生物正在优哉游哉地散着步：大得出奇的红蛤和海蟹、血红色的管状蠕虫、大量的牡蛎和贻贝，还有一些类似蒲公英的生物，它们放射状的细丝附着在海底岩石上……
    在随后的研究中科学家们发现，在这个没有阳光的世界里，维系着海洋中所有生命的原来是看似微不足道的硫细菌——这种微生物可以通过氧化海底热泉中的硫化氢而获得生存的能量，然后它的不断繁殖又为其他的生物提供了丰富的食源，以这种细菌为肇始，海底深处的食物链得以建立起来。就好像陆地上植物的叶绿素进行光合作用合成碳水化合物一样，所不同之处只是，高能量的硫化氢取代了阳光。这种不依靠阳光而从地球内部获取能量的“化学合成”程序，是生物科学史上的第一次发现，它具有深远的意义是不言自明的。
    然而，虽然科学家们在上世纪70年代的时候就大体知道了硫细菌靠氧化硫化氢获得能量，但并没有人真的搞明白这具体是怎样的一个过程，直到今年，丹麦奥斯胡大学的一位生态学家在自己的烧瓶里模拟了一个微型的海洋世界，然后有了惊人的发现……
靠蛋白质“导线”沟通信息？
拉斯·彼得·尼尔森是丹麦奥斯胡大学的一位生态学家，他最近做了一个实验，想要搞明白海洋深处的微生物是如何获取自身生活需要的能量的。
    一直以来他都有一个疑问：海洋微生物是通过氧化硫化氢获取能量，然而，海底沉积物的顶部有氧气，但缺少矿物养分；沉积物的底部富含矿物养分，但是又没有氧气，面对这种“鱼和熊掌不能兼得”的状况，微生物究竟是如何完成氧化活动、获得生存必需的能量呢？
    为了解决这个问题，尼尔森决定“自制”一个海底世界来进行观察。
: o% V8 Y* P4 e    他和同事在大学附近的奥斯胡湾的海底20 米处挖了若干沉积物，将其带到实验室，放到烧瓶中，再在烧瓶中灌满海水，这样就营造了一个微型的海底世界。然后，尼尔森将沉积物上层的氧气抽走，过一会儿再恢复供氧。而在这个过程中，科学家一直在密切地观测着沉积物底部PH值的变化。然后他们发现了一件奇怪的事：当沉积物上层的供氧刚刚恢复，沉积物下层的PH值就变成了酸性，这意味着底层的硫化氢正在将电子释放给上层的细菌，协助它们完成氧化的活动。
' E9 t- y: w. d5 V$ r! ?, ^' W尽管尼尔森最初就预计沉积物上下层的细菌存在某种形式的矿氧互换，但它们的速度之快还是大大地超出了预计，这一切几乎是瞬间发生的！沉积物虽然只有12毫米的厚度，但这个长度是细菌体长的1万倍。如果将这种情况放大到人的尺度来探讨，就好比是地球的某个地方刚刚开采出石油，20公里外的炼油厂马上就得到了这个信息开机炼油。在细菌之间不能互相打电话、发电邮的情况下，它们是怎么完成这一任务的呢？
# j/ o9 D" l; B9 D似乎唯一的解释只有一个：细菌之间存在一张我们人类肉眼看不到的网络系统。尼尔森假设这有可能是一个纳米级的蛋白质导线，上下层的细菌们通过这个导线发送电子信息给对方。研究人员甚至还猜想，这张“网络”不仅能够传递信息，还可以传递能量。下层细菌可能直接从电网中吸收电能，并将下层的养分以化学迁移的形式输送到上层。
尼尔森将自己的发现发表在了《科学》杂志上。他的发现让人们震惊无比。“你知道吗？你发现了地球上的潘多拉星球！”他的朋友激动地告诉他。
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国际海洋生物普查计划
    浩瀚的大海中都生活着哪些生物？2000年，这个看似简单的问题却引来了一项耗资6.5亿美元的研究项目，来自80多个国家的2000余名调查人员分成17个小组，对珊瑚礁、大陆架、海洋中心山脊、微生物等进行分门别类的调查。他们还实施了其他一系列的研究，如用拖网取出浮游生物；给大型海洋食肉动物挂上标牌以跟踪它们的洄游等。
此次海洋生物大普查迄今为止已经进行了整整十年，而最终的调查结果将于今年10月在伦敦公布。先期公布出来的一些信息透露出一些令人惊叹的发现——
, z: [/ h; }# Q    1.在南美洲的西海岸，探险者发现了巨大的微生物垫，它的覆盖面积有希腊面积那么大，这些微生物群落是世界上最大的成员之一，而且，据研究者讲，类似的生态系统处于原生代时期，处于25亿年~6.5亿年之前。
: n' T3 v4 \" C0 W    2.通常人们认为巨大的鲸鱼与健壮的头足纲动物（如巨型章鱼）是典型的海洋中最大型的生物，但是海洋生物普查却发现，这些庞大的动物可能不得不给更加庞大的微生物让路，微生物占到海洋总生物量的50%~90%。
  @$ O4 N3 u% e# w9 e$ {3.之前认为1升海水包含有大约10万个微生物，但是普查研究称，实际上1升海水能够容纳的微生物数量超过了10亿。
4.调查人员在南太平洋的东部发现了各种巨大的、丝状的、多细胞的海洋细菌。这些细菌可能是海洋早期进化过程中的活化石。那时候地球上没有氧气，它们生活在有毒的气体硫化氢中。科学家们设想，这些细菌可能会对有机污染底质具有生物修复作用。而且由于它们能够生活在缺氧的环境下，可能还是发现地球外生命的重要线索。
    5.这些微小的生物并非仅仅在水层或者海底活动。在海底一千多米发现的巨大微生物群中，有一些微生物能够钻地，就像铠甲动物一样，它们仅有四分之一毫米长（1毫米等于一千分之一米）。
    微生物的大智慧或可助人类解开“心灵感应”之谜
/ S. o# L( P8 |& I  ~& v$ F% G    海洋微生物功能分子广东省高校重点实验室、中山大学化学院的林永成教授是研究海洋微生物方面的专家，他觉得尼尔森的这个实验确实很有趣。“不过，尼尔森只是提出了一种可能性：就是有可能具有这种纳米级的蛋白质导线。但要证实这种纳米级的蛋白质导线的存在则非常困难。尼尔森也说，这无异于大海捞针。”林永成对记者说。并且，尼尔森所提出的“纳米级蛋白质网络”并非是可以解释海底微生物快速传递信息的唯一可能。林永成就提出了另外一种可能性：“也许是因为微生物在通过‘生物场’彼此沟通了信息。”
1 J5 w+ ]/ G1 A1 K6 {; T" z    有科学家认为每一个生物体都像“微型电视塔”一样向外发散，并且接收着其他生物体发射的某种信号。在我们的生活中，有很多难以解释的事情都可以用这个“生物场”来解释：比如传说中的身处不同地方的孪生子可以感知对方的思想、耳鬓厮磨的夫妇会长得越来越像……很多事情让人们一直怀疑：生命在向外发散着某种“生物波”。其实所谓的“心灵感应”，也许只是人体对接受到的信号做出的一种反应。
    尼尔森的实验中，海洋微生物在瞬间就将信息传递给超越它们体长一万倍距离之外的“同伴”，不过和人类那种若有若无、时强时弱的“心灵感应”相比，细菌之间的“心灵感应”显得更加强烈、靠谱、富有效率。
    除了尼尔森实验当中的硫细菌，林永成在工作当中还遇到了不少有这种心灵感应的微生物现象。比如有一种海洋费氏弧菌：如果它单独待着的时候很平常，但是当一群弧菌凑到了一起，它们就会一起发出光来。再等到数目变少，光又会黯淡下来。后来研究人员发现，是因为弧菌们凑到一起的时候会彼此发送一种信号，这种信号会刺激它们发出光来。
   “要想搞清楚‘生物场’是否真的存在，必然要从微生物的世界去找答案。”林永成说。因为人是很复杂的生命体，每个人的身上有超过100多万亿个细胞，这就决定了普通人对身体当中一些简单的反应已经很难察觉到了。而细菌的世界则要简化而单纯得多，“生物场”的作用在它们身上也可以被放大。
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黏液菌可在26小时内“设计”最便捷的地铁线路
    黏液菌是一种黄色的单细胞微生物，在遇到大量分散的食物时，它会让自己的身体向四面八方扩张以获取营养。根据它的这个特性，2000年，日本名古屋模拟生物控制研究中心做了一个有趣的实验：科研人员设计了一个迷宫，迷宫有四条通道，每个通道的尽头都放置了食物。然后，科研人员将黏液菌放在了迷宫的正中央。一开始，黏液菌伸出自己的伪足在整个迷宫里四处试探。8个小时之后，黏液菌收起了大部分路径上的“身体”，而只是在那条距离食物最短的通路上伸展，将食物吞入口中。
2 z! S3 k, w8 w% W, K6 g单细胞的黏液菌具有的这种杰出的“智力”着实令人惊讶。今年年初，英国和日本的研究人员又做了一个实验。他们将黏液菌喜欢的食物燕麦片按照东京附近的城市的布局排列，然后将黏液菌放置在中间位置，观察黏液菌会作何反应。起初，黏液菌均匀地以蔓状结构扩散开来，似乎在对新领地进行试探。几小时之后，黏液菌开始重新布局，科研人员发现它正在为自己寻找一条可以将所有燕麦片纳入囊中的最短通道。与此同时，一些不太符合效率的通道逐渐收缩，直至消失。26小时之后，黏液菌终于成功地建立了一个相互连接的营养输送管道网。而科研人员惊讶地发现，黏液菌建立的这个网络和东京环城铁路系统惊人地相似，在个别的连接处甚至显得更为便捷有效！
3 m. M$ a. O( j6 z- }    面对聪明的细菌，人类应该学会利用
林永成说，微生物在某一方面具有超强的能力，与它们经历了漫长的进化过程是分不开的。在35亿年前，地球上出现的最早的生命就是微生物，因此它们有足够的时间去修正自己曾经犯过的错误。相形之下，人类是全方位的进化，而微生物只是在某一方面进化，并且进化了几十亿年，这就使得它们会在某一方面展现出惊人的“禀赋”，显得越来越“聪明”。“比如黏液菌，那些不能在最短时间内形成最有效的觅食通道的黏液菌会在几十亿年的进化过程中被淘汰，而它们设计路线的能力也在一代代地被改进和修正，以至于十亿年之后，黏液菌可以比人类更快地设计‘地铁线路’了——这并不是它们思考出来的结果，而是在进化过程中形成的本能，是一种下意识的行为。”
“人最聪明的地方是懂得利用。”林永成说。狗的嗅觉比我们灵敏，鸟比我们飞得高，人类可以利用仿生学的原理将其变成自己的能力。对于细菌的高明之处，我们也应该保持相同的态度。
: g3 F2 g8 Z% p% p) |和海洋微生物打了多年交道，林永成对微生物们表现出来的这些超常“智慧”一点儿也不陌生。他随便就可以讲出好多有趣又生动的例子：比如“有一种微生物，它能够分泌出一种化合物，这种化合物的分子式漂亮极了，像是三个对称的花瓣。好几个国家的科学家在实验室里百般尝试，怎么也做不出这样的化合物，做出的三个花瓣总是有一个是塌掉的……微生物可以如此轻而易举地就做到人类无法做到的事情。”不过，尽管我们目前无法在实验室里复制微生物的这一杰作，但这并不影响我们让微生物帮我们大量制作这种仿佛“三瓣玫瑰”一样的化合物，它对治疗心血管疾病有很好的疗效，“而这种‘微生物制造’的药物就算长期服用，人体也不会产生耐药性，也不会对人体有副作用。”
8 K  H# {  S' _2 P) _    “潘多拉星球”的人口普查：海洋微生物的世界究竟有多大？
    除了“智慧”之外，海洋微生物有时候还会有一些非常“无厘头”的表现。中山大学的研究人员提取了某种海洋微生物的基因，将它转入到大肠杆菌里，然后发现大肠杆菌居然产生了板蓝根的一种活性成分；在大亚湾的海面中获得的一种海洋微生物，竟然能够分离出辣椒素，这些现象都让研究人员百思不得其解。
“海洋微生物的世界实在太奇怪了……你了解得越多，就越感到它的不可思议。”林永成说。对这个充满了未知和挑战的世界，我们人类目前仍旧知之甚少。因为大概只有1%的海洋微生物在脱离了深海环境仍旧可以存活，而人类目前又很难到几千米的海洋深处去长时间作业，所以毫不夸张地说，我们对海洋微生物的了解只不过是沧海一粟。
从2000年起，全球科学家历时十年，进行的名为“国际海洋生物普查计划”（Census of Marine Life）的大型国际项目，即将于今年10月宣告完成。而在目前已经披露的部分资料里，最吸引人注意的正属于海洋微生物的这一部分。
负责此次普查计划中海洋微生物部分的马萨诸塞州伍兹·霍尔海洋生物实验室的米契·索金说:“海洋微生物的数量多得惊人，其总重相当于2400亿头非洲大象(最大陆地动物)的重量。”
    毫无疑问，海洋深处的“潘多拉星球”是世界上最渺小，同时也是最庞大的“星球”。在那里，还有许多的谜团等待人类去揭开。