皮內(nèi)爾湖：保存沉睡億年的古菌

皮內(nèi)爾湖位于美國(guó)路易斯安那州杰佛森島，曾是鯰魚(yú)等多種淡水魚(yú)類(lèi)的棲身之所，垂釣是當(dāng)?shù)鼐用褡類(lèi)芤獾男蓍e方式之一。皮內(nèi)爾湖水質(zhì)優(yōu)良，吸引了不少水上運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者前來(lái)。然而，一次嚴(yán)重的工程操作失誤，卻改變了這一切。

皮內(nèi)爾湖及其附近蘊(yùn)藏著大量鹽礦，采鹽業(yè)成為當(dāng)?shù)刈钪匾氖杖雭?lái)源。在鹽和沉積巖之間長(zhǎng)期存在的應(yīng)力作用下，地下鹽礦不斷地形成一座座鹽丘。它們穿透地層，形成斷層和褶皺。在鹽丘底部，常常伴有石油。1980年11月21日一大早，勘測(cè)石油的德士古公司的7名工程技術(shù)人員在皮內(nèi)爾湖中架起鉆機(jī)。因錯(cuò)誤估算了開(kāi)鉆位置，鉆頭意外穿透了湖底鹽礦第3層的頂部。霎時(shí)間，大量湖水涌入湖底的鹽礦，湖面上形成了一個(gè)巨大的旋渦。工程技術(shù)人員原本打算挽救鉆井平臺(tái)，但發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)開(kāi)始傾斜，只好選擇逃生。46米高的井架瞬間消失在本來(lái)只有3米深的湖中。同時(shí)，湖水淹沒(méi)了地下430米深處的礦洞，先后吞噬了11艘駁船、1艘拖船、無(wú)數(shù)的樹(shù)木、35公頃的湖畔土地和一座建筑的一部分。

以往，皮內(nèi)爾湖的水由朱紅-特切盆地匯入，隨后從皮內(nèi)爾湖經(jīng)德?tīng)柨膊祭走\(yùn)河流入朱紅灣，然后進(jìn)入墨西哥灣。此時(shí)，德?tīng)柨膊祭走\(yùn)河從一頭往湖里灌水，從墨西哥灣遠(yuǎn)道而來(lái)的咸水也逆流而上，進(jìn)入幾乎已經(jīng)空了的湖床，形成高達(dá)50米的臨時(shí)大瀑布，成為路易斯安那州有記錄以來(lái)最大的瀑布。湖水的大量涌入迫使湖底鹽礦內(nèi)的空氣快速排出，被壓縮的空氣伴隨涌入的湖水從主礦井噴涌而出，形成高達(dá)122米的間歇式泥漿噴泉。過(guò)了幾天，壓力才達(dá)到平衡。大量倒灌的咸水使皮內(nèi)爾湖從淡水湖變成了咸水湖，深度也增至60米，成為路易斯安那州最深的湖泊。

1985年，路易斯安那州新奧爾良大學(xué)的生物學(xué)教授羅素·弗里蘭帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)，進(jìn)入皮內(nèi)爾湖收集湖底部分廢棄鹽礦的水樣。此外，他們還在俄克拉何馬州的兩個(gè)鹽鹵公司收集了水樣，然后對(duì)這些樣品中的微生物組成進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)分離培養(yǎng)，研究人員從中發(fā)現(xiàn)了幾種極端嗜鹽微生物。

廣鹽性細(xì)菌常見(jiàn)于地下鹽水中，是一種能在鹽度大幅變化的水域中生存的細(xì)菌，它們會(huì)隨著雨水進(jìn)入地層，并在穿越地層的過(guò)程中，逐漸適應(yīng)不斷攀升的鹽度。然而，這種極端嗜鹽微生物至少要在20%的鹽水中才能存活，最佳的生存鹽度為25%～30%，如此高的鹽度在地下鹽水中極為罕見(jiàn)。那么，皮內(nèi)爾湖里的廣鹽性細(xì)菌是從哪兒來(lái)的呢？

研究人員首先想到的可能性，是極端嗜鹽微生物可能原本就生活在皮內(nèi)爾湖的湖水和滲透進(jìn)地層的雨水中，并隨之進(jìn)入礦井和地層。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種極端嗜鹽微生物在鹽分低于15%的水中會(huì)直接裂解，無(wú)法存活。此外，他們檢測(cè)的采自俄克拉何馬州的兩個(gè)樣品，取自同一個(gè)盆地的不同地層（采樣點(diǎn)相距不到400米），水源也都來(lái)自滲透進(jìn)地層的雨水，但是鹽度不同，一份為25%，另一份為8%，但只在鹽度較高的樣本中檢測(cè)到這種極端嗜鹽微生物。

團(tuán)隊(duì)成員考慮到這些水樣的采樣點(diǎn)是與外界直接連通的，于是提出了第二種可能性：這種極端嗜鹽微生物可能是通過(guò)管道或礦井等途徑從地表進(jìn)入。但他們從未在其他任何高鹽度湖泊中檢測(cè)到這類(lèi)微生物。并且，皮內(nèi)爾湖地區(qū)雨量豐富，地質(zhì)和地形條件也不適合高鹽環(huán)境形成，因此這類(lèi)微生物似乎無(wú)法在附近的地表存在。

既然如此，那么是否存在第三種可能性：湖中的這種極端嗜鹽微生物原本只是普通細(xì)菌，后來(lái)才演化出極端嗜鹽的特殊能力呢？從分子生物學(xué)角度來(lái)看，極端嗜鹽微生物與普通細(xì)菌的差異非常大，很難通過(guò)一系列突變進(jìn)行演化。況且，從皮內(nèi)爾湖水注入鹽礦，到弗里蘭研究團(tuán)隊(duì)采樣，時(shí)間間隔不過(guò)5年，演化不可能如此迅速。

在排除了上述三種可能性后，團(tuán)隊(duì)成員普遍認(rèn)為，唯一合理的解釋是這些極端嗜鹽微生物原本就存活于鹽礦中，在湖水涌入或雨水滲入地下后，隨著晶體的溶解逐漸蘇醒。如果這個(gè)看法能夠成立，那么就表明這些極端嗜鹽微生物早在巖鹽晶體形成時(shí)就已經(jīng)存在。皮內(nèi)爾湖湖底的鹽來(lái)自早白堊世，而俄克拉何馬州盆地兩處采樣的地層分別距今1億和2.5億年，由此可見(jiàn)，它們很可能已經(jīng)以這種形式存活了數(shù)億年。

越來(lái)越多的研究表明，微生物可以長(zhǎng)期存活于礦物晶體中。例如，2000年，弗里蘭教授從約2.5億年前的二疊紀(jì)地層的流體包裹體中分離培養(yǎng)出了一株全新的芽孢桿菌。2022年的一項(xiàng)研究顯示，在澳大利亞中部的新元古代地層中蟄伏著距今8.3億年的微生物。此外，還有一些科學(xué)家在2022年發(fā)現(xiàn)了一種別名為“柯南細(xì)菌”的抗輻射奇異球菌，竟然能在地表以下10米的冷凍干燥條件下蟄伏2.8億年之久。

為了紀(jì)念科學(xué)家勞倫斯·霍赫斯坦在極端嗜鹽微生物研究方面所作的貢獻(xiàn)，弗里蘭研究團(tuán)隊(duì)把從皮內(nèi)爾湖底鹽礦分離得到的“杰佛森島1號(hào)”古菌命名為“霍赫斯坦的鹽紅菌”，將其劃定為鹽紅菌屬的一個(gè)新物種。他們期待，隨著科技的發(fā)展和研究的深入，或許會(huì)有越來(lái)越多與恐龍同時(shí)代（甚至更早）的古菌穿越時(shí)空與我們相見(jiàn)。

沃斯托克湖：生活著前所未見(jiàn)的微生物群

南極洲是地球上最遙遠(yuǎn)的大陸之一，由大陸、陸緣冰和島嶼組成，總面積超過(guò)1400萬(wàn)平方千米，其中大陸面積1239.3萬(wàn)平方千米，陸緣冰面積158.2萬(wàn)平方千米，島嶼面積7.6萬(wàn)平方千米。這里的天氣條件極端惡劣，被冰雪覆蓋的區(qū)域超過(guò)95%。南極洲是地球上非常神秘的區(qū)域，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們并不知曉厚度達(dá)到4000米的冰層之下到底隱藏著什么。

1957年，蘇聯(lián)科學(xué)家在南極洲建立了沃斯托克科考站。1960年，蘇聯(lián)南極探險(xiǎn)隊(duì)的地理學(xué)家安德烈·卡皮查在乘坐飛機(jī)飛越沃斯托克地區(qū)上空時(shí)，發(fā)現(xiàn)冰原上有一個(gè)巨大的平坦區(qū)域。他認(rèn)為這塊冰原之下有一個(gè)湖存在，但當(dāng)時(shí)這個(gè)觀點(diǎn)并沒(méi)有引起人們的重視。時(shí)間到了1973年，英國(guó)有研究者聲稱(chēng)，在該地區(qū)發(fā)現(xiàn)了巨大的湖。1996年，俄羅斯和英國(guó)的科學(xué)家通過(guò)雷達(dá)、鐳射高度計(jì)和重力測(cè)量?jī)x等工具進(jìn)行分析，最終確認(rèn)了沃斯托克湖的存在。在沃斯托克湖存在被證實(shí)5年后，兩國(guó)科學(xué)家聯(lián)合行動(dòng)，繪制出了沃斯托克湖的基本輪廓。2005年5月，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)沃斯托克湖的中央有座島。

從1991年開(kāi)始，直到2012年，俄羅斯科考隊(duì)足足用了21年的時(shí)間才將覆蓋在沃斯托克湖上的冰層鉆透，并盡可能做到了“無(wú)污染”鉆探。2012年2月，俄羅斯科考隊(duì)已經(jīng)鉆探到了冰下3769米的位置，距離冰下湖已近在咫尺。但因壓力等作用，最后幾十米冰層的結(jié)構(gòu)異常堅(jiān)硬難“鉆”。所幸后來(lái)在“龜速”鉆探下，成功將冰層打通，湖水在巨大的壓力下直接噴向幾百米的高空。

沃斯托克湖，靠近俄羅斯沃斯托克科考站的下方。它的面積約為 1.4萬(wàn)平方千米，深度至少為100 米，是南極洲140多個(gè)冰下湖中水體最大的，也是世界上最大的冰下湖。沃斯托克湖的海拔為3500米，與南極海岸線的直線距離有1500千米。

研究證實(shí)，沃斯托克湖擁有大量的液態(tài)水（約5400立方千米），是地球上最大的超純凈水系之一，水質(zhì)比經(jīng)過(guò)兩層凈化的蒸餾水還要干凈得多。沃斯托克湖可能是地球上水量變動(dòng)最小的湖泊。這些湖水為未凍結(jié)的淡水，平均水溫為-3°C，被封存在厚實(shí)的冰冠下至少百萬(wàn)年。

科學(xué)家們認(rèn)為，湖水在凝固點(diǎn)以下還能保持液態(tài)，可能是三種因素共同作用造成的。一是來(lái)自地心的熱力使湖底的溫度上升，進(jìn)而使湖水維持液態(tài)；二是厚重的冰層造成的巨大壓力使湖水的凝固點(diǎn)下降；三是厚實(shí)的冰層使湖水與南極地表寒冷的空氣隔絕。

在從沃斯托克湖獲取的樣本中，最具有研究意義的是湖中的生物群，包括細(xì)菌、真菌和原核生物，甚至還有軟體動(dòng)物?？蒲袌F(tuán)隊(duì)在采集的樣本中發(fā)現(xiàn)了3507個(gè)基因序列，其中94%來(lái)自細(xì)菌、6%屬于真核生物。這些生物群的DNA排列順序明顯異于地球現(xiàn)存的生物種群，其中許多DNA片段甚至是從未見(jiàn)過(guò)的，不屬于地球上的任何一個(gè)物種，極有可能是已經(jīng)滅絕了的生物的基因。

克勞福德湖：留下人類(lèi)改變地球的證據(jù)

克勞福德湖是加拿大安大略省一個(gè)小而深的湖泊，雖然面積僅為2.4公頃，但水深近24米。由于其形狀獨(dú)特，底部與表面的湖水不會(huì)混合，除了沉入湖底的物質(zhì)，湖底幾乎與世隔絕。那里淤泥層層疊疊，留存了過(guò)去幾十年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)改變地球的證據(jù)，可以按年份為分析人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的影響提供樣本。

2023年4月，為了提取湖中的分層沉積物，加拿大布羅克大學(xué)的地球科學(xué)教授弗朗辛·麥卡錫領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)乘坐木筏來(lái)到湖面上。他們精心設(shè)計(jì)了一種“冷凍取芯器”，取芯器長(zhǎng)長(zhǎng)的鋁制楔子里裝滿了酒精和干冰的混合物。他們將取芯器懸掛在三腳架上，通過(guò)木筏上的一個(gè)洞將其沉入，穿過(guò)湖水到達(dá)湖底，最后沉入湖底沉積物中。大約40分鐘后，取芯器表面就凍結(jié)了厚厚一層湖底沉積物。研究人員拉回取芯器，將凍結(jié)在取芯器表面的湖底沉積物像切蛋糕一樣切下來(lái)，這樣就完成了取樣。

對(duì)此，麥卡錫介紹道，人類(lèi)活動(dòng)的一切秘密都隱藏在不同層次的湖底沉積物的化學(xué)和物理構(gòu)成中。最底層的人類(lèi)印記由當(dāng)?shù)赜〉诎踩肆粝?，這一“土著時(shí)期”超過(guò)2個(gè)世紀(jì)，該時(shí)期的沉積物中包括農(nóng)作物的花粉、鵝糞等。大約在16世紀(jì)初，“土著時(shí)期”消失了，之后的沉積物顯示歐洲人活動(dòng)的影響力越來(lái)越大。例如，隨著人們砍伐樹(shù)木，白松花粉數(shù)量減少。在1950年前后，世界到達(dá)了一個(gè)臨界點(diǎn)，最明顯的變化是放射性钚的激增。這種元素很少在地球上天然存在，只能來(lái)自發(fā)生在數(shù)千英里之外的核武器試驗(yàn)。整個(gè)19世紀(jì)和20世紀(jì)，沉積物中開(kāi)始出現(xiàn)燃燒煤和石油的副產(chǎn)品，如微小的黑色飛灰顆粒、泥漿中銅和鉛等重金屬含量顯著增加。

麥卡錫指出，從1950年前后開(kāi)始，克勞福德湖就有多種明顯的信號(hào)表明，人類(lèi)的影響壓倒了地球系統(tǒng)。到今天，人類(lèi)短短70多年的活動(dòng)帶給地球的變化比此前7000年的總和還要大。從來(lái)沒(méi)有一個(gè)物種能夠?qū)Φ厍蛟斐扇绱司薮蟮挠绊?。雖然同樣的證據(jù)也出現(xiàn)在地球其他地方的泥炭沼澤、海洋盆地、珊瑚礁的骨架，甚至南極洲的冰層，但是克勞福德湖保存完好的年度沉積物記錄的證據(jù)最具說(shuō)服力，令人驚嘆。

研究團(tuán)隊(duì)成員建議，把克勞福德湖視作一枚翻開(kāi)地質(zhì)年代新篇章的“金釘子”，標(biāo)志著地球已經(jīng)進(jìn)入“人類(lèi)世”。 他們計(jì)劃將這一證據(jù)和建議提交給國(guó)際地質(zhì)科學(xué)聯(lián)合會(huì)各級(jí)機(jī)構(gòu)表決。