第一章 绝境

地球上所有的生物，也就是科学家所谓的生物圈，或是神学家口中造物主的杰作，相当于一层由生物所组成、包裹着地球的薄膜，它非常之薄，薄到我们从航天飞机上观看地球的边缘都没法看见它，但是它的内部又如此复杂，复杂到组成的物种大多都还没被发现。这片薄膜是完整无缝的。从珠穆朗玛峰顶到马里亚纳海沟底部，各种各样的生物栖息在这个星球表面的每一寸空间中。它们遵循生物地理学的基本准则：任何地方，只要具备液态水、有机分子和能源，就会有生命。在地球上，到处存在着有机物质以及某种形式的能源，因此，水便是地球这个星球上生命能否存在的决定因素。水也许只是沙粒上转瞬即逝的一层薄膜，也许它从未见着阳光，它也许滚烫沸腾或是超级冰冷，但总是会有某种生物生存其中。就算肉眼看不到任何生物，还是会有单细胞的微生物在里头生长繁殖，或至少休眠着等待液态水的出现，好让它们重拾生命力。

在绝境中生存

南极大陆上的麦克默多干谷（McMurdo Dry Valley）是一个极端的例证，那儿的土壤是全世界最冷、最干的，而且最缺乏养分。乍看之下，这片地表如同经高压蒸汽锅消毒过的玻璃器皿，没有生物。1903年，第一位亲临南极的探险家斯科特（Robert F. Scott）写道：“我们没看到任何生物，甚至连地衣或苔藓都没有；我们只在冰堆的中央，找到一副威德尔海海豹的骸骨，至于它怎么会跑到这里来的，可就费人疑猜了。”整个地球上，就属麦克默多干谷最神似火星表面布满碎石的荒原。

但是，由一双受过训练的眼睛透过显微镜去看，景象就大不相同了。在这条干巴巴的河床上，生存着20种光合细菌，以及同样多样的单细胞藻类，还有一堆以这些初级生产者为食的微小无脊椎动物。它们全都仰赖夏季冰川融化的水，提供一年一度的生长契机。由于融水流经的路径常常改变，有些搁浅的生物只得乖乖地等待好几年，甚至好几百年，等待融水重新来临。干谷中还有更严峻的环境，那就是远离水源的荒原，但即便这儿也栖息着一小撮的微生物、真菌和以它们为食的轮虫、微生物、螨和弹尾虫。在这个单薄的食物网顶端，盘踞着四种线虫，每一种都有特定的植物或动物作为食物。但是即使是最大型的动物，螨与弹尾虫（它们相当于麦克默多干谷中的大象和老虎），也都是人类肉眼看不见的。

麦克默多干谷中的生物正是科学家口中的嗜绝生物（extremophile），是指能在生物耐受环境边缘生存的物种。许多这类生物生存在地球的绝境中，在那些如人类般大型、娇弱的生命根本无法存活的地方。另一个嗜绝生物的例子，在南极海上的浮冰“花园”中。这些经年覆盖在南极大陆周边数百万平方公里海域的大浮冰，乍看起来是没有生命能忍受的地方。然而，浮冰中其实充满着装有融化的海水的孔洞，里面经年长满了单细胞藻类，它们能吸收二氧化碳、磷酸盐以及其他来自海底的养分。这座大花园的光合作用能源来自穿透浮冰的阳光。当南极洲的夏季来临，浮冰融化侵蚀后，藻类便沉入海中，成为桡足类动物和磷虾的美食。然后这些小型甲壳类动物又进入鱼类的肚腹，而这些鱼类由于体内具有生化防冻剂，血液能始终维持液态。

最厉害的嗜绝生物非微生物莫属，包括细菌，以及外表和它们极其相像但是在基因组成上差异极大的古生菌。（在此先离题一下：到目前为止，生物学家根据DNA序列和细胞构造将生物分为三大类：首先是细菌，也就是一般所谓的微生物；再者就是古生菌，另一种微生物；最后是真核生物，包括单细胞原生生物、真菌以及所有动物，我们人类当然也包括在内。细菌和古生菌的细胞结构比其他生物来得原始，它们不但细胞核缺乏核膜，也缺乏叶绿体及线粒体等细胞器。）

某些特化的细菌及古生菌甚至栖息在深海热泉区的火山壁上，在接近甚至超过沸点的水中繁殖。其中一种名叫烟孔火叶菌（Pyrolobus fumarii）的细菌，是目前已知超嗜热生物（hyperthermophile）的冠军。它能在112摄氏度高温下繁殖，最适合的生长温度则为105摄氏度，如果温度降到90摄氏度以下，它们就会因为太冷而停止生长。见识到这种奇特的能耐，微生物学家不禁要问，会不会还有更极端的极嗜热生物（ultrathermophile），生存在200摄氏度的地热水中，或者更高温的地方？毕竟，地球上确实有这么高温的水生环境。例如，在烟孔火叶菌菌落附近的海底热泉，温度就高达176摄氏度。目前科学家相信，包括细菌和古生菌在内的所有生物，耐受温度上限约为150摄氏度，一旦超过这个温度，DNA以及组成生命所需的蛋白质将会崩解，而这是生物体无法承受的。但是，除非有关极嗜热生物（而非仅仅是超嗜热生物）的研究已经做得透透彻彻，谁也不敢断言生物真的具有所谓耐热极限。

超低适应极限

经过30多亿年进化，细菌和古生菌不断将生理适应的极限往各个方向推展。譬如，有一种嗜酸生物（acidophile），能在美国黄石国家公园（Yellowstone National Park）的热硫黄泉水中滋生。而在PH值的另一端，也有嗜碱生物（alkaliphiles）生活在世界各地富含碳酸盐化合物的碱水湖里。嗜盐生物（halphiles）则能生存在盐分饱和的湖泊以及水分蒸干的池塘里。另外还有嗜压生物（barophiles），群聚在海洋最深处的海底。1996年，日本科学家利用无人操作的小潜水艇，在世界海洋最深处，也就是马里亚纳海沟的挑战者谷地（Challenger Deep，深度为10900米），收集到一些谷底的淤泥。在这份样本中，科学家发现好几百种细菌、古生菌以及真菌。样本送达实验室后，其中有些细菌还是能在与挑战者谷地同样高压的环境中生长，也就是1000倍于海面压力的环境。

无论就哪一个层面来看，生理弹性最惊人的应该要算耐辐射球菌（Deinococcus radiodurans）这种细菌，它们能生活在极强的辐射之下，即便辐射强到能使以耐热著称的派莱克斯（Pyrex）烧杯变色、脆化，它们还能存活。人体如果暴露在1000拉德剂量的辐射下（相当于长崎和广岛原子弹爆炸所释放的辐射剂量）一到两周内就会死亡。但是在1000倍于这个数值，也就是100万拉德剂量下，虽说生长速度会变慢，但所有耐辐射球菌都还能存活。如果辐射剂量再增强到175万拉德，这种细菌仍有37%存活，甚至在300万拉德的剂量下，还能找到少数幸存者。

这种超级细菌（superbug）的秘密武器，在于拥有非凡的DNA修复能力。所有生物都拥有一种特别的酶，能修复损坏的染色体段落，不论是辐射、化学伤害或是意外事件造成的。常见的人体胃肠中的大肠杆菌（Escherichia coli），能同时修复两到三处破损。前面提到的超级细菌则可同时修复500处破损。至于它们到底运用了什么特殊分子技术，目前还不得而知。

耐辐射球菌和它的近亲，不只是嗜绝生物，而且还是了不起的通才及环球旅行家，它们被发现存在于骆驼的粪便中、南极大陆的岩石中、大西洋黑线鳕的组织里，以及一罐经俄勒冈科学家用放射线照射过的碎猪肉和牛肉罐头中。它们属于独特的一群[其中也包括拟色球藻属（Chroococcidiopsis）的氰细菌]，能在少有生物存活的地区滋长。它们是被地球放逐的流浪者，在地球上最恶劣的环境下求生存。

外层空间生物的存在

由于拥有超低极限，超级细菌也是太空旅行的理想候选者。微生物学家已经开始探讨，最坚忍的微生物是否有可能飘离地球，借由平流层的风力被送至真空的太空中，最后落脚繁殖于火星地表。反之亦然，原产火星的微生物是否也能在地球上聚生。这就是“有生源说”（panspermia）的源头，一度被视为荒诞不经，如今可能性却大增。

同时，长期寻找其他星球生命证据的太空生物学家，也因超级细菌而重新燃起希望。另外一项鼓舞，则来自发现地下自养微生物生态系统（subsurface lithoautotrophic microbial ecosystems，简称SLIMEs），这个奇特的群落是由细菌及真菌组成，栖息在地表下火成岩的矿物粒空隙中。它们生长于地下3公里或更深的地底，能量来自无机化学物。不需要一般动植物（指依赖阳光获取能源的动植物）所产生的有机物质，因此SLIMEs完全可以不靠地表来生存。也因此，即使我们所知的生物都绝种了，这些地下穴居的微生物还是可以继续生活。时间足够久的话，例如10亿年之后，它们很可能会进化出能够移居地表的新物种，重新组合出大灾难降临前由光合作用所推动的生物世界。

对于太空生物学家来说，SLIMEs最重要的意义在于，它们大大提高了其他星球也有生命的可能性，尤其是火星。在火星那红色的地表深处，可能正栖息着SLIMEs或是相当于它的外层空间生物。火星在早期还有水的年代，有河流和湖泊，可能还有时间进化出火星自己的地表生物。

根据一项最新估计，从前火星上的水量足以覆盖整个火星表面达500米深。其中有些（或者大部分）水分，可能还保存在永冻层中，被我们的登陆小艇所观察到的尘土遮蔽着，又或者，在火星地表的深处仍然保存着液态水。但是有多深呢？物理学家相信火星内部的热能足以维持液态水的存在。这些热能来自衰变中的放射性矿物，以及最初由小的宇宙碎片组合成火星时所残留的重力热（gravitational heat），还有较重元素下沉以及较轻元素上升的变化所产生的重力能（gravitational energy）。最近有一项综合多因素的模型显示，在火星表层的地壳中，每深入地下1公里，温度就提高约2摄氏度。据此推算，水分在距离地表数十公里处就会液化。但是有些水分还是可能不时从含水层冒出来。2000年，人造卫星以高分辨率的摄影机扫描火星，发现上面有小型侵蚀谷的痕迹，可能是最近几百年甚至几十年前，因水流冲刷而留下的。

如果真有火星生物，不论是自己源起，还是源自地球来的太空物体，其中必定包括嗜绝生物，因为有些极端微生物是生态上完全独立的单细胞生物，有办法在永冻层甚至更下方的地层中存活。

太阳系里另一个可能有外层空间生物的地方，可能是木星的第二颗卫星木卫二（欧罗巴）。木卫二为冰层覆盖，地表有长长的裂缝，并布满了陨石撞击的凹坑，显示地表下可能有咸水海洋或是掺和泥浆的冰层。证据显示，木卫二内部确实很可能存在热量，热量则来自和邻近的木星、木卫一（艾奥）及木卫四（卡里斯托）发生引力拉扯所致。主要冰层也许厚达10公里，但是和涌出液态水的较薄地区相交错，而这里的地层薄到能形成一片如冰山般的平板。类似SLIMEs的自养生物是否会因此漂流到木卫二的地下海洋中？对于行星学家和生物学家来说，这点显然很有可能，值得仔细观察研究。而且也足够实际，值得去测试——如果我们的探测器能够缓缓降落，探勘涌水的地表裂缝，并钻探覆盖其上的薄冰层的话。

第二号候选者，是条件稍微逊色的木卫四，也就是距离木星最遥远的一颗大卫星，它的冰冻地壳可能厚达96公里，而下方的咸水海洋可能藏在19公里的深处。

在地球上，最接近想象中的木卫二和木卫四海洋的地方，则是南极洲的沃斯托克湖（Lake Vostok）。沃斯托克湖的面积和安大略湖相当，深达460米，位于南极大陆最边远的南极洲东部冰层（East Antarctic Ice Sheet）底下约3公里处。它的年代起码有100万年之久，一片漆黑，压力极强，而且与其他生态系统完全隔绝。如果说地球上有什么环境是不毛之地，那必定非沃斯托克湖莫属。然而，在这个隐蔽的小世界里仍然有生物。科学家最近钻探采集到深达180米、接近沃斯托克湖的冰河样本。最底层的样本中，含有一小撮各种各样的细菌及真菌，几乎可以确定是由其下的湖水而来。钻头并未伸入更深的液态湖水中。因为科学家担心会污染这片地球上仅存的原始生境。沃斯托克实验虽然没能告诉我们太多关于外层空间生物存在的可能性，却是一个探索未知世界的前驱，类似21世纪很可能会施行的火星及木卫二和木卫四的探测计划。

假设外层空间的自养生物和地球上不需要借助阳光而起源的生物一样，它们是否也可能在如地府般黝黯的环境中，形成某种形式的动物？提到这个，令人马上联想起甲壳类动物滤食微生物，然后是体型较大、像鱼类的动物则追逐着甲壳类动物。最近一项地球上的发现显示，像这样独立进化出复杂生命形式的过程，确实有可能发生。

罗马尼亚的莫维尔洞窟（Movile Cave）已经与外界隔绝了起码550万年。这段时间，它内部显然还是能从交叠的岩石缝隙中得到氧气，但是没有接收任何来自外界的有机物质。虽说世界上大部分洞穴里的奇怪生物，起码都有一部分能源是来自外界，但是这种情况绝不可能发生在莫维尔洞窟。这儿的能源基础为自养细菌，它们能代谢岩石中的硫化氢。以这些细菌为食和彼此为食的动物，不少于48种，当洞窟开挖后，其中33种动物还是科学上的新种。里面的微型草食动物，相当于外界吃食植物为生的动物，包括潮虫、弹尾虫、马陆及蠹虫等。专门猎杀这些微型草食动物的肉食动物，则有拟蝎类、蜈蜙及蜘蛛等。这些构造较复杂的生物，是源自洞窟被封闭前进入其中的生物。

另外一个例子，虽说并未完全和外界隔绝，但同样是有如阴间地府般黝黯的体系，那就是位于墨西哥南部塔巴斯科（Tabasco）的恰帕斯（Chiapas）高地边界的灯屋洞穴（Cueva de Villa Luz）。这儿也是一样，能源基础在于自养细菌的新陈代谢。这些细菌附着在洞穴内壁上，一层又一层，靠着硫化氢过活，同时也供养各种各样的小型动物。

关于生物分布的研究，可以从地球生态系统里物种繁殖以及相互适应的各种方式中，找出许多基本的模式。第一，也是最基础的原则是，只要是有生命存活的地方，不论是地表或地层深处，都能找得到细菌和古生菌的踪迹。第二，只要有容得下蠕动或游动的空间，小型原生生物及无脊椎动物便会入侵，来吃食微生物以及彼此相残。第三，空间愈大，生活其中的最大型动物的体积也愈大，空间范围可以一直扩大到最大的生态系统，例如草原或海洋。最后一点，生物多样性最高（以物种数来衡量）的栖息地，是终年日光能源最丰富的地区，是冰雪最少的地区，是地理环境最多变的地区，同时也是长期气候最稳定的地区。因此，位于亚洲、非洲和南美洲的赤道热带雨林，拥有数量最多的动植物种类。

且不论规模大小，所有地方的生物多样性（biodiversity）都可以归并成三个层次。最上层的是生态系统，例如雨林、珊瑚礁及湖泊等。其次为物种（species），它们是组成生态系统的成分，从海藻到凤蝶，到海鳗，到人类。最下层则是各种各样的基因（gene），它们是每个物种中个体的遗传组成。