地球上極端生命的發現常常引發人們對外星世界可能潛伏著什麼生物的猜想。當我在1月21日報道在南極洲740米厚的冰層下發現魚類生活在與世隔絕的海洋角落時，情況也是如此：人們詢問這可能意味著什麼，以便在遙遠世界（如木星的衛星歐羅巴）上找到生命，歐羅巴極有可能在其冰殼下蘊藏著液態水海洋。
天體生物學家詩意地暢想我們或許有朝一日會在歐羅巴冰層的水下部分發現微生物粘液層，但他們的目標是否定得太低了？在歐羅巴的水域中，是否會有更令人興奮的東西滑行，比如最近發表在《自然》雜誌上的一篇科幻草圖中設想的那種蜘蛛腿、生物發光的異形蜘蛛類生物？ “問題永遠是能量，”佐治亞理工學院研究歐羅巴作為潛在生命棲息地的行星科學家布蘭妮·施密特說。“魚類需要大量能量——比微生物多得多。” （大眾科學是自然出版集團的一部分。）
魚類需要一個多層次的生態系統——生物能量學上相當於一個金融金字塔計劃。水生生態系統的底部是單細胞微生物，它們利用來自陽光或化學來源的能量，從水中提取二氧化碳分子以生長。被稱為原生生物的微小生物以微生物為食。在新發現的南極生態系統中，甲殼類動物可能以原生生物為食，而位於金字塔頂端的魚類可能以甲殼類動物為食。
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蒙大拿州立大學的微生物生態學家約翰·普里斯庫是本月發現南極魚類的團隊成員之一，他說，碳（或能量）沿著食物網的轉移是低效的。“當你沿著食物網向上走[每一步]時，你會損失大約 90% 的能量，”他說。因此，對於生活在冰層下生態系統中的每一公斤魚，您可能需要多達 1,000 公斤的微生物作為食物網的基礎來支援它。即使新發現的魚類最終直接以微生物為食，這也仍然意味著每公斤魚至少需要 10 公斤的微生物。
正是這種限制——動物對能量的奢侈需求以及能量的有限供應——可能會決定歐羅巴上是否可能存在具有複雜生命的食物網。
地球上大多數生態系統都由陽光從底部向上驅動，陽光透過光合作用驅動碳固定。但是，歐羅巴海洋中任何生命，在 10 或 20 公里的冰層下，都必須使用另一種能量來源。對南極洲數百米冰層下封閉的湖泊的研究為了解這可能如何運作提供了引人入勝的景象。
今年在南極洲發現海洋魚類的同一個團隊還在 2013 年 1 月鑽探了其中一個冰下湖泊：惠蘭斯湖，它位於 800 米厚的冰層下，大致在魚類發現地點以內陸 100 公里處——這兩次考察都得到了國家科學基金會 (NSF) 的支援。他們發現惠蘭斯湖生機勃勃，每毫升水大約有 130,000 個微生物細胞。但更令人感興趣的是，這個據稱“極端”的冰下環境竟然如此不惡劣。它的溫度為 –0.5 攝氏度，略高於南極洲周圍的海洋。儘管在冰層下存在了數千年，但它仍然含有一些海洋動物（如海星和蠕蟲）實際上可以存活下來的氧氣含量。
具有諷刺意味的是，將惠蘭斯湖與外界隔絕開來的同一層冰殼也為它提供了穩定的氧氣供應。從海底散發出的環境地熱以每年幾便士厚度的速度融化冰蓋的底面。這釋放出古代氣泡，這些氣泡在數千年前從降雪形成冰時被困在冰中。
基因研究表明，惠蘭斯湖中的微生物利用這種氧氣“燃燒”從下方沉積物中滲出的銨和鐵礦物質——提供能量來固定碳——有效地取代了光合作用。“這就像一個電池，”普里斯庫說，他的實驗室在 2013 年檢索並分析了湖泊中的一些樣本。“冰有氧化劑，沉積物有還原劑，生命進化來填補這個空隙——自由能空隙。”
美國宇航局噴氣推進實驗室的天體生物學家凱文·漢德認為，歐羅巴上也存在同樣的方案。漢德利用夏威夷凱克天文臺的望遠鏡進行光譜讀數，在歐羅巴表面發現了高濃度的氧化性化學物質，如硫酸鹽、氧氣、二氧化硫和過氧化氫，這些物質是在木星的電離輻射沖刷歐羅巴表面時產生的，分裂了歐羅巴冰層最上層的水分子和硫化物。生物體可以利用這些氧化性化學物質來燃燒燃料，如從歐羅巴海洋岩石底部滲出的鐵或甲烷。
使這成為可能的是，歐羅巴似乎在地質上是活躍的，允許這些燃料和氧化劑的供應被運輸、混合和不斷更新。施密特發現證據表明，歐羅巴冰凍外殼下的暖洋流和對流力可能導致大塊冰塊翻轉和融化，將大量水袋（有時蘊藏著與五大湖總和一樣多的液體）帶到離衛星冰冷表面幾公里的範圍內。
分析歐羅巴表面裂縫和山脊的科學家發現，它的冰殼也在緩慢地透過類似於地球上大陸俯衝的過程進行迴圈，一塊冰板塊在另一塊冰板塊的邊緣下滑和彎曲。板塊下沉並最終融化回下方的海洋，同時攜帶在表面形成的氧化性化學物質。
預測歐羅巴海洋可以支援哪種生命的關鍵將是弄清楚這種情況發生的有多快，以及每年在表面形成並注入海洋的氧化性化學物質有多少千噸或數百萬噸。不確定性的範圍很大，對歐羅巴能量供應的估計值相差幾個數量級。改進這些計算將大大有助於確定那裡可能存在哪種生命——微生物粘液還是羽毛狀異形蜘蛛類生物。
施密特是一個科學家團隊的成員，該團隊正處於開發美國宇航局任務的早期階段，該任務名為歐羅巴快帆，它將透過將偵察航天器送入繞木星軌道執行來調查這些問題。快帆號將定期俯衝到歐羅巴表面上方低至 25 至 100 公里的高度。它將使用穿冰雷達來測量衛星冰殼的厚度，繪製其內部裂縫和斷層的地圖（地質活動節奏的線索），並定位靠近地表的水袋。一個機載磁力計將測量海洋的深度和鹽度，一個光譜儀將測量歐羅巴最上層冰中的化學物質。快帆號需要幾年時間才能建造和發射，假設它獲得資金。
與此同時，關於最近在南極洲的發現，其他有趣的問題仍然存在。其中一個問題是，為什麼在南極洲冰雪覆蓋的海岸線沿線發現了魚類，那裡是冰川開始漂浮在海洋上的地方，但在上游 100 公里的惠蘭斯湖中只發現了微生物。這兩種環境都含有氧氣。兩者的溫度都在同一範圍內。這兩個生態系統都可能最終由相同的能量來源驅動：微生物氧化銨、鐵、硫，可能還有甲烷，以固定碳。
惠蘭斯湖及其在南極洲該地區的姐妹湖泊代表著由於多種原因而惡劣的環境。施密特說，它們是淺而短暫的——它們的地點從一個十年轉移到下一個十年，“更像泥坑”。這種不穩定性可能會使動物難以在數萬年中生存。如果某些偶然事件消滅了它們——例如冰川快速凍結到它們的床上——那麼新的動物從外部進入並重新殖民湖泊的可能性極低。
我曾與 2013 年鑽探和取樣惠蘭斯湖的探險隊一起旅行，在那段時間裡，我經常問人們他們期望在湖中發現什麼。也許毫不奇怪，每個人都期望只發現微生物。但現在，在海洋與世隔絕、冰雪覆蓋的角落裡發現動物似乎已經將人們的思想震盪到了一個新的空間。
普里斯庫很快指出，惠蘭斯湖微生物實際上以與在已知棲息魚類的某些冰雪覆蓋的海洋部分所見的速度大致相同的速度固定碳。“如果湖裡有魚，我會感到驚訝，但那裡有足夠的能量供它們生存，”他說。“如果我們從 NSF 獲得另一筆撥款，那麼放下魚籠並讓它放在那裡會很有趣。”