地球大陸上幾乎沒有未被探索的地方，在某些被遺忘的角落裡，不太可能再有新的自然奇觀等待被發現。但是，在海面之下卻是另一番景象。我們對火星表面的瞭解比對我們自己星球75%的水下表面的瞭解還要多。那裡有無數的驚喜在等待著我們。
其中一個發現發生在2000年12月。一次探險隊在百慕大和加那利群島之間的北大西洋海面下半英里處，繪製一座名為亞特蘭蒂斯海山的水下山脈地圖時，偶然發現了一根白色的巖柱，它像一座20層樓高的建築一樣從海底升起。科學家們使用遙控 ArgoII 探測器和載人潛水器Alvin，對這個神秘的地層進行了調查和取樣。儘管時間限制將他們的調查限制在一次 Alvin 潛水中，但研究人員還是能夠收集到足夠的資訊，以確定這根白色巖柱只是該區域中幾個正在噴出加熱海水的結構之一。他們發現了一個海底熱泉區，他們將其命名為失落之城熱液區。它與以前見過的任何東西都不同，包括現在著名的黑煙囪。
2001年7月在《自然》雜誌上發表的描述這一發現的初步報告，在科學界引起了軒然大波。主要作者華盛頓大學地質學家黛博拉·S·凱利和她的同事們提出了許多基本問題。這個熱液區是如何形成的？那裡生活著哪些生物，它們是如何生存的？2003年，凱利領導了一次為期六週的全面探險前往失落之城，以找出答案。經過多年對那次任務中收集的樣本進行細緻的分析，專家們現在開始撰寫引人入勝的答案。
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來自失落之城的發現促使人們重新思考關於可能為地球上生命的出現奠定基礎的化學物質的長期觀念。這些結果擴充套件了研究人員關於藍色星球之外生命可能存在於何處的想法，並挑戰了關於如何尋找生命的既定觀念。
奇異的化學
自 20 世紀 70 年代以來，科學家們就知道了海底熱液噴口。黑煙囪系統是最熟悉的；它們發生在洋中脊，即覆蓋構造板塊彼此分離點的火山鏈。由於靠近熔岩，這些噴口處的水溫可以達到 400 攝氏度以上。這種灼熱的水的 pH 值與檸檬汁相似，當它滲透到海底下方的火山岩中時，會浸出硫化物、鐵、銅和鋅。當這種熱的酸性流體然後上升回海底表面時，它會透過噴口排放到冰冷的海水中，在那裡，溶解的金屬硫化物迅速冷卻並從流體中沉澱出來，產生一種看起來像滾滾黑煙的渾濁混合物。這些金屬硫化物堆積成越來越高的煙囪，位於噴口的頂部。儘管它們的化學性質惡劣，但這些噴口周圍的區域卻充滿了奇異的動物，例如巨大的、紅色尖端的裂谷管蟲，它們既沒有嘴巴也沒有內臟，但透過與消耗從噴口散發出的有毒硫化氫氣體的內部細菌的共生關係而茁壯成長。
與野蠻的黑煙囪環境相比，失落之城噴口異常寧靜。這個噴口區位於大西洋中脊構造板塊邊界以西約 15 公里處，位於亞特蘭蒂斯海山頂部，距離上升的岩漿太遠，無法將流體加熱到黑煙囪中的灼熱溫度。相反，水是透過僅略微溫暖的下方岩石迴圈加熱的，測得的最高溫度僅為 90 攝氏度。失落之城的流體也不是酸性的。它們是鹼性的，pH 值在 9 到 11 之間，類似於氫氧化鎂乳液或家用氨水溶液。由於這些水不易溶解高濃度的金屬（如鐵和鋅），失落之城不會產生表徵黑煙囪的金屬硫化物羽流。相反，失落之城噴口水富含鈣，鈣與海水混合後會產生碳酸鈣（石灰石）。這種石灰石形成了巨大的白色煙囪，其中最高的煙囪高出海底近 60 米，明顯高於最高的黑煙囪。
失落之城奇異的化學性質源於其獨特的地質環境，而這又根植於地球本身的結構。將地球想象成一個桃子。桃皮代表地殼，果肉相當於下方的固體地幔層，桃核代表熾熱的鐵核。在大西洋中脊，當地殼以每年 25 毫米的緩慢速度將北美洲和非洲彼此拉開時，地殼正在緩慢地被拉開。地殼的分離使地球地幔的部分暴露在海底，而這種暴露的地幔的隆起形成了亞特蘭蒂斯海山。
地幔主要由一種稱為橄欖岩的岩石組成，事實證明，橄欖岩是失落之城獨特化學性質的關鍵。當橄欖岩與水接觸時，會發生一種稱為蛇紋石化的化學反應。當海水滲入海山深處時，橄欖岩會變成蛇紋岩，滲透的水也因此反應而變得更鹼性。當流體重新出現並與海水混合時，它們會充滿蛇紋石化過程中釋放的鈣。最重要的是，它們現在被高度還原，這意味著所有氧氣都已從水中剝離，並被富含能量的氣體（如氫氣、甲烷和硫化物）所取代。尤其是氫氣的濃度是自然環境中遇到的最高濃度之一。這就是事情開始變得真正有趣的地方。
在開始之初
氫氣充滿了能量，這是因為它能夠將電子轉移到其他化合物（如氧氣），從而在此過程中釋放能量。能夠輕易地將電子提供給其他化合物的化合物被有些令人困惑地描述為“化學還原”。科學家們長期以來一直懷疑還原性氣體在地球上生命的起源中發揮了重要作用。在 20 世紀 20 年代，俄羅斯生物化學家亞歷山大·奧巴林和英國進化生物學家 J.B.S. 霍爾丹分別提出，地球的原始大氣可能富含甲烷、氨和氫氣等還原性氣體。他們提出，如果大氣中這些氣體的濃度很高，那麼生命所需的化學成分可能會自發形成。
這個想法在幾十年後獲得了可信度，這要歸功於芝加哥大學化學家斯坦利·米勒和哈羅德·尤里在 1953 年進行的著名實驗。透過加熱還原性氣體混合物並透過火花放電，米勒和尤里能夠創造出一系列有機化合物（大多數是含有碳和氫的化合物），包括氨基酸，這是地球上所有生命形式使用的蛋白質的組成部分。
然而，在米勒-尤里實驗之後的幾年裡，地質學家們得出結論，早期大氣遠沒有這對搭檔假設的那麼還原。這些科學家說，他們的實驗中形成氨基酸和其他有機化合物的條件可能從未在大氣中存在過。
但是，在失落之城熱液噴口中，還原性氣體比比皆是。難道幾十億年前，類似於這些噴口的噴口具有產生生命所需的有機化合物型別的合適條件嗎？一些研究這個問題的地球化學家認為是這樣。過去十年中進行的多項研究表明，蛇紋石化過程中發生的化學反應非常適合從二氧化碳中生產有機化合物。類似於失落之城的熱液系統可能是原始工廠，它們大量生產甲烷、簡單的有機酸，甚至可能更復雜的脂肪酸，這些都是所有生物細胞膜的重要組成部分。這些噴口可能能夠在沒有生物體幫助的情況下產生這些有機化合物。
失落之城是檢驗這些想法的天然實驗室。2008 年，伍茲霍爾海洋研究所的化學家吉奧拉·普羅斯庫羅夫斯基和他的同事在《科學》雜誌上發表了一篇論文，證明失落之城的熱液流體確實含有少量有機化合物，如甲烷、乙烷和丙烷。其他工作表明，失落之城的反應也會產生少量有機酸，如甲酸鹽和乙酸鹽。這些發現共同證實，失落之城噴口的還原條件可以支援從無機化合物中創造有機化合物所需的化學反應型別，這是前生物化學中簡單但至關重要的一步。
這項新工作證實，一些熱液噴口環境能夠產生至少簡單的有機化合物，這可能是生命的成分。但失落之城並不是測試這些想法的完美場所，因為碳酸鹽塔不是無菌化學反應器。事實上，它們充滿了微生物生命，這引發了這些微生物可能有助於噴口流體中有機化合物形成的可能。為了解決這個難題，我們必須仔細觀察微生物本身。
無需陽光
許多微生物已經進化出消耗氫氣中豐富能量的能力。產甲烷菌構成了這樣一組。顧名思義，產甲烷菌會產生甲烷：我們許多人用來加熱房屋和烹飪食物的天然氣。事實證明，失落之城中高達三分之一的微生物是屬於甲烷八疊球菌科的產甲烷菌*。鑑於噴口流體中氫氣的含量豐富，它們的存在並不令人驚訝。令人矚目的是，失落之城的產甲烷菌獨立於太陽執行。
地球上幾乎所有生命都依賴太陽能，無論是依賴光合生物獲取食物的人類，還是進行光合作用的植物和藻類。即使在最黑暗的海洋深處的黑煙囪中，生命也依賴太陽。例如，支援巨型管蟲生長的微生物需要硫化物和氧氣。氧氣的最終來源是遙遠上方的光合生物。相比之下，失落之城的產甲烷菌生存所需的一切是二氧化碳，以及液態水和橄欖岩，它們反應形成它們所需的原始成分。
研究人員發現，蛇紋石化產生的地球化學反應和生物產甲烷菌的活動都有助於失落之城生態系統中的甲烷。甲烷的這種同時產生可能不是巧合。在過去幾年的系列研究中，德國海因裡希-海涅大學的生物化學家威廉·馬丁和美國宇航局噴氣推進實驗室的地球化學家邁克爾·羅素研究了在失落之城等環境中非生物（即沒有生物體）產生甲烷所需的精確化學步驟。他們發現，每一步都在產生甲烷的生物體的生物途徑中得到複製。根據這項工作，馬丁和羅素提出，在早期地球上，像失落之城這樣的地點以地球化學方式產生甲烷，而原始生命形式可能只是簡單地為自己選擇了每一步化學步驟，從而導致了第一個生化途徑的起源。
馬丁和羅素並不是第一批提出生命可能起源於熱液噴口的科學家。這個想法已經存在多年了。對它的支援不僅來自熱液系統的有利化學性質，還來自所有生物體的遺傳物質中發現的進化記錄。
對核糖體的研究證明在這方面尤其具有啟發性，核糖體是細胞用來將核酸（DNA 和 RNA）中編碼的資訊翻譯成蛋白質的生物機器。核糖體本身由 RNA 和蛋白質組成。透過比較核糖體 RNA 構成單元（或核苷酸）的序列，科學家們構建了一個家譜樹，該家譜樹顯示了地球上所有生命的關係。許多居住在靠近樹根分支的生物都消耗氫氣，並居住在陸地或海底的高溫溫泉中，這表明地球上所有生命的最後共同祖先也可能居住在溫泉中，可能是在類似於失落之城熱液區的環境中。
地質學家有理由懷疑，像失落之城這樣的生態系統可能曾經相對普遍。橄欖岩是太陽系中最常見的岩石型別之一。在地球上，它構成了上地幔的大部分。儘管今天在地表很少發現新形成的橄欖岩，但在三到四十億年前，橄欖岩卻很豐富。那時，地球要熱得多，火山活動增加將更多的熔融地幔輸送到地表。事實上，橄欖岩可能構成了早期地球海底的大部分岩石。這種岩石會像現在一樣與水發生反應。類似於失落之城的溫暖鹼性環境可能因此孕育了第一批生命形式。相比之下，類似於黑煙囪中發現的熾熱酸性條件可能過於惡劣，無法促進生命的出現。
來自失落之城的發現也支援了關於太陽系中其他地方可能存在或曾經存在生命的假設。任何含有橄欖岩和液態水（蛇紋石化所需的成分）的行星或衛星都可能支援類似於失落之城微生物的生命形式。這些成分的證據在火星和木星的衛星歐羅巴上最為有力。事實上，研究人員已經在現代火星大氣層中檢測到甲烷。然而，它是否來自微生物或行星岩石中的化學反應，或者兩者兼而有之，仍然不確定。
甲烷來源
事實證明，做出這一決定可能比科學家們預想的要困難。生命之樹上的大多數生物都是微生物。雖然我們可以研究這些生物的 DNA 和 RNA 序列，但很難找到形狀模糊的小生物的化石記錄。為此，在過去的幾十年裡，研究人員開發了多種技術，可以透過梳理地質記錄來研究微生物的進化歷史，尋找的不是物理化石，而是化學化石。化學化石是可以追溯到生物體的分子，並且可以作為化石儲存在岩石中數百萬甚至數十億年。大多數化學化石都來自構成細胞膜的脂質。雖然脂質沒有 DNA 或物理化石包含的資訊那麼多，但它們是生命的可靠指標，並且可以攜帶診斷產生它們的生物體的結構。
此外，構成脂質的碳本身也具有資訊量，因為它包含一個標記，揭示了生物體如何從其環境中提取碳。該標記是碳 13，它是元素的一種相對稀有的形式，不會隨著時間的推移而降解。大多數生物體中的碳所含的碳 13 比溶解在海水中的二氧化碳中的碳少 1% 到 3.5%。因此，科學家們假設古代岩石中減少了這麼多的碳來自生物體。作為該規則的必然結果，古代岩石中沒有減少的碳來自非生物過程。
但失落之城駁斥了這種觀念。我在麻省理工學院和伍茲霍爾的一組科學家團隊的工作表明，在失落之城的碳酸鹽中最豐富的一些脂質來自產甲烷菌。然而，這些脂質根本沒有表現出碳 13 的減少。相反，它們的碳 13 含量是人們期望的來自非生物來源的物質的含量。
這怎麼可能呢？使用碳 13 作為生命示蹤劑的基礎是假設環境中的二氧化碳比可以使用的二氧化碳更多。只要二氧化碳過剩，生物體就可以摻入它們喜歡的較輕的碳 12 分子，並歧視較重的碳 13。但是，如果二氧化碳以某種方式稀缺，生物體將搜尋它們可以獲得的每一個可用的碳分子，無論是較輕的還是較重的。如果這種情況發生，生物體中碳 13 的相對丰度將與環境中的碳 13 的相對丰度沒有區別。生命的化學示蹤劑將是不可見的。
這個過程正是失落之城噴口正在發生的事情。與地球上幾乎所有其他二氧化碳始終可用的環境不同，在失落之城，氫氣占主導地位，二氧化碳稀缺，實際上迫使那裡的生物體不加區分地提取碳同位素。
不可見性問題也適用於甲烷。通常，生物體產生的甲烷顯示出碳 13 的極端減少，這與地球化學反應產生的甲烷形成對比。但在蛇紋石化系統中，這種差異並不總是出現。失落之城噴口水中的甲烷缺乏明顯的碳 13 減少。研究人員從觀察中知道，這種甲烷是地質和生物產物的混合物。然而，僅憑碳同位素無法區分。
如果生命在太陽系的其他地方進化，那麼最好的猜測可能是它由生活在岩石正在蛇紋石化的地點的微生物產甲烷菌組成。我們知道甲烷正在以某種方式在火星上產生。美國宇航局計劃在 2011 年發射火星科學實驗室，其任務之一將是確定火星甲烷的碳同位素比率。碳 13 的強烈減少將表明生物體居住在紅色星球上。
然而，失落之城表明，未能找到該訊號幾乎不能被視為缺乏證據的證據。事實上，在這種以前未知型別的生態系統中發現蓬勃發展的微生物，為科學家們有一天會發現生命跡象提供了更多理由
在地球之外。
注：本文最初印刷時的標題為《擴充套件生命的極限》。
*勘誤（2010 年 1 月 25 日）：應該是甲烷八疊球菌目，而不是科。