寒冷的微風從南極平原吹來，凍僵了站在冰面黑洞周圍的科學家的鼻子和耳朵。絞盤上的冰屑噼啪作響，因為它將最後幾米的纜繩從洞中放出。兩名身穿無菌服的工作人員俯身抓住纜繩末端懸掛的載荷——一個棒球棒長度的圓筒。他們用錘子敲掉冰塊，用吹風機融化了部分元件。“它關上了嗎？”絞盤操作員問道。
“是的，”來自博茲曼市蒙大拿州立大學的微生物生態學家約翰·普里斯庫（John Priscu）喊道。圓筒沉甸甸地 resting 在他戴著手套的手中——證明它在漫長的地表之旅之前已經裝滿了水並密封了。裡面的液體來自地球上最與世隔絕的水體之一：惠蘭斯湖，它被困在距離南極點僅 640 公里的 800 米冰層之下。當普里斯庫將容器扛在肩上，蹣跚走進一個金屬集裝箱時，幾乎沒有人說話，團隊在那裡建立了一個狹窄的臨時實驗室。
2013 年 1 月 28 日獲得的水樣是首次直接從冰下湖泊中提取的樣本。儘管普里斯庫和其他科學家長期以來一直渴望探索南極洲隱藏的湖泊並尋找其中的生命，但鑽探進入這些湖泊的努力一直受到汙染威脅的阻礙，汙染會使發現的任何生命受到質疑，並可能將入侵生物引入湖泊。普里斯庫和他的團隊花了六年時間設計安全的取樣程式，然後不得不克服無數後勤障礙，例如將數百噸裝置運到偏遠地點。
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研究人員自到達湖泊以來一直在研究樣本，發現南極洲冰層之下潛伏著大量生命。在本週出版的《自然》雜誌上，普里斯庫和他的團隊報告稱，在每毫升湖水中發現了 130,000 個細胞——微生物生命密度與世界深海大部分地區相似。湖泊中的群落擁有近 4,000 種細菌和古細菌，比人們可能預期的與地球其他地區隔絕的世界要複雜得多。“生態系統的豐富程度讓我感到驚訝，”普里斯庫說。“這真是太令人驚奇了。”
來自湖泊的樣本表明，在過去的 12 萬年裡，甚至可能長達 100 萬年，那裡的生命在沒有太陽能量的情況下生存了下來。它們首次展示了地球上可能最大的未開發生態系統——佔世界陸地面積的 9%。“那裡有一個蓬勃發展的生態系統，”英國諾森比亞大學的微生物學家大衛·皮爾斯（David Pearce）說，他所在的團隊曾試圖（但未成功）鑽探進入另一個冰下水體埃爾斯沃思湖（Lake Ellsworth），時間是 2013 年。“這是我們第一次真正深入瞭解南極洲大陸之下可能存在哪些生物，”他說。
冰上的生命
惠蘭斯湖上方的冰面平坦得令人難以置信，幾乎無法想象下面隱藏著任何不尋常的東西。2007 年，我作為一名記者首次前往那裡，報道了一次前往該湖泊的科學考察，該湖泊是當年早些時候透過遠端衛星測量發現的。2013 年 1 月，我再次返回，作為一名記者隨同普里斯庫帶領的另外兩位科學家組成的團隊前往湖泊取樣。該專案名為惠蘭斯冰流冰下通道研究鑽探（Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling），涉及來自五個國家 15 所大學的近二十名研究人員之間的合作。美國國家科學基金會為這項工作投入了大約 2000 萬美元，其中包括建造一臺熱水鑽機，以便在不汙染湖泊的情況下進入湖泊。
直到 20 世紀 90 年代，冰層穿透雷達和地震測繪產生了冰下湖泊的第一個確鑿證據，人們才廣泛認為湖泊可能潛伏在南極洲的冰凍覆蓋層之下。現在已知有近 400 個湖泊。它們由冰蓋底部融化的水補給，融化速度為每年幾毫米，這是由地球深處的環境熱量引起的（參見“看不見的湖泊”）。
惠蘭斯湖與地球表面上的任何事物都不相似。冰的重量迫使冰下水向上流動，導致湖泊傾斜地位於山坡一側。它是一個薄透鏡狀的水體——只有 2 米深，面積近 60 平方公里——位於低壓區，低壓區是由冰蓋在溢位山丘時變薄而形成的。
2013 年 1 月，當拖拉機拖著裝在大型滑雪板上的集裝箱到達時，鑽探營地在這個孤獨的邊境地區出現了。在從海岸出發的兩週旅程中，拖拉機拖運了 50 萬公斤的裝備和燃料、移動實驗室、機械車間和裝滿六個貨運集裝箱的熱水鑽機。在兩週內，營地變成了一個喧鬧的工業場所，居住著三十多人，一群帳篷在穩定的微風中飄動，還有兩臺轟鳴的 225,000 瓦發電機。極地夏季類似於明尼蘇達州明尼阿波利斯市的溫和冬季，氣溫低於冰點 5–15 °C。
鑽穿冰蓋花了七天時間。為了防止湖泊受到汙染，工作人員使用紫外線輻射、水過濾和過氧化氫對機械和用於鑽穿冰層的用水進行消毒。當團隊接近湖泊時，由於難以控制鑽頭，進展緩慢，使工作人員痛苦地煎熬了 36 個小時。
1 月 27 日上午 7:30，手持無線電中傳來一個聲音，召喚我到鑽探控制室。在裡面，六名穿著工作服的冰鑽工盯著電腦螢幕，螢幕上顯示一條線在圖表上向上射出，表明鑽孔中的水位上升了 28 米，這是由下方湖泊湧出的水推動的。湖水溫度為溫和的 -0.5 °C，比當天鑽探營地的溫度還要高。
研究人員在第二天提取了第一個樣本。在抬起灰色容器幾分鐘後，他們倒出了裡面的東西：一種蜂蜜色的液體，結果證明它比任何人預期的礦物質都豐富。幾個小時後，在顯微鏡下發現了第一個細胞——被 DNA 敏感染料照亮的綠點。在接下來的幾天裡進行的測試證實，這些細胞是活的。二十名科學家和研究生晝夜不停地工作，從湖中收集了 30 升水和幾個沉積物巖芯。在孔洞凍結之前，該團隊還測量了湖泊中的水化學成分和透過沉積物向上流動的地熱。
在過去的一年中，研究人員一直在使用這些樣本來組裝冰蓋下生命的畫像。他們分離並培養了大約十二種微生物菌株。DNA 測序顯示總共有 3,931 種物種的跡象——其中許多物種與已知的分解礦物質以獲取能量的微生物有關。
儘管汙染始終是一個令人擔憂的問題，但未參與惠蘭斯湖專案的研究人員表示，消毒預防措施似乎效果良好。一個跡象是，孔洞中鑽井水的微生物密度比湖泊樣本低 200 倍，芝加哥伊利諾伊大學的地球科學家彼得·多蘭（Peter Doran）說，他曾與美國國家研究委員會合作十年，制定清潔取樣南極湖泊的指南。多蘭確信湖泊中存在多種微生物生命的證據。“他們以一種無可置疑的方式發現了它。這是非常確鑿的，”他說。
生命體徵
總的來說，惠蘭斯湖中的生命運作方式與地表生態系統非常相似，但其深層居民無法獲得陽光，因此無法依賴光合作用來獲取固定溶解在湖水中的二氧化碳所需的能量。
該團隊的基因分析表明，湖泊中的一些微生物與海洋物種有關，這些海洋物種透過氧化沉積物中礦物質中的鐵和硫化合物來獲取能量。但根據 DNA 資料，湖泊中最豐富的微生物氧化銨，這很可能具有生物來源。
“銨可能是古代海洋沉積物的遺蹟，”普里斯庫說，他指的是數百萬年前該地區被淺海而非冰川覆蓋時積累的死亡有機物。
迄今為止，在惠蘭斯湖的樣本中只發現了單細胞細菌和古細菌——但迄今為止使用的特定 DNA 測試並非旨在檢測其他型別的生物。這保留了惠蘭斯湖可能仍被發現棲息著更復雜生命的可能性，例如原生動物——甚至亞毫米級動物，如輪蟲、蠕蟲或八足緩步動物，所有這些動物都已知生活在南極洲的其他地區。上覆冰層中的氣泡為湖泊提供氧氣，因此這不是一個限制因素。但微生物碳固定的低速率可能為多細胞生命提供的食物太少。
惠蘭斯湖每平方米每年接收的新碳量約為世界營養最匱乏的海洋底部的十分之一，後者支援著稀疏的動物種群。儘管普里斯庫和他的同事在惠蘭斯湖中發現動物的可能性很小，但他們計劃使用更量身定製的 DNA 測定法來尋找它們。目前，研究人員正在研究湖泊中微生物居民的起源。最大的問題是南極洲的冰下群落是由“倖存者”還是“到達者”組成的。
倖存者可能是微生物的後代，這些微生物在該地區被開闊海洋覆蓋時生活在沉積物中，過去 2000 萬年裡，這種情況週期性地發生。或者，惠蘭斯湖可能是由風吹來的微生物——“到達者”——定居的，這些微生物沉積在冰面上，並在 5 萬年的時間裡隨著冰川底部融化而向下滲透。
還有可能是一些生物最近進入了湖泊，它們是由在冰蓋下滲入的海水攜帶的。惠蘭斯湖距離接地線僅 100 公里，接地線是冰蓋從 resting 在地面上過渡到漂浮在海洋上的地方。紐西蘭奧塔哥大學的冰川學家克里斯蒂娜·赫爾貝（Christina Hulbe）長期以來一直在研究南極洲該地區，她說，隨著冰層變薄和變厚，這條線會發生移動，因此湖泊有可能在過去幾千年裡與海洋交換了水——和微生物。
來自湖泊樣本的其他發現也帶來了一些誘人的想法。其水中氟化物的痕跡為該地區可能存在熱液噴口提供了證據——熱液噴口是化學能量的豐富來源，有可能支援奇異生命的島嶼，例如蠕蟲或喜熱微生物。“那裡很可能存在熱液系統，”德克薩斯大學奧斯汀分校的冰川學家唐納德·布蘭肯希普（Donald Blankenship）說。湖泊位於一個地殼變薄的寬闊裂谷中，布蘭肯希普的雷達調查顯示冰下可能存在火山。
從惠蘭斯湖湧現的結果也可能闡明南極洲如何影響附近的海洋甚至整個世界。最新的資料表明，如果冰蓋下的微生物在改變沉積物中的礦物質方面發揮重要作用，那麼這些生物可能會向最終到達海洋的冰下水域供應鐵。英國布里斯托爾大學的海洋生物地球化學家馬丁·特蘭特（Martyn Tranter）說，這個過程可能為南大洋長期缺鐵的生態系統提供重要的營養來源。
此外，惠蘭斯湖水中少量甲酸鹽的存在表明，在湖泊下方更深、缺氧的沉積物中可能產生甲烷，甲烷是一種強效溫室氣體。2012 年的一項研究估計，南極冰蓋下的沉積物含有數千億噸甲烷——儲量相當於北極永久凍土帶中儲存的甲烷——如果冰層退縮，這些甲烷可能會逸出並加劇全球變暖。
惠蘭斯湖僅提供了冰下生命的區域性快照，幾個團隊正在嘗試透過探索其他冰下湖泊來填補這幅圖景。一個俄羅斯團隊目前正在分析來自沃斯托克湖（Lake Vostok）的水，沃斯托克湖是南極洲東部一個深構造裂谷中的湖泊，被 3.7 公里的冰層覆蓋。研究人員表示，分析這些樣本提出了挑戰，因為水在被帶到地表之前在鑽孔底部冷凍了一年。當冰被抬起時，它暴露在鑽孔中的煤油鑽井液中。
皮爾斯和他的同事在 2013 年嘗試鑽探進入惠蘭斯湖附近的埃爾斯沃思湖，該湖泊位於冰川峽灣下 3.4 公里的冰層下，但由於在控制鑽頭方面出現困難，他們被迫放棄了這項努力。
惠蘭斯湖冰層覆蓋較薄，比埃爾斯沃思湖或沃斯托克湖更容易成為目標，但它並沒有輕易洩露其秘密。在第一個樣本被提取後的第二天，一個被放入孔洞中的攝像頭在接近湖泊時呈現出令人著迷的景象。彩虹色的冰屑向上漂浮——一場倒下的雪花，預示著孔洞正在迅速重新凍結。科學家的儀器很快開始在變窄的孔洞中卡住，迫使鑽探人員泵入熱水以擴大孔洞。這場拉鋸戰持續了四天，之後團隊放棄了不可避免的命運的孔洞，拆除了營地，並將他們來之不易的樣本空運回家。
本文經許可轉載，並於 2014 年 8 月 20 日首次發表。