南极冰下淡水湖的奥秘

科学家通过对极地的实地研究和考察曾断定，在广袤的南极冰盖下藏匿着星罗棋布的湖泊。2012年2月8日，俄罗斯研究人员宣布，俄罗斯南极内陆考察站——东方站的考察队员经过多年努力，钻透南极冰层，触及到冰层下存在的大约有2000万年历史的巨大淡水湖。

　　最大的冰下淡水湖

　　从发现到触及南极冰下最大的淡水湖，俄罗斯研究人员用了近20年。早在1994年在罗马召开的第23届国际南极研究科学委员会(SCAR)会议上，俄罗斯研究人员就宣布，在俄罗斯南极内陆考察站——东方站的冰盖之下发现了一个巨大的湖泊，俄罗斯科学家将其命名为东方湖。

　　随着探索的进展，2012年2月5日，俄国研究人员在南极极点以东大约1300公里、冰面以下3769米的地方触及到了东方湖。经过测量，该湖长250公里，湖面最宽处50公里，湖的面积约为1.5万平方公里，与著名的北美安大略湖相当。东方湖平均水深125米，湖泊两端底床低于海平面700米，东方湖的蓄水量约1800立方千米。由于深藏于冰层下面，东方湖的环境有多种特征，一是高压（大约350个大气压），二是低温（大约零下30摄氏度），三是低营养物输入，四是湖里永久黑暗。

　　然而，东方湖并非南极冰层下唯一的湖泊。在过去10多年，研究人员已在南极冰盖下发现了约145个大大小小的冰下湖泊，只不过东方湖是迄今发现的最大冰下淡水湖而已。为何在冰层之下还有未结冰的湖泊呢？原因是，湖面上极厚的冰盖像一条厚厚的毯子，能保存地热能，使得东方湖不会结冰。

　　南极冰下最大淡水湖的发现刺激了科学家进一步探索的欲望。由于南极冰下淡水湖是由冰冻圈-水圈-生物圈-岩石圈组成的低温、高压、低营养输入和黑暗的封闭系统，因此需要探索在这种封闭环境中是否有微生物，如果有，它们是如何获取能量的？是如何进行种群的繁衍并生存下来的？对冰下淡水湖的生命探索是否可以为揭开生命之谜提供线索？另外，对冰下湖泊的探索是否可以获得全球变暖还是变冷的确切证据？同时，冰下湖是否聚积着大量甲烷，如果钻探深入下去，是否会造成甲烷的大量释放，从而加剧全球变暖？

　　从生命起源谈起

　　对南极冰下淡水湖的探索首先会有助于解开生命之谜，尤其是地球上的生命起源之谜。这要从科学家一直在探索的生命起源之谜谈起。在生命演化领域，有一个很有影响力的理论，即生命形成于地球海洋形成之初的“生命浓汤”（又称为“热汤”，因为当时的海洋是温热的，而且富含多种有机物）。

　　从理论上分析，生命起源大致经历了三部曲。第一步是从无机小分子物质形成有机小分子物质。如地球大气中的甲烷、二氧化碳、一氧化碳、水、硫化氢、氨、磷酸等在自然能量（如闪电、紫外线、宇宙线、火山喷发）的驱动下，合成出氨基酸、糖、腺甙、核苷酸等小分子有机化合物。第二步是从小分子有机物质生成生物大分子物质，如从氨基酸、核苷酸这类小分子有机物质形成原始的蛋白质分子、多糖和核酸分子。第三步是，由生物大分子物质组成多分子体系，从而形成单细胞和多细胞生命。

　　由于海洋占地球表面积的71％，海水能调节气候，又能溶解许多化学物质，因而海洋中蕴藏了“生命浓汤”。这个过程可以描述为：首先是，尽管许多无机物和简单的有机物可以产生于大气当中及陆地的池塘里，但由于雨水冲刷，各种化合物最终汇集到海洋，因此海洋形成了“生命浓汤”。而且，尽管紫外线可以促使海洋表面的有机物被分解，但由于紫外线的穿透力弱，海洋表面以下的有机物有条件进一步进化，由简单的有机物发展出各种生物小分子，如氨基酸、糖类、有机碱基、嘌呤、嘧啶，然后，这些生物小分子发展成多种生物大分子，如蛋白质、核酸、脂质等。最后，有一定复杂结构的生物大分子逐渐完善，形成了原始生命——原核细胞。

　　生命起源于海洋“生命浓汤”的假说通过后来的一系列科学实验得到了某些证明。最著名的实验是1953年美国芝加哥大学的史坦利·米勒和哈罗德·尤列的研究小组完成的，他们的实验结果体现在《在可能的早期地球环境下之氨基酸生成》的论文中。米勒与尤列等人将水、甲烷、氨、氢气与一氧化碳密封于无菌状态下的玻璃管和烧瓶内，并将玻璃管和烧瓶连接形成一个回路。一个烧瓶装了半瓶水，另一烧瓶则含有一对电极。首先加热水产生水蒸气，另一烧瓶的电极通电后会产生火花，以模拟自然能源——闪电。水蒸气经过电极之后，又再度凝结并重返原先装水的烧瓶中，由此让实验循环往复。

　　实验一周后，米勒与尤列等人发现，约10%~15%的碳以有机化合物的形式存在。其中2%是氨基酸，以甘胺酸居多。同时，实验也产生了可构成生命内核——核酸的原料，如糖类、脂质和其他一些物质，但是并未出现生命的本质形式，如脱氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）。

　　尽管米勒与尤列等人的实验部分验证了生命起源的假说，但还是有很多地方并不令人信服，比如，实验并未直接产生DNA或RNA。因此，后来许多研究人员再次实验进行进一步的探索。其中，2008年一些研究人员的研究获得了更多成果。这些研究人员借助高效液相色谱和质谱技术，重新进行米勒-尤列实验并分析了米勒-尤列实验留下的实验瓶样品，发现这一实验产生的有机化合物比原先报道的还要多。

　　其中，模拟火山爆发激活“生命浓汤”的实验产生了更多的有机物或前生命物质。加热水后，水蒸气推动着气体进入一个经过改造的烧瓶中，同时烧瓶中加入抽气装置，使气体流动的速度加快。在电火花的作用下，水分子裂变生成羟基自由基，同时其他分子也参与反应，从而生成了22种氨基酸，5种胺，以及很多羟基化的化合物。最重要的是，氧硫化碳可以帮助这些氨基酸缩合形成多肽。多肽也就是蛋白质，即生命的本质。

　　然而，按照今天分子生物学对生命的解释，生命的核心——蛋白质是由DNA编码，RNA转录后通过核糖体表达出来的。其中，最重要的是蛋白质的氨基酸序列的碱基对编码和形成。而米勒与尤列的实验及其后来的实验并不能揭示多肽蛋白质上的碱基对序列是如何编码产生的，因为只有具有确定的氨基酸序列的蛋白质才产生生物功能，这也是当前鉴定蛋白质的最主要方法。

　　帮助认识生命起源和生命生存

　　尽管生命起源于“生命浓汤”的假说在科学界和一般公众中有很大的影响，但迄今包括这一学说在内的各种生命起源的学说还没有哪一种得到充分验证，因而也不可能得到研究人员和公众较为一致的认同。

　　而且，对非洲、加拿大、澳大利亚等地地质材料的研究发现，最早的细菌之类的原核细胞大致出现在34亿年前，而蓝藻大约在31亿年前的时候出现。这表明地球上的化学进化经历了数亿年以上的时间（地球形成于40亿年前），才出现了原始生物——原核细胞。在此之前，可能还有更原始的非细胞或前细胞形态的生物，因为原核细胞已具有相当复杂的结构和功能。

　　俄罗斯南北极研究所所长卢金猜测，如果东方湖存在依靠在极暗条件下化学反应而存活的微生物，这或许与数百万年或数千万年前的海底生物类似，但它们是否遵循不同的进化规律演化，眼下还不知道。而东方湖可能把一些有机生命形态封存了约2000万年，这或许能为解开地球生命起源和在太阳系探索其他生命形态提供线索。

　　因为，如果在寒冷、高压、低营养物输入和黑暗的冰下湖中存在生命，那它们可能会不同于“生命浓汤”说的进化之路。当然，即便是南极冰盖下淡水湖中的生命也是在海洋初期的生命浓汤中形成的，因为那时地球上可能还不具有北极和南极的极寒气候，但后来这些生命在极寒的南极中生存下来也提供了一种研究生命进化的极好环境和机会。

例如，在南极冰雪中和冰下淡水湖中可能存在的主要是菌类微生物，而且处于休眠状态，但可能仍具有生物活性或本来就存活着。研究这些细菌的种类和群落结构的多样性，可能获得生命起源的多样性，并揭示不同地质条件下地球生物的演化规律。同时对其生存机理和特殊功能基因等的研究，还具有一定的应用和开发潜力，比如，可以指导人类在极端严寒环境下如何生存和抗冻。

　　帮助认识气候变化和其他问题

　　南极冰下东方湖的发现同样有助于探索和认清今天的气候成因以及气候变化的历史规律。无论是地球本身的自然因素引起的气候变化，还是工业化以来人类活动为主要原因导致的气候变化，都可以从南极、北极和其他冰川中的冰芯中获得真实的信息和线索。

　　现在，全球变暖以及全球变暖主要是人类活动造成的已成为主流科学界的共识，但是，也有科学家表示反对，认为证据不足。要解决这种争论并获得气候变化的真相，需要从极地的冰芯中寻找答案，这也成为科学界的共识。因为，尽管记录历史，包括自然界的种种变化有文献记录、树木年轮、湖泊沉积、珊瑚沉积、黄土、深海岩芯、孢粉、古土壤和沉积岩等材料，但相比而言，还是冰芯所记录的信息真实可靠。因为冰芯处于低温环境，有保真性好、分辨率高、记录的时间长（数十万和上百万年）和信息量大的特点。

　　冰芯中各种物质的含量和比值等都忠实地记载了地球系统变化过程的信息，包括气候变化的信息。例如，冰芯中氢、氧同位素比率是度量气温高低的指标；冰芯中氢、氧同位素净积累速率可以揭示历史上降水量的大小；冰芯气泡中的气体成分和含量能指出大气成分的演化历史；冰芯中一些物质的同位素可以提供宇宙射线强度变化、太阳活动和地磁场强度变化的证据；冰芯中微粒含量和各种化学物质成分的分析结果，可以提供不同时期大气气溶胶、沙漠演化、植被演替、生物活动、大气环流强度、火山活动等的信息。当然，冰芯也记录了人类活动对气候环境影响的各种信息。

　　对俄罗斯的东方站冰盖下提取的冰芯气泡的分析获得了过去42万年以来的大气中温室气体含量的变化。在过去的42万年以来，大气中温室气体二氧化碳的含量基本在180~280微克波动，甲烷含量在350~800ppb（十亿分之一）波动。而工业革命以来，大气中二氧化碳和甲烷含量迅速增加，目前分别达到近385微克和1800ppb，是83万年以来的最大值。这提示，从工业革命后200年来人类活动对全球气温的升高有重要影响。

　　但是，仅仅从冰芯中获得温室气体含量在200年中突然增加的数值并不能完全说明问题，因为，还必须了解在更长时间内冰芯中温室气体含量的变化规律才有助于人类找到应对气候变化的措施。现在，对南极冰芯的研究也得出了这方面的结论。例如，欧洲南极冰芯计划（EPICA）的冰穹 C冰芯记录揭示了8个冰期-间冰期气候旋回，证实在冰期-间冰期气候旋回内，大气温室气体浓度与气温之间存在稳定的正相关关系。而通过俄罗斯的东方站冰盖中提取的冰芯发现了4个完整的冰期-间冰期气候循环。该地区冰期-间冰期的气温变化幅度达12摄氏度左右，并表现出明显的地球轨道效应，即具有明显的10万年、4万年和2.3～1.9万年的周期。这就从更长远的历史范围内得出大气温室气体增多与地球温度升高有相关关系的结论。

　　现在，已经有俄罗斯、日本、英国、澳大利亚、中国、阿根廷等10多个国家，在南极冰盖上钻出了180多个不同深度的孔，取得了一系列冰芯样品。南极冰盖平均厚度为2400米。中国的昆仑站位于南极内陆冰盖最高点冰穹A地区，海拔4087米，冰厚3000多米，是国际公认的南极冰盖理想的深冰芯钻取地点。现在，俄罗斯研究人员在冰盖之下3769米深处触及到了东方湖，就不仅可以通过冰芯来获得更多的材料，而且可以直达冰下淡水湖中获得更多物质，包括有机物、无机物和原始生命，由此可以对生命、气候变化以及物质材料等进行更深入的研究。

　　现在，寻找120万年以上古老冰芯是当前南极科学研究的热点领域之一。目前钻取到的最古老深冰芯记录着距今80万年前的气候信息，可推测地球气候系统存在10万年周期的冰期旋回。从海洋沉积物的分析表明，全球气候的主导周期在中更新世时由4.1万年转变为10万年。不过，这需要从冰芯中找到证据，才能确认，所以需要科学家寻找到更多的冰芯。无论是俄罗斯钻透3769米冰盖并触及到下面的淡水湖，还是其他国家钻取南极冰盖的探索，都有可能找到新的材料和证据，以证明全球变暖的周期性规律，以及弄清大气中的温室气体是如何产生的。

　　 【责任编辑】张田勘