深海黑烟囱——地球往日的回声

1977年，美国功勋深潜器“阿尔 号”在一次加拉帕戈斯群岛附近海域深潜搜寻海底金属矿藏时，深潜员们惊奇的发现，在海底裂谷的底部，舷窗外海水的温度竟然达到了在海底堪称高温的8℃。

“阿尔 号”深潜器

为了探索这股海底热流，阿尔 号在接下来的几年中多次来到此处进行深潜。终于在1979年的一次深潜中，阿尔 号随着那股温热的神秘水流不断下潜和前行，在穿过一片由砂石组成的单调海底荒漠之后，来到一处裂谷底部，一片白色的“生命绿洲”突兀的出现在了人类的眼前。

海底烟囱

密集的白色管状物中伸出了一种红色蠕虫的柔软身躯，白色的乌贼、虾蟹等节肢类动物悠悠然在海床上游荡。

巨型管虫Riftia pachyptila（图/ 络）

在这生命绿洲的中央，矗立着一根正在喷吐黑色高温水流的“烟囱”。后来经过采样化验，证实了这些高温水流中含有来自地底深处的金属硫化物，这些黑烟囱本质上其实是一个个小型的海底火山口，它喷出的高温硫化物一定程度上取代了太阳的角色。红色蠕虫体内的一种特殊细菌能利用硫化物生成能量与有机物，从而使它占据了生产者的生态位，以这种细菌为基础，一个不依赖太阳的生态系统在不见天日的海底欣欣向荣。

海底黑烟囱的发现震撼了全世界，它的发现不仅意味着人类找到了一种能够帮助我们更有效寻找海底硫化物矿藏的标志物，随着几十年来人们对它的研究不断深入，科学家们发现它在海洋矿物的形成过程、海底地质变化以及地球早期生命的起源等研究方向上也具有十分重大的意义。

生命起源

生命是如何诞生的？这个问题困扰了人类几乎两千年的时间。古希腊的科学先驱和东方的思想先哲们从朴素唯物主义的角度出发，认为生命诞生是一种由随机物质进行随机组合的自然发生的活动，好比一潭死水中会自然滋生蚊蝇、垃圾堆会产生虫鼠……这种理论也被称之为“自然发生论”。

由于科技水平和理论知识的局限，直到19世纪，路易斯·巴斯德老爷子才用著名的鹅颈瓶实验将自然发生论彻底扫进了科学的垃圾堆。

鹅颈瓶实验（图/ Wikipedia）

在鹅颈瓶实验结束的七年后，1871年，达尔 基于前人的理论基础，在自己写给朋友的一封信中提出了他的关于生命起源假说。

早期“原始汤”（图/百度百科）

他将地球早期陆地上的池塘比作一盆盆存在着各种有机物质的“原始汤”，这些“原始汤”被地球早期活跃的火山活动和大气中的闪电与气流加热、搅动，有机物在这不知多少万亿次的碰撞中形成了早期的原始生命。

1977年，仿佛冥冥中自有天意，那赋予达尔 进化论灵感的加拉帕戈斯群岛，在达尔 逝去近一个世纪之后，用黑烟囱的现世为世人展示了它与达尔 的不解之缘。

经过对黑烟囱附近的生物群落进行采样分析后，人们发现，深海黑烟囱中喷出的高浓度硫化物水流中所含有的硫化氢、甲烷等气体能够被附近的嗜热、嗜硫细菌所利用，这些古细菌和甲烷菌以化学无机自养为获取生命代谢活动能量的主要方式，合成了能够被其他捕食者摄取的营养物质，成为了海底食物链的基石。由于以黑烟囱为代表的深海热液区的环境与地球早期高温、高压、缺氧、富硫的环境极为类似，考虑到地球早期活跃的火山活动，黑烟囱在那个时期海洋底部的分布范围之广可能远超我们的想象，而深海环境又能够有效隔绝来自太阳的强烈紫外线，这给早期的嗜热微生物提供了广泛的生存与发展的空间。

海底黑烟囱形成过程（图/ 络）

此外，组成黑烟囱的矿物质也与常见的海底岩石、火山岩不同，来自地心的岩浆在接触到冰冷的海水后形成了一种海绵状的特殊结构。让人浮想联翩的是，这种岩石结构的内部孔隙的大小恰好能容纳一个普通细胞……现代实验已经证明，如果关键化学物质位于矿物质表面，就更容易与彼此接触、发生反应，这样的环境相比于单独的海水条件可以创造出明显的竞争优势。更妙的是，深海的海水酸性居多，而黑烟囱喷出的灼热水流往往呈碱性，原本热液与海水的激烈中和反应被这些直径100μm左右的石头孔隙所约束，在这些小孔隙内释放出了足以被生物大分子所利用的温柔且稳定的化学能。

地球早期成矿活动

海底黑烟囱所喷出的高温水流中含有的金、银、铜、铅等金属元素十分丰富，能够在黑烟囱附近沉淀出黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿、方铅矿等多种硫化物，并和石膏、重晶石与沸石类矿物伴生，形成蕴含着极高的经济价值的矿产资源。迄今为止，人们已经在各地的海底热液区发现了许多百万吨级以上规模的金属硫化物。以前面提到的加拉帕戈斯群岛为例，探矿人员在一处黑烟囱丘体下方发现了一个长1000米，宽200米，高35米的矿床，该矿床35%的质量为铁，10%为铜，0.1%为锌，并含有银、锗等，总储量约为2500万吨，若能顺利开采，经济效益惊人。

从加拿大不列颠哥伦比亚省的魔术山热液田收集的海底块状硫化物样品（图/ Wikipedia）

另一方面，海底黑烟囱所带来的海底成矿地质活动的发现，也拉开了金属硫化物成矿沉积活动研究的序幕。海底黑烟囱所产生的硫化物矿藏，其内部特征构造记录了含矿物质的高温流体在急剧降温条件下快速结晶形成硫化物和硫酸盐的过程，由于深海黑烟囱从地球早期那个地壳活跃年代一直存在至今，所以它不仅能反映地球不同地质年代的块状硫化物成矿过程，也是研究几亿年前海洋环境的重要样本。

参考资料：

[1]《达尔 对早期生命的猜想也许是对的！》新浪探索

[2]《生命的跃升——40亿年演化史上的十大发明》 尼克·莱恩著

[3]《海底黑烟囱成矿过程及其与生命起源研究评述》 范兴利

[4]Heap M J , Kennedy B M , Pernin N , et al.Mechanical behaviour and failure modes in the Whakaari (White Island volcano)hydrothermal system, New Zealand[J]. Journal of Volcanology & GeothermalResearch, 2015, 295(mar.15):26-42.