一边养育生命,生命的细节

图片 1“卡西尼”探测器已经绕着土星飞了10年,NASA的科学家选出了它取得的10大科学成就。图片来源:NASA/JPL

而今天获奖的三位科学家在冷冻单分子电镜技术的发展中起到了关键性的作用。就像我们经常说的,这是天赋和天才的区别,有天赋的人,能够击中别人都击不中的目标,而天才呢,则能够击中别人甚至都看不到的目标。在二三十年以前,大家都认为晶体衍射可能会是解决生物大分子最主要、最有效的技术,而只有他们看到了电镜技术的潜力,发展了革命性的技术突破,获得了众多梦寐以求的分子结构。


本文来自“我是科学家”·|

2、发现土卫二恩克拉多斯(Enceladus)上活跃的冰喷泉

图片 2“卡西尼”在土卫二的背阴面拍摄的照片,可以看到这颗卫星正在向外(左下方)喷出物质。图片来源:NASA/JPL

在土卫二上发现巨型冰喷泉完全是个意外之喜,以至于任务设计者对探测计划进行了彻底地重新规划,以便“卡西尼”能够看个清楚。当“卡西尼”在喷泉中发现水冰存在的证据之后,这一发现就变得更加重要了。我们所知的生命,都依赖于水,所以寻找生命的范围突然之间便被扩展到了这颗小小的明亮卫星之上。最近“卡西尼”发现,土卫二的地下可能有海洋存在,使得这颗卫星成为了我们太阳系中最令人兴奋的科学探测目的地之一。

杨茂君(清华大学生命科学学院教授,清华大学-北京大学生命联合中心研究员,国家杰出青年,长江学者特聘教授):

参考文献:

  1. Dodd M S, Papineau D, Grenne T, et al. Evidence for early life in
    Earth’s oldest hydrothermal vent precipitates[J]. Nature, 2017,
    543(7643):60-64.
  2. Nozaki T, Ishibashi J, Shimada K, et al. Rapid growth of mineral
    deposits at artificial seafloor hydrothermal vents[J]. Scientific
    Reports, 2015, 6:22163.
  3. 刘涛, 王璇, 王帅,等. 深海载人潜水器发展现状及技术进展[J].
    中国造船, 2012(3):233-243.
  4. 杨守业,王权.冲绳海槽中部热液活动与 IODP 331
    航次初步成果[J].地球科学进展,2011,26(12):1282-1289.
  5. 李江海, 牛向龙, 冯军. 海底黑烟囱的识别研究及其科学意义[J].
    地球科学进展, 2004, 19(1):17-025.

10年前,也就是2004年的6月30日,卡西尼抵达了这颗带有美丽光环的行星,开始环绕它运转,就此展开了原定为期4年的土星探测任务。2008年以来,NASA已经3次批准任务延期,使得科学家获得了一个前所未有的良机——在长达10年,也就是土星环绕太阳大约1/3圈的时间里,细致地观察土星及其扈从正在缓慢经历着的季节变化。

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黑烟囱写真神器——深潜器

想要直接观察海底“黑烟囱”也没那么简单,需要借助非常先进的技术手段、潜水和取样设备。而利用深潜器深入海底可以实地直接观察黑烟囱,并进行相关的观测和取样,是揭开黑烟囱神秘面纱的重要法宝。

目前,世界上仅有少数国家有能力开展海底“黑烟囱”的研究。拥有6000米以上深度载人潜水器的国家更是凤毛麟角,目前包括美国、日本、法国、俄罗斯和中国。

美国是较早开展载人深潜的国家之一,1964年建造的“阿尔文”号(Alvin)载人潜水器是他们的代表作,可以下潜到4500米的深海。在发现黑烟囱之前,刚刚服役没几年的“阿尔文”号还帮助美国海军捡回了落入海底的一枚氢弹!

1985年,“阿尔文”号载人潜水器发现了泰坦尼克号沉船的残骸,它也因此神气地登上了美国《时代》周刊的封面。如今,阿尔文号已经进行过近5000次下潜,是当今世界上下潜次数最多的载人潜水器。

图片 4从1964年到如今,几经变迁的Alvin号潜水器。图片来源:我是科学家演讲

日本1989年建成了下潜深度为6500米的“深海6500”Shinkai6500)潜水器,水下作业时间8小时,曾下潜到6527米深的海底,创造了载人潜水器深潜的纪录。它已对6500米深的海洋斜坡和大断层进行了调查,并对地震、海啸等进行了研究,已经下潜了1000多次。

图片 5日本的深海6500载人潜水器。图片来源:我是科学家演讲

我国虽然在该领域起步较晚,但是后来居上。2007年,“大洋一号”科考船在2800米深的西南印度洋中脊上发现了“黑烟囱”,并租用了类似“蓝鳍金枪鱼”的自主水下航行器进行仔细搜索,拍到了大量正在“冒烟”的“黑烟囱”喷口,命名为“龙旂”,并先后两次抓取了120多公斤样品,标志着我国已成为世界上发现洋中脊海底热液活动区的少数国家之一。

2017年4月我国科学家利用中国自行设计、自主集成研制的载人潜水器——“蛟龙号载人潜水器”,在西北印度洋卧蚕1号、卧蚕2号、天休、大糦4个热液区成功发现27处海底“黑烟囱”、多金属硫化物丘与黑暗生态系统。

说起蛟龙号,它的功夫可是相当了得,2010年就实现了最大下潜深度7062.68米的目标,可以轻松自如地前进后退、上下运动、侧移和悬停定位,能够对深海热液环境、多金属结核资源等进行近距离拍摄和遥控精确取样,堪称“技能满满”的国之重器。

图片 6图片来自中国国家海洋局网站

4、土卫六泰坦类似于地球,有降雨,有河流,还有湖泊和海洋

图片 7土卫六北极附近存在3个巨大的湖泊。图片来源:NASA/JPL

雷达成像,以及可见光和红外线图像都显示,土卫六拥有许多与地球相似的地质过程。这些过程产生了甲烷雨,它们冲刷出河道,形成了湖泊和海洋,积蓄着没有立即蒸发的液态甲烷和乙烷(参见《惊涛拍岸土卫六》)。

中国电镜家谱图。图片来源:参考文献[1]

烟囱给大家留下的印象,大概是一根根平地高耸、不断产生黑色或白色浓烟的空心大柱子。然而,自然界里存在着一种天然的、不断喷涌“浓烟”的“烟囱”,它们非常壮观,但对普通人来说可能一辈子都没机会亲眼看到。

6、射电波模式显示,土星的自转不像先前认为的那样简单

图片 8土星发出的射电波,被称为土星千米波辐射,揭示出了土星南北半球不同的自转速度。图片来源:NASA/JPL

土星会发出射电波,被称为土星千米波辐射(Saturn Kilometric
Radiation)。木星上曾经观察到类似的射电波,被用来推算木星上一天的长短,但土星的自转速度要比木星复杂得多。“卡西尼”发回的最新数据显示,射电波中由行星旋转控制的变化,在南半球和北半球是不同的。不仅如此,南北半球的差异似乎还在随着土星季节的变化而发生改变,南北半球的自转速度实际上已经发生了互换。土星上的一天到底有多长,仍然未知待定。

冷冻电子显微技术,是指通过将生物样品快速降温使其固定在玻璃态的冰中,继而用透射电子显微镜成像的技术。电子显微技术已经获得过多次诺贝尔奖,本次再次授予化学奖实际是对其在结构生物学,尤其是单颗粒重构技术的肯定。

图片 9冒着浓烟的工厂烟囱。图片来源:pixabay

3、土星光环是活跃和动态的,是行星形成过程的天然实验室

图片 10土星A环的外侧,可以看到一些因为扰动而形成的细微结构。图片来源:NASA/JPL

“卡西尼”长达10年的探测期,使得它有可能观察到土星动态光环系统中的种种变化。“卡西尼”发现了螺旋状的结构,见证了可能是一颗新卫星的诞生过程,观察到了我们的太阳系里或许是最活跃也最混乱的一条光环(土星的F环)。

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初识“黑烟囱”

这样的“烟囱”被称为深海热液喷口,它们是深藏海底的热泉,近似于陆地上的天然温泉。当海水沿海底裂隙向下渗流,受岩浆热源的加热,再集中向上流动并喷发,就形成了“烟囱”一样的深海热液喷口。

图片 12黑烟囱形成机制示意图。图片来源:Wikipedia 

就像人类工厂的烟囱一样,海底的“烟囱”也会冒出不同颜色的“烟”。根据海底热液温度及喷出的矿物成分的不同,一般将海底热液烟囱划分为黑烟囱白烟囱低温喷口

图片 13东太平洋发现的黑烟囱(左图),马里亚纳海海沟西北部Eifuku
火山附近的白烟囱(右图)。图片来源:www.thirteen.org(左图),Wikipedia(右图)。

海底“黑烟囱”,通常位于大洋中脊这样热液活动的区域,在300-400℃海水温度下形成。在地形上表现为柱状圆丘,喷出的黑烟富含高浓度的硫化物。

1979年,科学家在加拉帕戈斯群岛(就是促使达尔文获得生命进化论灵感的那个地方!)首次发现了海底“黑烟囱”。当时,美国的阿尔文号(Alvin)载人深潜器正在该岛附近深度约1
650—2
610m的海底进行探测,突然发现数十个冒着黑色和白色烟雾的液流喷涌而出,蔚为壮观。在此之后,科学家们在大西洋、印度洋、北冰洋
、红海等大洋也发现了许多黑烟囱及其热液硫化物。

图片 14全球热液喷口位置分布。图片来源:国际大洋中脊协会网站

科学家发现,黑烟囱形成后,可以在海底存在几千年至几万年。随着热液活动的减弱和停止,海底黑烟囱也将逐渐发生溶解和坍塌,甚至完全消失。许多古老的“黑烟囱”分布有限、标志不明显,因而十分难被发现,至今在深海发现的古热液区数量也及其有限。

2018年5月我国科学家有幸在南海两座海山上各发现一处古热液区,分别命名为“南溟”热液区和“楼兰”热液区。

图片 15中国科考队首次在南海发现的古热液烟囱。图片来源:同济大学

7、首次拍摄到土星光环中的垂直结构

图片 16“卡西尼”抓住了15年一遇的机会,拍摄到了土星光环里的垂直结构投出的长长阴影。图片来源:NASA/JPL

每隔大约15年,阳光使会直射土星光环的侧面,而光环的南北两面几乎接受不到阳光的照射。“卡西尼”利用这一罕见的机会,观察到了投射在光环上的密集的长长的阴影,从而测量出了光环中这些垂直结构的高度。

说到我国在这方面的研究,早在八十年代初从事材料学研究的郭可信教授等就发现电子显微镜在生物领域的潜力,培养并鼓励一批物理背景的学者进入生物领域,他们不少目前已经成为行业中坚,以郭可信先生名字命名的冷冻电镜会议也是行业非常高水准的重要会议。

黑烟囱的“生命绿洲”

然而,黑烟囱的神秘之处远不止于此——在这个没有阳光照射、了无生机的深海中,黑烟囱海底创造出一个神秘的“生命绿洲”。这里的“居民”依靠黑烟囱等海底热液口释放的地热和物质而生活,称为“黑暗生物圈”。

在黑烟囱的喷发口中,有大量的气体、金属离子喷出。这种环境为周围的化能自养型微生物提供充足的能量。热液群落中的其它动物可以依靠这些微生物合成的有机物作为其食物来源。

以热液群落中的盲虾为例,它们身上有若干嗜硫细菌。作为热液生态系统的源头,这些嗜硫细菌把剧毒硫化物转化为能量,寄生在盲虾身上。盲虾取食身体表面的细菌,数量较少的热液鱼则以盲虾等为食。

图片 17东斯科蒂海脊附近喷口上生长的藤壶群(右上角)和盲视雪蟹。图片来源:Wikipedia

尽管黑烟囱活动区的温度极高,四周却存活着蠕虫、蛤类、贻贝类、蟹类、水母、藤壶等生物群落。可以说,生机盎然的黑烟囱成为了解地球上生物群落的一扇新窗口。据统计,科学家在海底热液区新发现的物种已达10个门、500多个种属,大部分为热液环境所独有。

图片 18加拉帕戈斯裂谷周围的巨型管状蠕虫(Riftia
pachyptila
)。图片来源:Wikipedia

深海热液口极端的生态环境以及丰富的生物资源,使得深海热液口微生物及其次生代谢产物,在抗肿瘤、抗衰老、抗氧化等领域具有重要的研究价值,成为未来宝贵的生物基因和医药资源,而硫氧化菌“吃”硫的特性,已经被应用在治理石油污染等环保领域。这些都远远超过了黑烟囱的地质矿产价值。

除此以外,黑烟囱也为生命起源的探索增加了新的认识。根据最新的研究发现,至少在37.7亿年前,远古时代的深海热液喷口及其周围就存在微生物活动的证据,这可能代表着地球上最早期的生命形式。为揭开生命的起源,也有了重要的参考。(编辑:小柒)

1、“惠更斯”在外太阳系的一颗卫星(土卫六泰坦,Titan)上实现了首次着陆

图片 19“惠更斯”着陆后发回的土卫六地表的图像。图片来源:NASA/JPL

2005年,“惠更斯”成功地在土卫六上实现软着陆,这是迄今为止人类完成的距离地球最远着陆。在长达2小时27分钟的降落过程中,“惠更斯”着陆器揭示了土卫六的真相——这颗星球与生命出现之前的地球非常相似,会下甲烷雨,存在侵蚀和冲刷形成的沟渠,还有干涸的湖床。许多复杂的碳氢化合物,包括苯,都存在于土卫六的大气之中。“惠更斯”还为土卫六上的气温提供了一手的测量结果。

让我们来听一听科学家是怎么说的:

 海底的“开心农场”——黑矿养殖 

黑烟囱虽说其貌不扬,却却能够喷“金”吐“银”。黑烟囱在海底喷口附近沉淀黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿、方铅矿等多种硫化物。这些硫化物含有金、银、铜、铅等金属元素,并和石膏、重晶石与沸石类矿物伴生,能够形成极具经济价值的矿产资源。

科学家已在海底发现许多百万吨以上规模的金属硫化物。如东太平洋加拉帕戈斯群岛发现的一个黑烟囱丘体,矿床长1000米,宽200米,高35米,其中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,可谓价值连城。

近些年,一些发达国家开始探究一种从海底人工热水喷口收集矿物资源的方法,被称为“黑矿养殖计划”。比起传统的海底探矿与开采,黑矿养殖可谓海底的开心农场,如同种植农作物一般,他们选择养分丰富的地方(金属离子的浓度高的区域),利用人工钻孔给予发芽(矿物长晶)的机会,接着放置成矿培养平台,给予适当的环境生长(海水降温沉积),使其持续沉积矿物,最后达到一定量后将其“收成”。利用这些人工烟囱的矿物学特性可以选择性沉淀和提取相应的元素。这为在低勘探成本和低环境负担下获得海底矿产资源提供了新方向。

图片 20图片来源:日本海洋科学与技术中心网站

9、土卫八伊阿珀托斯(Iapetus)的阴阳脸之迷被破解

图片 21土卫八有一张“阴阳脸”,半边雪白,另外半边却似乎一片漆黑。图片来源:NASA/JPL

土卫八的表面为什么一半黑一半白,这个谜题自发现之日起,已经困扰了天文学家长达300多年。“卡西尼”探测器解决了这个问题。土卫八的轨道上散布着深红色的尘埃,随着卫星在这条轨道上扫过,这些尘埃便降落到它的“迎风面”上。深色的区域吸收热量变得更热,而未受污染的区域仍然是冰冷的。土卫八较长的自转周期,促成了它的阴阳两面。

近几年,冷冻电镜在生物物理,特别是结构生物学领域掀起了一轮新的革命。尤其在近三四年来,依靠冷冻电镜技术,很多具有非常重要生物学功能的生物大分子复合物的三维结构得到解析。所以说冷冻电镜技术彻底改变了结构生物学的研究方式。

8、研究土卫六上生命起源前的化学过程

图片 22雷达图像显示了土卫六北极地区的湖泊,生命起源前复杂的化学过程可能正在那里发生。图片来源:NASA/JPL

土卫六的大气中富含大量不同的分子——就化学成分而言,这是太阳系里最复杂的。从阳光遇到甲烷开始,越来越复杂的分子在大气中形成,直到它们变得足够巨大,形成了不透光的烟雾,包裹住了这颗巨大的卫星。在更靠近地表的地方,甲烷、乙烷和其他有机物聚集在一起降落到地表,很可能还有其他生命起源前的化学过程在那里发生着。

 

5、研究了2010-2011年间土星北半球的巨型风暴

图片 232011年“卡西尼”拍摄的土星,北半球出现了一个巨大的风暴。图片来源:NASA/JPL

2010年末,土星相对平静的大气中出现了一个巨型风暴。这样的风暴在土星上通常30年才会出现一次,但这个风暴提前了10年,让“卡西尼”看了个一清二楚。在几个月的时间里,这场风暴环绕了整颗行星,形成了一个漩涡带。“卡西尼”测量到了有记录以来所有行星上幅度最大的升温过程。从来没有在土星高层大气中被观察到过的一些分子,也被检测到了。在头部撞上尾部后不久,这场风暴便消散了,持续时间不到1年。

中国电镜平台分布。图片来源:参考文献[1]

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