地球大陆上几乎没有未被探索的地方，在某些被遗忘的角落里，不太可能再有新的自然奇观等待被发现。但是，在海面之下却是另一番景象。我们对火星表面的了解比对我们自己星球75%的水下表面的了解还要多。那里有无数的惊喜在等待着我们。
其中一个发现发生在2000年12月。一次探险队在百慕大和加那利群岛之间的北大西洋海面下半英里处，绘制一座名为亚特兰蒂斯海山的水下山脉地图时，偶然发现了一根白色的岩柱，它像一座20层楼高的建筑一样从海底升起。科学家们使用遥控 ArgoII 探测器和载人潜水器Alvin，对这个神秘的地层进行了调查和取样。尽管时间限制将他们的调查限制在一次 Alvin 潜水中，但研究人员还是能够收集到足够的信息，以确定这根白色岩柱只是该区域中几个正在喷出加热海水的结构之一。他们发现了一个海底热泉区，他们将其命名为失落之城热液区。它与以前见过的任何东西都不同，包括现在著名的黑烟囱。
2001年7月在《自然》杂志上发表的描述这一发现的初步报告，在科学界引起了轩然大波。主要作者华盛顿大学地质学家黛博拉·S·凯利和她的同事们提出了许多基本问题。这个热液区是如何形成的？那里生活着哪些生物，它们是如何生存的？2003年，凯利领导了一次为期六周的全面探险前往失落之城，以找出答案。经过多年对那次任务中收集的样本进行细致的分析，专家们现在开始撰写引人入胜的答案。
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来自失落之城的发现促使人们重新思考关于可能为地球上生命的出现奠定基础的化学物质的长期观念。这些结果扩展了研究人员关于蓝色星球之外生命可能存在于何处的想法，并挑战了关于如何寻找生命的既定观念。
奇异的化学
自 20 世纪 70 年代以来，科学家们就知道了海底热液喷口。黑烟囱系统是最熟悉的；它们发生在洋中脊，即覆盖构造板块彼此分离点的火山链。由于靠近熔岩，这些喷口处的水温可以达到 400 摄氏度以上。这种灼热的水的 pH 值与柠檬汁相似，当它渗透到海底下方的火山岩中时，会浸出硫化物、铁、铜和锌。当这种热的酸性流体然后上升回海底表面时，它会通过喷口排放到冰冷的海水中，在那里，溶解的金属硫化物迅速冷却并从流体中沉淀出来，产生一种看起来像滚滚黑烟的浑浊混合物。这些金属硫化物堆积成越来越高的烟囱，位于喷口的顶部。尽管它们的化学性质恶劣，但这些喷口周围的区域却充满了奇异的动物，例如巨大的、红色尖端的裂谷管虫，它们既没有嘴巴也没有内脏，但通过与消耗从喷口散发出的有毒硫化氢气体的内部细菌的共生关系而茁壮成长。
与野蛮的黑烟囱环境相比，失落之城喷口异常宁静。这个喷口区位于大西洋中脊构造板块边界以西约 15 公里处，位于亚特兰蒂斯海山顶部，距离上升的岩浆太远，无法将流体加热到黑烟囱中的灼热温度。相反，水是通过仅略微温暖的下方岩石循环加热的，测得的最高温度仅为 90 摄氏度。失落之城的流体也不是酸性的。它们是碱性的，pH 值在 9 到 11 之间，类似于氢氧化镁乳液或家用氨水溶液。由于这些水不易溶解高浓度的金属（如铁和锌），失落之城不会产生表征黑烟囱的金属硫化物羽流。相反，失落之城喷口水富含钙，钙与海水混合后会产生碳酸钙（石灰石）。这种石灰石形成了巨大的白色烟囱，其中最高的烟囱高出海底近 60 米，明显高于最高的黑烟囱。
失落之城奇异的化学性质源于其独特的地质环境，而这又根植于地球本身的结构。将地球想象成一个桃子。桃皮代表地壳，果肉相当于下方的固体地幔层，桃核代表炽热的铁核。在大西洋中脊，当地壳以每年 25 毫米的缓慢速度将北美洲和非洲彼此拉开时，地壳正在缓慢地被拉开。地壳的分离使地球地幔的部分暴露在海底，而这种暴露的地幔的隆起形成了亚特兰蒂斯海山。
地幔主要由一种称为橄榄岩的岩石组成，事实证明，橄榄岩是失落之城独特化学性质的关键。当橄榄岩与水接触时，会发生一种称为蛇纹石化的化学反应。当海水渗入海山深处时，橄榄岩会变成蛇纹岩，渗透的水也因此反应而变得更碱性。当流体重新出现并与海水混合时，它们会充满蛇纹石化过程中释放的钙。最重要的是，它们现在被高度还原，这意味着所有氧气都已从水中剥离，并被富含能量的气体（如氢气、甲烷和硫化物）所取代。尤其是氢气的浓度是自然环境中遇到的最高浓度之一。这就是事情开始变得真正有趣的地方。
在开始之初
氢气充满了能量，这是因为它能够将电子转移到其他化合物（如氧气），从而在此过程中释放能量。能够轻易地将电子提供给其他化合物的化合物被有些令人困惑地描述为“化学还原”。科学家们长期以来一直怀疑还原性气体在地球上生命的起源中发挥了重要作用。在 20 世纪 20 年代，俄罗斯生物化学家亚历山大·奥巴林和英国进化生物学家 J.B.S. 霍尔丹分别提出，地球的原始大气可能富含甲烷、氨和氢气等还原性气体。他们提出，如果大气中这些气体的浓度很高，那么生命所需的化学成分可能会自发形成。
这个想法在几十年后获得了可信度，这要归功于芝加哥大学化学家斯坦利·米勒和哈罗德·尤里在 1953 年进行的著名实验。通过加热还原性气体混合物并通过火花放电，米勒和尤里能够创造出一系列有机化合物（大多数是含有碳和氢的化合物），包括氨基酸，这是地球上所有生命形式使用的蛋白质的组成部分。
然而，在米勒-尤里实验之后的几年里，地质学家们得出结论，早期大气远没有这对搭档假设的那么还原。这些科学家说，他们的实验中形成氨基酸和其他有机化合物的条件可能从未在大气中存在过。
但是，在失落之城热液喷口中，还原性气体比比皆是。难道几十亿年前，类似于这些喷口的喷口具有产生生命所需的有机化合物类型的合适条件吗？一些研究这个问题的地球化学家认为是这样。过去十年中进行的多项研究表明，蛇纹石化过程中发生的化学反应非常适合从二氧化碳中生产有机化合物。类似于失落之城的热液系统可能是原始工厂，它们大量生产甲烷、简单的有机酸，甚至可能更复杂的脂肪酸，这些都是所有生物细胞膜的重要组成部分。这些喷口可能能够在没有生物体帮助的情况下产生这些有机化合物。
失落之城是检验这些想法的天然实验室。2008 年，伍兹霍尔海洋研究所的化学家吉奥拉·普罗斯库罗夫斯基和他的同事在《科学》杂志上发表了一篇论文，证明失落之城的热液流体确实含有少量有机化合物，如甲烷、乙烷和丙烷。其他工作表明，失落之城的反应也会产生少量有机酸，如甲酸盐和乙酸盐。这些发现共同证实，失落之城喷口的还原条件可以支持从无机化合物中创造有机化合物所需的化学反应类型，这是前生物化学中简单但至关重要的一步。
这项新工作证实，一些热液喷口环境能够产生至少简单的有机化合物，这可能是生命的成分。但失落之城并不是测试这些想法的完美场所，因为碳酸盐塔不是无菌化学反应器。事实上，它们充满了微生物生命，这引发了这些微生物可能有助于喷口流体中有机化合物形成的可能。为了解决这个难题，我们必须仔细观察微生物本身。
无需阳光
许多微生物已经进化出消耗氢气中丰富能量的能力。产甲烷菌构成了这样一组。顾名思义，产甲烷菌会产生甲烷：我们许多人用来加热房屋和烹饪食物的天然气。事实证明，失落之城中高达三分之一的微生物是属于甲烷八叠球菌科的产甲烷菌*。鉴于喷口流体中氢气的含量丰富，它们的存在并不令人惊讶。令人瞩目的是，失落之城的产甲烷菌独立于太阳运行。
地球上几乎所有生命都依赖太阳能，无论是依赖光合生物获取食物的人类，还是进行光合作用的植物和藻类。即使在最黑暗的海洋深处的黑烟囱中，生命也依赖太阳。例如，支持巨型管虫生长的微生物需要硫化物和氧气。氧气的最终来源是遥远上方的光合生物。相比之下，失落之城的产甲烷菌生存所需的一切是二氧化碳，以及液态水和橄榄岩，它们反应形成它们所需的原始成分。
研究人员发现，蛇纹石化产生的地球化学反应和生物产甲烷菌的活动都有助于失落之城生态系统中的甲烷。甲烷的这种同时产生可能不是巧合。在过去几年的系列研究中，德国海因里希-海涅大学的生物化学家威廉·马丁和美国宇航局喷气推进实验室的地球化学家迈克尔·罗素研究了在失落之城等环境中非生物（即没有生物体）产生甲烷所需的精确化学步骤。他们发现，每一步都在产生甲烷的生物体的生物途径中得到复制。根据这项工作，马丁和罗素提出，在早期地球上，像失落之城这样的地点以地球化学方式产生甲烷，而原始生命形式可能只是简单地为自己选择了每一步化学步骤，从而导致了第一个生化途径的起源。
马丁和罗素并不是第一批提出生命可能起源于热液喷口的科学家。这个想法已经存在多年了。对它的支持不仅来自热液系统的有利化学性质，还来自所有生物体的遗传物质中发现的进化记录。
对核糖体的研究证明在这方面尤其具有启发性，核糖体是细胞用来将核酸（DNA 和 RNA）中编码的信息翻译成蛋白质的生物机器。核糖体本身由 RNA 和蛋白质组成。通过比较核糖体 RNA 构成单元（或核苷酸）的序列，科学家们构建了一个家谱树，该家谱树显示了地球上所有生命的关系。许多居住在靠近树根分支的生物都消耗氢气，并居住在陆地或海底的高温温泉中，这表明地球上所有生命的最后共同祖先也可能居住在温泉中，可能是在类似于失落之城热液区的环境中。
地质学家有理由怀疑，像失落之城这样的生态系统可能曾经相对普遍。橄榄岩是太阳系中最常见的岩石类型之一。在地球上，它构成了上地幔的大部分。尽管今天在地表很少发现新形成的橄榄岩，但在三到四十亿年前，橄榄岩却很丰富。那时，地球要热得多，火山活动增加将更多的熔融地幔输送到地表。事实上，橄榄岩可能构成了早期地球海底的大部分岩石。这种岩石会像现在一样与水发生反应。类似于失落之城的温暖碱性环境可能因此孕育了第一批生命形式。相比之下，类似于黑烟囱中发现的炽热酸性条件可能过于恶劣，无法促进生命的出现。
来自失落之城的发现也支持了关于太阳系中其他地方可能存在或曾经存在生命的假设。任何含有橄榄岩和液态水（蛇纹石化所需的成分）的行星或卫星都可能支持类似于失落之城微生物的生命形式。这些成分的证据在火星和木星的卫星欧罗巴上最为有力。事实上，研究人员已经在现代火星大气层中检测到甲烷。然而，它是否来自微生物或行星岩石中的化学反应，或者两者兼而有之，仍然不确定。
甲烷来源
事实证明，做出这一决定可能比科学家们预想的要困难。生命之树上的大多数生物都是微生物。虽然我们可以研究这些生物的 DNA 和 RNA 序列，但很难找到形状模糊的小生物的化石记录。为此，在过去的几十年里，研究人员开发了多种技术，可以通过梳理地质记录来研究微生物的进化历史，寻找的不是物理化石，而是化学化石。化学化石是可以追溯到生物体的分子，并且可以作为化石保存在岩石中数百万甚至数十亿年。大多数化学化石都来自构成细胞膜的脂质。虽然脂质没有 DNA 或物理化石包含的信息那么多，但它们是生命的可靠指标，并且可以携带诊断产生它们的生物体的结构。
此外，构成脂质的碳本身也具有信息量，因为它包含一个标记，揭示了生物体如何从其环境中提取碳。该标记是碳 13，它是元素的一种相对稀有的形式，不会随着时间的推移而降解。大多数生物体中的碳所含的碳 13 比溶解在海水中的二氧化碳中的碳少 1% 到 3.5%。因此，科学家们假设古代岩石中减少了这么多的碳来自生物体。作为该规则的必然结果，古代岩石中没有减少的碳来自非生物过程。
但失落之城驳斥了这种观念。我在麻省理工学院和伍兹霍尔的一组科学家团队的工作表明，在失落之城的碳酸盐中最丰富的一些脂质来自产甲烷菌。然而，这些脂质根本没有表现出碳 13 的减少。相反，它们的碳 13 含量是人们期望的来自非生物来源的物质的含量。
这怎么可能呢？使用碳 13 作为生命示踪剂的基础是假设环境中的二氧化碳比可以使用的二氧化碳更多。只要二氧化碳过剩，生物体就可以掺入它们喜欢的较轻的碳 12 分子，并歧视较重的碳 13。但是，如果二氧化碳以某种方式稀缺，生物体将搜寻它们可以获得的每一个可用的碳分子，无论是较轻的还是较重的。如果这种情况发生，生物体中碳 13 的相对丰度将与环境中的碳 13 的相对丰度没有区别。生命的化学示踪剂将是不可见的。
这个过程正是失落之城喷口正在发生的事情。与地球上几乎所有其他二氧化碳始终可用的环境不同，在失落之城，氢气占主导地位，二氧化碳稀缺，实际上迫使那里的生物体不加区分地提取碳同位素。
不可见性问题也适用于甲烷。通常，生物体产生的甲烷显示出碳 13 的极端减少，这与地球化学反应产生的甲烷形成对比。但在蛇纹石化系统中，这种差异并不总是出现。失落之城喷口水中的甲烷缺乏明显的碳 13 减少。研究人员从观察中知道，这种甲烷是地质和生物产物的混合物。然而，仅凭碳同位素无法区分。
如果生命在太阳系的其他地方进化，那么最好的猜测可能是它由生活在岩石正在蛇纹石化的地点的微生物产甲烷菌组成。我们知道甲烷正在以某种方式在火星上产生。美国宇航局计划在 2011 年发射火星科学实验室，其任务之一将是确定火星甲烷的碳同位素比率。碳 13 的强烈减少将表明生物体居住在红色星球上。
然而，失落之城表明，未能找到该信号几乎不能被视为缺乏证据的证据。事实上，在这种以前未知类型的生态系统中发现蓬勃发展的微生物，为科学家们有一天会发现生命迹象提供了更多理由
在地球之外。
注：本文最初印刷时的标题为《扩展生命的极限》。
*勘误（2010 年 1 月 25 日）：应该是甲烷八叠球菌目，而不是科。