地球上极端生命的发现常常引发人们对外星世界可能潜伏着什么生物的猜想。当我在1月21日报道在南极洲740米厚的冰层下发现鱼类生活在与世隔绝的海洋角落时，情况也是如此：人们询问这可能意味着什么，以便在遥远世界（如木星的卫星欧罗巴）上找到生命，欧罗巴极有可能在其冰壳下蕴藏着液态水海洋。
天体生物学家诗意地畅想我们或许有朝一日会在欧罗巴冰层的水下部分发现微生物粘液层，但他们的目标是否定得太低了？在欧罗巴的水域中，是否会有更令人兴奋的东西滑行，比如最近发表在《自然》杂志上的一篇科幻草图中设想的那种蜘蛛腿、生物发光的异形蜘蛛类生物？ “问题永远是能量，”佐治亚理工学院研究欧罗巴作为潜在生命栖息地的行星科学家布兰妮·施密特说。“鱼类需要大量能量——比微生物多得多。” （大众科学是自然出版集团的一部分。）
鱼类需要一个多层次的生态系统——生物能量学上相当于一个金融金字塔计划。水生生态系统的底部是单细胞微生物，它们利用来自阳光或化学来源的能量，从水中提取二氧化碳分子以生长。被称为原生生物的微小生物以微生物为食。在新发现的南极生态系统中，甲壳类动物可能以原生生物为食，而位于金字塔顶端的鱼类可能以甲壳类动物为食。
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蒙大拿州立大学的微生物生态学家约翰·普里斯库是本月发现南极鱼类的团队成员之一，他说，碳（或能量）沿着食物网的转移是低效的。“当你沿着食物网向上走[每一步]时，你会损失大约 90% 的能量，”他说。因此，对于生活在冰层下生态系统中的每一公斤鱼，您可能需要多达 1,000 公斤的微生物作为食物网的基础来支持它。即使新发现的鱼类最终直接以微生物为食，这也仍然意味着每公斤鱼至少需要 10 公斤的微生物。
正是这种限制——动物对能量的奢侈需求以及能量的有限供应——可能会决定欧罗巴上是否可能存在具有复杂生命的食物网。
地球上大多数生态系统都由阳光从底部向上驱动，阳光通过光合作用驱动碳固定。但是，欧罗巴海洋中任何生命，在 10 或 20 公里的冰层下，都必须使用另一种能量来源。对南极洲数百米冰层下封闭的湖泊的研究为了解这可能如何运作提供了引人入胜的景象。
今年在南极洲发现海洋鱼类的同一个团队还在 2013 年 1 月钻探了其中一个冰下湖泊：惠兰斯湖，它位于 800 米厚的冰层下，大致在鱼类发现地点以内陆 100 公里处——这两次考察都得到了国家科学基金会 (NSF) 的支持。他们发现惠兰斯湖生机勃勃，每毫升水大约有 130,000 个微生物细胞。但更令人感兴趣的是，这个据称“极端”的冰下环境竟然如此不恶劣。它的温度为 –0.5 摄氏度，略高于南极洲周围的海洋。尽管在冰层下存在了数千年，但它仍然含有一些海洋动物（如海星和蠕虫）实际上可以存活下来的氧气含量。
具有讽刺意味的是，将惠兰斯湖与外界隔绝开来的同一层冰壳也为它提供了稳定的氧气供应。从海底散发出的环境地热以每年几便士厚度的速度融化冰盖的底面。这释放出古代气泡，这些气泡在数千年前从降雪形成冰时被困在冰中。
基因研究表明，惠兰斯湖中的微生物利用这种氧气“燃烧”从下方沉积物中渗出的铵和铁矿物质——提供能量来固定碳——有效地取代了光合作用。“这就像一个电池，”普里斯库说，他的实验室在 2013 年检索并分析了湖泊中的一些样本。“冰有氧化剂，沉积物有还原剂，生命进化来填补这个空隙——自由能空隙。”
美国宇航局喷气推进实验室的天体生物学家凯文·汉德认为，欧罗巴上也存在同样的方案。汉德利用夏威夷凯克天文台的望远镜进行光谱读数，在欧罗巴表面发现了高浓度的氧化性化学物质，如硫酸盐、氧气、二氧化硫和过氧化氢，这些物质是在木星的电离辐射冲刷欧罗巴表面时产生的，分裂了欧罗巴冰层最上层的水分子和硫化物。生物体可以利用这些氧化性化学物质来燃烧燃料，如从欧罗巴海洋岩石底部渗出的铁或甲烷。
使这成为可能的是，欧罗巴似乎在地质上是活跃的，允许这些燃料和氧化剂的供应被运输、混合和不断更新。施密特发现证据表明，欧罗巴冰冻外壳下的暖洋流和对流力可能导致大块冰块翻转和融化，将大量水袋（有时蕴藏着与五大湖总和一样多的液体）带到离卫星冰冷表面几公里的范围内。
分析欧罗巴表面裂缝和山脊的科学家发现，它的冰壳也在缓慢地通过类似于地球上大陆俯冲的过程进行循环，一块冰板块在另一块冰板块的边缘下滑和弯曲。板块下沉并最终融化回下方的海洋，同时携带在表面形成的氧化性化学物质。
预测欧罗巴海洋可以支持哪种生命的关键将是弄清楚这种情况发生的有多快，以及每年在表面形成并注入海洋的氧化性化学物质有多少千吨或数百万吨。不确定性的范围很大，对欧罗巴能量供应的估计值相差几个数量级。改进这些计算将大大有助于确定那里可能存在哪种生命——微生物粘液还是羽毛状异形蜘蛛类生物。
施密特是一个科学家团队的成员，该团队正处于开发美国宇航局任务的早期阶段，该任务名为欧罗巴快帆，它将通过将侦察航天器送入绕木星轨道运行来调查这些问题。快帆号将定期俯冲到欧罗巴表面上方低至 25 至 100 公里的高度。它将使用穿冰雷达来测量卫星冰壳的厚度，绘制其内部裂缝和断层的地图（地质活动节奏的线索），并定位靠近地表的水袋。一个机载磁力计将测量海洋的深度和盐度，一个光谱仪将测量欧罗巴最上层冰中的化学物质。快帆号需要几年时间才能建造和发射，假设它获得资金。
与此同时，关于最近在南极洲的发现，其他有趣的问题仍然存在。其中一个问题是，为什么在南极洲冰雪覆盖的海岸线沿线发现了鱼类，那里是冰川开始漂浮在海洋上的地方，但在上游 100 公里的惠兰斯湖中只发现了微生物。这两种环境都含有氧气。两者的温度都在同一范围内。这两个生态系统都可能最终由相同的能量来源驱动：微生物氧化铵、铁、硫，可能还有甲烷，以固定碳。
惠兰斯湖及其在南极洲该地区的姐妹湖泊代表着由于多种原因而恶劣的环境。施密特说，它们是浅而短暂的——它们的地点从一个十年转移到下一个十年，“更像泥坑”。这种不稳定性可能会使动物难以在数万年中生存。如果某些偶然事件消灭了它们——例如冰川快速冻结到它们的床上——那么新的动物从外部进入并重新殖民湖泊的可能性极低。
我曾与 2013 年钻探和取样惠兰斯湖的探险队一起旅行，在那段时间里，我经常问人们他们期望在湖中发现什么。也许毫不奇怪，每个人都期望只发现微生物。但现在，在海洋与世隔绝、冰雪覆盖的角落里发现动物似乎已经将人们的思想震荡到了一个新的空间。
普里斯库很快指出，惠兰斯湖微生物实际上以与在已知栖息鱼类的某些冰雪覆盖的海洋部分所见的速度大致相同的速度固定碳。“如果湖里有鱼，我会感到惊讶，但那里有足够的能量供它们生存，”他说。“如果我们从 NSF 获得另一笔拨款，那么放下鱼笼并让它放在那里会很有趣。”