寒冷的微风从南极平原吹来，冻僵了站在冰面黑洞周围的科学家的鼻子和耳朵。绞盘上的冰屑噼啪作响，因为它将最后几米的缆绳从洞中放出。两名身穿无菌服的工作人员俯身抓住缆绳末端悬挂的载荷——一个棒球棒长度的圆筒。他们用锤子敲掉冰块，用吹风机融化了部分组件。“它关上了吗？”绞盘操作员问道。
“是的，”来自博兹曼市蒙大拿州立大学的微生物生态学家约翰·普里斯库（John Priscu）喊道。圆筒沉甸甸地 resting 在他戴着手套的手中——证明它在漫长的地表之旅之前已经装满了水并密封了。里面的液体来自地球上最与世隔绝的水体之一：惠兰斯湖，它被困在距离南极点仅 640 公里的 800 米冰层之下。当普里斯库将容器扛在肩上，蹒跚走进一个金属集装箱时，几乎没有人说话，团队在那里建立了一个狭窄的临时实验室。
2013 年 1 月 28 日获得的水样是首次直接从冰下湖泊中提取的样本。尽管普里斯库和其他科学家长期以来一直渴望探索南极洲隐藏的湖泊并寻找其中的生命，但钻探进入这些湖泊的努力一直受到污染威胁的阻碍，污染会使发现的任何生命受到质疑，并可能将入侵生物引入湖泊。普里斯库和他的团队花了六年时间设计安全的取样程序，然后不得不克服无数后勤障碍，例如将数百吨设备运到偏远地点。
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研究人员自到达湖泊以来一直在研究样本，发现南极洲冰层之下潜伏着大量生命。在本周出版的《自然》杂志上，普里斯库和他的团队报告称，在每毫升湖水中发现了 130,000 个细胞——微生物生命密度与世界深海大部分地区相似。湖泊中的群落拥有近 4,000 种细菌和古细菌，比人们可能预期的与地球其他地区隔绝的世界要复杂得多。“生态系统的丰富程度让我感到惊讶，”普里斯库说。“这真是太令人惊奇了。”
来自湖泊的样本表明，在过去的 12 万年里，甚至可能长达 100 万年，那里的生命在没有太阳能量的情况下生存了下来。它们首次展示了地球上可能最大的未开发生态系统——占世界陆地面积的 9%。“那里有一个蓬勃发展的生态系统，”英国诺森比亚大学的微生物学家大卫·皮尔斯（David Pearce）说，他所在的团队曾试图（但未成功）钻探进入另一个冰下水体埃尔斯沃思湖（Lake Ellsworth），时间是 2013 年。“这是我们第一次真正深入了解南极洲大陆之下可能存在哪些生物，”他说。
冰上的生命
惠兰斯湖上方的冰面平坦得令人难以置信，几乎无法想象下面隐藏着任何不寻常的东西。2007 年，我作为一名记者首次前往那里，报道了一次前往该湖泊的科学考察，该湖泊是当年早些时候通过远程卫星测量发现的。2013 年 1 月，我再次返回，作为一名记者随同普里斯库带领的另外两位科学家组成的团队前往湖泊取样。该项目名为惠兰斯冰流冰下通道研究钻探（Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling），涉及来自五个国家 15 所大学的近二十名研究人员之间的合作。美国国家科学基金会为这项工作投入了大约 2000 万美元，其中包括建造一台热水钻机，以便在不污染湖泊的情况下进入湖泊。
直到 20 世纪 90 年代，冰层穿透雷达和地震测绘产生了冰下湖泊的第一个确凿证据，人们才广泛认为湖泊可能潜伏在南极洲的冰冻覆盖层之下。现在已知有近 400 个湖泊。它们由冰盖底部融化的水补给，融化速度为每年几毫米，这是由地球深处的环境热量引起的（参见“看不见的湖泊”）。
惠兰斯湖与地球表面上的任何事物都不相似。冰的重量迫使冰下水向上流动，导致湖泊倾斜地位于山坡一侧。它是一个薄透镜状的水体——只有 2 米深，面积近 60 平方公里——位于低压区，低压区是由冰盖在溢出山丘时变薄而形成的。
2013 年 1 月，当拖拉机拖着装在大型滑雪板上的集装箱到达时，钻探营地在这个孤独的边境地区出现了。在从海岸出发的两周旅程中，拖拉机拖运了 50 万公斤的装备和燃料、移动实验室、机械车间和装满六个货运集装箱的热水钻机。在两周内，营地变成了一个喧闹的工业场所，居住着三十多人，一群帐篷在稳定的微风中飘动，还有两台轰鸣的 225,000 瓦发电机。极地夏季类似于明尼苏达州明尼阿波利斯市的温和冬季，气温低于冰点 5–15 °C。
钻穿冰盖花了七天时间。为了防止湖泊受到污染，工作人员使用紫外线辐射、水过滤和过氧化氢对机械和用于钻穿冰层的用水进行消毒。当团队接近湖泊时，由于难以控制钻头，进展缓慢，使工作人员痛苦地煎熬了 36 个小时。
1 月 27 日上午 7:30，手持无线电中传来一个声音，召唤我到钻探控制室。在里面，六名穿着工作服的冰钻工盯着电脑屏幕，屏幕上显示一条线在图表上向上射出，表明钻孔中的水位上升了 28 米，这是由下方湖泊涌出的水推动的。湖水温度为温和的 -0.5 °C，比当天钻探营地的温度还要高。
研究人员在第二天提取了第一个样本。在抬起灰色容器几分钟后，他们倒出了里面的东西：一种蜂蜜色的液体，结果证明它比任何人预期的矿物质都丰富。几个小时后，在显微镜下发现了第一个细胞——被 DNA 敏感染料照亮的绿点。在接下来的几天里进行的测试证实，这些细胞是活的。二十名科学家和研究生昼夜不停地工作，从湖中收集了 30 升水和几个沉积物岩芯。在孔洞冻结之前，该团队还测量了湖泊中的水化学成分和通过沉积物向上流动的地热。
在过去的一年中，研究人员一直在使用这些样本来组装冰盖下生命的画像。他们分离并培养了大约十二种微生物菌株。DNA 测序显示总共有 3,931 种物种的迹象——其中许多物种与已知的分解矿物质以获取能量的微生物有关。
尽管污染始终是一个令人担忧的问题，但未参与惠兰斯湖项目的研究人员表示，消毒预防措施似乎效果良好。一个迹象是，孔洞中钻井水的微生物密度比湖泊样本低 200 倍，芝加哥伊利诺伊大学的地球科学家彼得·多兰（Peter Doran）说，他曾与美国国家研究委员会合作十年，制定清洁取样南极湖泊的指南。多兰确信湖泊中存在多种微生物生命的证据。“他们以一种无可置疑的方式发现了它。这是非常确凿的，”他说。
生命体征
总的来说，惠兰斯湖中的生命运作方式与地表生态系统非常相似，但其深层居民无法获得阳光，因此无法依赖光合作用来获取固定溶解在湖水中的二氧化碳所需的能量。
该团队的基因分析表明，湖泊中的一些微生物与海洋物种有关，这些海洋物种通过氧化沉积物中矿物质中的铁和硫化合物来获取能量。但根据 DNA 数据，湖泊中最丰富的微生物氧化铵，这很可能具有生物来源。
“铵可能是古代海洋沉积物的遗迹，”普里斯库说，他指的是数百万年前该地区被浅海而非冰川覆盖时积累的死亡有机物。
迄今为止，在惠兰斯湖的样本中只发现了单细胞细菌和古细菌——但迄今为止使用的特定 DNA 测试并非旨在检测其他类型的生物。这保留了惠兰斯湖可能仍被发现栖息着更复杂生命的可能性，例如原生动物——甚至亚毫米级动物，如轮虫、蠕虫或八足缓步动物，所有这些动物都已知生活在南极洲的其他地区。上覆冰层中的气泡为湖泊提供氧气，因此这不是一个限制因素。但微生物碳固定的低速率可能为多细胞生命提供的食物太少。
惠兰斯湖每平方米每年接收的新碳量约为世界营养最匮乏的海洋底部的十分之一，后者支持着稀疏的动物种群。尽管普里斯库和他的同事在惠兰斯湖中发现动物的可能性很小，但他们计划使用更量身定制的 DNA 测定法来寻找它们。目前，研究人员正在研究湖泊中微生物居民的起源。最大的问题是南极洲的冰下群落是由“幸存者”还是“到达者”组成的。
幸存者可能是微生物的后代，这些微生物在该地区被开阔海洋覆盖时生活在沉积物中，过去 2000 万年里，这种情况周期性地发生。或者，惠兰斯湖可能是由风吹来的微生物——“到达者”——定居的，这些微生物沉积在冰面上，并在 5 万年的时间里随着冰川底部融化而向下渗透。
还有可能是一些生物最近进入了湖泊，它们是由在冰盖下渗入的海水携带的。惠兰斯湖距离接地线仅 100 公里，接地线是冰盖从 resting 在地面上过渡到漂浮在海洋上的地方。新西兰奥塔哥大学的冰川学家克里斯蒂娜·赫尔贝（Christina Hulbe）长期以来一直在研究南极洲该地区，她说，随着冰层变薄和变厚，这条线会发生移动，因此湖泊有可能在过去几千年里与海洋交换了水——和微生物。
来自湖泊样本的其他发现也带来了一些诱人的想法。其水中氟化物的痕迹为该地区可能存在热液喷口提供了证据——热液喷口是化学能量的丰富来源，有可能支持奇异生命的岛屿，例如蠕虫或喜热微生物。“那里很可能存在热液系统，”德克萨斯大学奥斯汀分校的冰川学家唐纳德·布兰肯希普（Donald Blankenship）说。湖泊位于一个地壳变薄的宽阔裂谷中，布兰肯希普的雷达调查显示冰下可能存在火山。
从惠兰斯湖涌现的结果也可能阐明南极洲如何影响附近的海洋甚至整个世界。最新的数据表明，如果冰盖下的微生物在改变沉积物中的矿物质方面发挥重要作用，那么这些生物可能会向最终到达海洋的冰下水域供应铁。英国布里斯托尔大学的海洋生物地球化学家马丁·特兰特（Martyn Tranter）说，这个过程可能为南大洋长期缺铁的生态系统提供重要的营养来源。
此外，惠兰斯湖水中少量甲酸盐的存在表明，在湖泊下方更深、缺氧的沉积物中可能产生甲烷，甲烷是一种强效温室气体。2012 年的一项研究估计，南极冰盖下的沉积物含有数千亿吨甲烷——储量相当于北极永久冻土带中储存的甲烷——如果冰层退缩，这些甲烷可能会逸出并加剧全球变暖。
惠兰斯湖仅提供了冰下生命的局部快照，几个团队正在尝试通过探索其他冰下湖泊来填补这幅图景。一个俄罗斯团队目前正在分析来自沃斯托克湖（Lake Vostok）的水，沃斯托克湖是南极洲东部一个深构造裂谷中的湖泊，被 3.7 公里的冰层覆盖。研究人员表示，分析这些样本提出了挑战，因为水在被带到地表之前在钻孔底部冷冻了一年。当冰被抬起时，它暴露在钻孔中的煤油钻井液中。
皮尔斯和他的同事在 2013 年尝试钻探进入惠兰斯湖附近的埃尔斯沃思湖，该湖泊位于冰川峡湾下 3.4 公里的冰层下，但由于在控制钻头方面出现困难，他们被迫放弃了这项努力。
惠兰斯湖冰层覆盖较薄，比埃尔斯沃思湖或沃斯托克湖更容易成为目标，但它并没有轻易泄露其秘密。在第一个样本被提取后的第二天，一个被放入孔洞中的摄像头在接近湖泊时呈现出令人着迷的景象。彩虹色的冰屑向上漂浮——一场倒下的雪花，预示着孔洞正在迅速重新冻结。科学家的仪器很快开始在变窄的孔洞中卡住，迫使钻探人员泵入热水以扩大孔洞。这场拉锯战持续了四天，之后团队放弃了不可避免的命运的孔洞，拆除了营地，并将他们来之不易的样本空运回家。
本文经许可转载，并于 2014 年 8 月 20 日首次发表。