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图1—9 洋中脊附近的热液循环示意图。较冷的海水通过地壳的裂缝向下渗透，被岩浆房加热而上涌，形成热液喷发。当热液遇到温度很低的海水就会迅速冷却，种类繁多的无机盐结晶析出，变成了滚滚“黑烟”，其中一部分沉积在盆口附近，就形成了黑烟囱。（作者绘）
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当这些热液遇到海水急速冷却下来，其中溶解的各种无机盐就会立刻结晶析出，变成悬浊的微粒。由于岩浆活动释放了大量的硫元素，地壳深处又含有大量的铁元素，所以这些微粒当中有很多富含铁的硫化物，这让深海热液看起来就像是滚滚黑烟。而当那些“烟灰”渐渐沉淀下来，就会在热液喷口附近越堆越高，形成几米高的管状结构——我们形象地把它称作“黑烟囱”。
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人类第一次发现黑烟囱是在1977年，美国俄勒冈州立大学的海洋地质学研究团队用深潜机器人在水深2 600米的东太平洋海隆发现了它，当时就轰动了整个地质学和生物学界：深渊下的洋中脊不见天日，远离一切已知的生态系统；热液喷口附近的水温也非常高，即便有海水冷却也往往在60℃以上；到处弥漫着毒性很强的硫化氢，海水的pH值只有3.0左右，酸性比得上白醋了。
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但热液喷口并没有变成生命的禁区，珊瑚、海绵、贝类和各种各样的环节动物挨挨挤挤地生长在这里，就像向日葵花盘上的种子那样密集，尤其是那些两米多长的巨型管虫，它们舒展着鲜红的鳃，一簇簇地聚集起来，好像节日里的花束。虾蟹、海星与海螺就爬上去到处又啃又舔，这又引来了更加机敏的深海鱼和章鱼——这生机勃勃的景象丝毫不逊色于阳光下的热带雨林。II
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图1—10 2012年调查的位于南大西洋底的黑烟囱，表面覆盖着各种生物，白色线段表示1米。（图片来源：RogersA.D.、Tyler P. A.、Connelly D. P.、Copley J. T.、James R.等）
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图1—11 东太平洋海隆上的黑烟囱，那些密密麻麻的红色管状物就是巨型管虫（Riftia pachyptila）。（图片来源：NOAA）
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这就是那令人震惊的事情了。常言道，“万物生长靠太阳”。在我们熟悉的世界里，没有阳光就没有光合作用，也就没有氧气和各种有机物，就没有生命的繁衍生息，但这深渊之下的热液喷口没有阳光，漆黑一片，又是什么维持了生命的繁荣呢？当然，上层海水里的氧气仍然能够扩散到这样的深度，虽然浓度极低，对于代谢缓慢的动物也姑且够用了，但是，它们又该吃什么呢？
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吃化能自养的微生物。
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黑烟囱的热液中富含甲烷、硫离子、亚铁离子、氨还有二氧化碳，而生活在烟囱附近的微生物，就会利用这些物质，构造各种各样千奇百怪的氧化还原反应，获取能量，制造有机物——我们先不用在意那是怎样一些氧化还原反应，将来我们会陆续遇到其中最重要的几个。III总之，小动物吃微生物，大动物吃小动物，一个令人惊叹的深海热液生态系统就这样建立起来了。
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生命的起源：所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的？ [:1700256275]
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·铁、硫与晶体·
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这实在是耐人寻味的事情：先忽略掉那些小动物、大动物，把注意力集中在那些千奇百怪的化能自养的微生物身上。它们生存所需的一切全都来自深海热液，自给自足，封闭得很。而深海热液正是地球板块运动的天然产物，亘古就有。那么，这是不是意味着，在40亿年前，生命起源的时候，最初的生命也同样可以诞生在这样的环境中呢？
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这可不是什么异想天开。首先从环境上讲，40亿年前的地球刚刚冷却不久，热液喷口要比今天广泛得多，普遍得多，也比原始有机汤假说里的电闪雷鸣和紫外线温和得多。更加难能可贵的是，它源源不断喷发出来的矿物质具有丰富的催化活性——铁、锰、锌、铜，直到今天都是所有细胞里最重要的微量元素，与多种新陈代谢所需的酶有关，这些难道就不能在生命诞生前夜扮演类似的角色，促成最初的有机化学反应吗？
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特别是铁的硫化物，也就是把黑烟囱染黑的那类物质。早在1960年，我们就在负责细胞呼吸的关键的酶里发现了铁的硫化物，那是一种硫原子和铁原子聚集成的无机结构。之后，在光合作用、化能合成作用、固碳作用等关键的物质能量代谢中，我们都找到了这样的“铁硫蛋白”，看起来就好像是这些蛋白质都镶嵌了铁硫矿物的碎片。
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于是，在20世纪80年代，德国化学家君特·维希特斯霍伊泽结合已知的化学规律，提出了一个极富启发性的铁硫世界假说，也就是本章的标题“黑烟囱”假说。
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在他的构想里，热液喷口附近结晶沉淀的铁硫矿物就像合成氨工业里的铁触媒一样，能在表面吸附各种小分子物质，催化它们发生各种氧化还原反应，直至形成各种生物大分子。
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第一篇阐述这个假说的论文《在酶和遗传之前的“表面代谢论”》发表于1988年IV，维希特斯霍伊泽可谓详细地畅想了黑烟囱表面的微观世界。在这个世界里，热液中的各种物质纷纷吸附在硫化亚铁的矿物表面上，热液的高温和深海的高压又让这些物质如同跳舞场上的先生小姐，你挽着我，我牵着他，发生了种种奇妙的化学反应。
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在他的推演中，这些化学反应的产物包括：新陈代谢中的关键物质，可以启动周而复始的物质循环，给进一步的生化反应创造条件[4]；长链的磷脂等一类物质在矿物表面聚成薄薄的一层，而且越聚越多，然后像膨胀的墙皮一样起泡、脱落，形成了最初的细胞膜[5]；各种类型的氨基酸，它们既可以缩合成蛋白质的片段，也可以进一步转化成各种含氮的碱基，也就是如今谱写遗传密码的那类物质，当这些碱基在矿物表面连续成串，基因的雏形也就出现了。
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总之，事儿就这样成了，在黑烟囱的硫化亚铁矿物表面上，一切生化反应都能找到雏形。那些铁硫矿作为这一切反应的催化者，也就顺理成章地被生化反应的继承者——细胞，保留了下来，也就是今天的铁硫蛋白。
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黑烟囱假说刚一诞生就比任何一个版本的“原始有机汤”更加详尽、生动地解释了第一个细胞的来源，在之后的四五年里，维希特斯霍伊泽又不断地丰富了这个假说，使它越来越成熟丰满。那些欣赏这些论文的人将它们誉为天才的作品，仿佛从100年后穿越时空回来，点醒困顿中的研究。就连卡尔·波普尔，也就是那个提出“可证伪性是判断一个理论是不是科学的标准”的科学哲学家，也对这个与生物化学结合得更加紧密的生命起源理论青睐有加。[6]
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但亘古的谜题才不会如此轻松就迎刃而解，黑烟囱假说遭遇的难题丝毫不比原始有机汤假说简单。
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