塔利斯·昂斯托特第一次冒险进入地下时，他与几十名南非金矿工人挤进一部电梯，下降了一英里进入一个名为姆波能（Mponeng）的矿井。他的目标是：寻找在酷热、恶劣的岩石中生存的奇异而顽强的微生物。昂斯托特受训成为一名地质学家，早年致力于研究地壳——直到1993年他听到一次关于细菌群落在地表以下数千英尺处生存的讲座。从那时起，他进行了数十次深层考察，有时自费，并发现了在地表以下两英里多、140华氏度高温下生存的细菌。通过调查这些恶劣环境中的微生物，昂斯托特正在收集关于生命如何在地球炎热、混乱的早期阶段起源的线索——以及它在其他世界上可能是什么样子。甚至他的办公室也在地下，位于普林斯顿大学地质学大楼的地下室，昂斯托特在那里会见了《探索》杂志记者瓦莱丽·罗斯。
1996年，您第一次到地下寻找生命时，对一切都一无所知。那次旅行是怎样的？矿工们带我去了采场，就是他们开采黄金的隧道，去采集岩石样本。我们正在寻找一个只有几毫米厚的有机岩层，里面含有大量的碳，因为我们认为碳含量高的地方是寻找生命的好地方。采场有一米高，倾斜角度很大，所以你几乎像滑梯一样滑下去，从一个隧道进入下一个。我基本上是滑进了一个兔子洞，拿到了一大块岩石。我把它放进一个高压灭菌袋（通常用于消毒设备），塞进我的背包，然后我继续往采场深处走，直到我从底部出来进入另一个更深的隧道。
您如何处理收集到的样本？我们测量了岩石的放射性。盖革计数器显示它像手枪一样“烫”，所以我们把它密封在一个钢罐里，并用氩气充满罐子，将所有氧气排出。生活在深处的生物通常不接触氧气，事实上氧气对它们来说可能是有毒的。所以我们密封好岩石，直到把它带回实验室。我把这个装在钢罐里的放射性岩石作为行李托运上了飞机。那是1996年。机场安检不像现在这样。
当您在实验室分析样本时，您发现任何生命了吗？我们发现了一种细菌，类似于之前在新墨西哥州温泉中发现的一种。但令人惊讶的是，这种特殊的细菌能做其他温泉生物不能做的事：还原（即向）铁（矿井岩石中丰富的矿物质中存在）和铀（矿井水中可溶性化合物的一部分）。这帮助我们了解了它们如何获取能量。
接着，您在其他南非矿井中又有了更令人费解的发现——例如，发现的微生物与之前仅在海底见过的相似。没错。我们1998年又回到了南非，这次去了位于约翰内斯堡西南约40英里处的德里方丹矿，并采集了水样，水样比岩石更容易处理，也不太可能被污染。我们开始发现与人们从深海热液喷口（地壳深处炽热的富含矿物质的流体通过火山岩流入海洋的地方）报告的相同的生物。我们不知道相同的生物是如何同时出现在这两个地方的，因为南非地壳在25亿年里都没有接触过海水。这是一个非常大的谜团。我们公布了数据，美国国家科学基金会给了我们更多的资金，让我们在2000年再次前往。
您在南非的第三次深度探险发生了什么？下一次，我们在金矿附近的一个村庄买了一所房子，并在那里建立了一个半永久性实验室。两年多来，我的实验室和其他六个机构的轮换团队收集了我们至今仍在研究的大部分样本。我们做的一件事是扩展了我们的首次发现，并研究了更多放射性样本。我们开始形成一个想法，即岩石中的辐射为微生物提供能量。无论我们在哪里发现辐射，我们都倾向于看到氢气形成。这让我意识到辐射应该通过破坏水键来产生氢。氢是细菌制造ATP（它们用于能量的分子）所需的关键成分。
我们发现了一种完全自给自足的细菌，一个单一物种的生态系统。这种事情不应该存在。”
这太令人惊讶了，因为我们通常认为放射性是致命的——但这些生物实际上是靠辐射生存的？嗯，不仅仅是辐射，而是辐射、水和岩石，这些就是维持深层生命所需的一切。你不需要光、食物或地表上的任何其他东西。此外，它还是一种可再生能源。它将水转化为氢气和过氧化氢，这有助于制造生物体消耗的金属。这就像给电池充电一样。辐射不断为细菌充电，然后细菌就会做它们的事情。这些细菌就可以维持其他深层生物的生存。这项发现对美国宇航局（NASA）来说非常重要，因为你可以想象太阳系中任何地表下有液态水的星球——比如木卫二（Europa），很可能——也会有供生物体生存的能量。
我们能在实验室观察到这些生物的活动吗？经验法则是，当你回到实验室时，你只能培养出实际存在在那里的生物的不到0.1%。我们尝试了各种方法来培养它们，给了它们各种我们认为它们可能需要的营养，但我们都失败了。
既然您无法培养在深处发现的细菌，那您是如何了解它们的功能的呢？我们转而研究它们的DNA，我们从水中过滤出DNA，以确定这些生物在其他微生物生命中处于什么位置。
塔利斯·昂斯托特在南非一些最深的矿井中挖掘微生物时，必须戴上头灯和防护装备。| 摄影：杰西·迪特马尔
如此深的地下生物，依赖如此少的资源，它们的生存肯定非常有限，对吗？由于那里细胞的数量很少，大多数人认为它们只能勉强维持生存，是能力非常有限的生物。但事实证明，这完全错了。我们对**勇敢的脱硫杆菌**（Candidatus Desulforudis audaxviator）进行了全面分析，这种生物我们在南非不同矿井的最深处反复发现——从未在2公里（1.2英里）以上——它构成了我们某些样本中99.9%的DNA。这种生物拥有一切。它可以直接从环境中获取氮，这是我们不期望地下生物能做到的，因为它需要消耗大量能量。但真正的惊喜是它拥有鞭毛基因，鞭毛是细菌用来推动自身移动的尾巴，这基本上意味着它可以在环境中游动。它有气体囊泡基因，这意味着它可以在环境中调节浮力。它还有化学感受基因，这告诉我们它正在感知某种东西。基因组表明它是一种非常适应性强的生物，并且具有移动能力。地下生物可能四处移动并与环境互动——这真是令人惊讶。基因组中唯一表明这是一种地下生物的线索是它没有氧气防护。一旦接触空气，它就会死亡。
这种微生物会与深层其他物种互动吗？**勇敢的脱硫杆菌**（Candidatus Desulforudis audaxviator）完全自给自足。它有自己的能量来源——辐射。它包含了它生存所需的一切，不需要其他生物的任何东西。我们几乎单独发现它这一事实告诉我们，它是一个单一物种的生态系统。这种事情本不应该存在。我们认为所有生物都依赖于其他生物，但这种生物并非如此。我们发现了一种全新的生存方式。
除了细菌，您还发现了更复杂的、多细胞生物，生活在地下1.5公里处——将近一英里深。它们是什么，您是如何找到它们的？2006年，我接到比利时科学家盖坦·博戈尼（Gaetan Borgonie）的联系，他曾在中美洲的洞穴中发现微小的线虫。在他联系我之后，我才想起在南非的一个矿井里，我也曾在生物膜（由细菌组成的粘稠物）中见过蠕虫。所以我们一起深入南非的矿井采集生物膜样本。结果发现，矿井里的生物膜里到处都是它们。这种线虫大约有1000个细胞，所以它不算大，但即便如此——我从未想过会在这么深的地方发现它。
您迄今发现的最深生物来自地下3.8公里（2.4英里）——这是目前为止可能探索到的最远深度。生命还能深入多少？在姆波能矿（Mponeng mine），一家公司正在钻探一条隧道，以在地下五英里半的地方寻找黄金。黄金价格如此之高，对他们来说，这在经济上是可行的。对我们来说，我们想，“太棒了！”越深，越热，越好。那么深的地方，温度将达到90摄氏度，大约195°F。这几乎要沸腾了。这是一个显著的深度增加，我们很高兴能看到未来几年会发现什么。
深入地球如此之深，将告诉我们关于地表生命和进化的什么信息？我们试图了解生物圈（地球上所有生命）的底部是什么样子。如果DNA生物能深入到如此深、如此高温的环境中，我们想找到它们；如果不能，我们想了解原因。如果没有DNA生物，那么是否可能存在其他类型的生物，以非常小的浓度存在？可能存在一种影子生物学——非常非常原始的生物，它们可能在地球早期就存在了，但随后被DNA生物完全取代了。
到目前为止，您只谈论了炎热的环境，那么极端寒冷的环境呢？太阳系中我们正在寻找生命的许多地方，如火星，都非常寒冷。您在地球上探索过类似的低温环境吗？火星表面有很厚的冰冻圈，或者说永久冻结的岩石层。所以我们去了加拿大努纳武特地区高北极永冻层深处的一个金矿。这个矿有一个螺旋形隧道，向下延伸1.5公里。所有的暖空气从下面上升，一碰到永冻层，即地面永久冻结的地方，空气中的所有水分都会结晶，你会看到巨大的雪花，有几英尺宽。到处都是冰柱和冰笋。它看起来就像超人的避难所。很容易想象火星上可能也有类似的地方。我在这些冰洞中恍然大悟：如果你去火星，这就是你想探索的环境；把你的探测器送进洞穴，四处看看。那里有水分。这些环境有足够的空间供生命生存。不幸的是，在那个矿关闭之前，我们从未真正有机会探索和寻找那些洞穴中的生命。
我们能在深入火星洞穴之前，就识别出火星上的微生物生命迹象吗？火星的部分地区可能存在季节性甲烷气体。它似乎出现又消失。这意味着发生了不寻常的事情：一定有什么东西制造甲烷，又有什么东西消耗甲烷。问题是，生命形式是否在制造和消耗甲烷？如果生命正在生成和消耗这些甲烷，其化学特征会因为这些生物过程而改变。所以，作为与美国宇航局（NASA）合作的一个项目，我们正在开发一种仪器，希望能够飞往火星并测量甲烷气体的成分。如果发现它正在经历季节性循环并且其成分正在变化，那将是一个非常好的迹象，表明火星上存在某种生命。但无论那是什么，它都将与我们在地球上见过的任何东西大相径庭，因为火星的表面条件对我们所知的生命来说是相当不适宜的。
您也研究过其他极端寒冷的环境，以了解更多关于地球生命的信息。那是什么样的经历？我们去了阿克塞尔·海伯格岛，一个位于北冰洋深处的加拿大岛屿，在麦吉尔北极研究站（又称火星）进行了一些工作。它是世界上最大的无人居住岛屿之一，非常美丽。它拥有巨大的山地冰川，几乎就像一个小小的瑞士阿尔卑斯山，所以与矿井相比，这是一个不错的变化。我们去了那里研究在永久冻土中生活了数千年的微生物。
这些微生物生活的北极地区正在迅速变暖。这可能对地球产生什么影响？人们担心这些微生物会突然活跃起来，开始咀嚼有机物，产生二氧化碳和甲烷。这可能在本世纪后期导致失控的温室效应。我们的任务是尝试了解这是否会发生。我们从岛上收集了40个冰芯。我们正在逐步解冻它们，以研究哪些微生物在做什么，以及哪些气体正在释放以及速度如何。然后我们将其与我们在北极进行实地测量进行比较，看看环境是否与实验室中的永久冻土做同样的事情。许多小组正在北极进行类似的研究。我们还不知道答案，但我们所有人的发现都应该进一步加深我们对未来100年可能发生的事情的理解。
研究这些各种各样的极端、深层微生物，是否改变了您对生命必需条件的看法？我学得越多，就越觉得生命的必需条件非常少。生命能够占据的生态位总是让我惊叹不已。一个地方对我们来说可能看起来很糟糕，但对其他生物来说，那里就是它们的伊甸园。
其他地下栖息地
当昂斯托特在金矿和永冻层中寻找微生物时，其他研究人员正在其他深层位置寻找生命。他们的研究结果正在完善地球地下生态系统的图景。v. r.
1 热液喷口周围 热液喷口，即被岩浆加热的海水通过海底裂缝重新涌出的地方，那里炽热、富含硫磺的水域充满了微观生命。这些细菌在黑暗中，其他地方人烟稀少的海洋深处支撑着复杂的生态系统。牛津大学动物学家亚历克斯·罗杰斯和他的团队探索了南极洲附近东斯科舍海脊一个720°F喷口周围的生命（如图所示）。1月份，他们报告了生活在喷口附近的一系列不寻常动物，包括一只七臂海星、一只“幽灵般的白色”章鱼和一种新的雪人蟹，其腹部覆盖着毛发。
2 海底之下 几个团队目前正在海底之下寻找生命。今年早些时候，南加州大学的地球微生物学家卡特里娜·爱德华兹和她的同事们钻入了大西洋地壳，并安装了小型地下观测站，以监测微生物生命。2010年，俄勒冈州立大学和其他机构的科学家们钻入了辉长岩层——海洋地壳的最深层，靠近炽热、富含矿物质的地幔——发现了一系列能够吞噬未知来源碳氢化合物的细菌。
3 最深的洞穴中 世界上已知最深的洞穴，位于格鲁吉亚共和国的克鲁伯拉-沃罗尼亚洞，向下延伸了四分之一英里。葡萄牙阿威罗大学的生物学家安娜·索菲亚·雷博莱拉，自青少年时期就开始探索洞穴，最近在克鲁伯拉-沃罗尼亚洞寻找稀有的微小生物——这是一项寒冷的工作，因为漆黑深处的温度徘徊在冰点以上。今年，她和她的团队报告在不同深度（从60米到将近2000米，超过一英里）靠近洞穴底部发现了四种新的无眼无翅昆虫。
用DNA绘制深层生命图谱
昂斯托特将他的金矿之旅称为“地下探险”，但在地球深处发现新物种与在非洲大草原上发现它们大相径庭。昂斯托特唯一观察到活动中的物种是线虫；他能看到它们在显微镜下蠕动，并对它们百英寸长的身体进行了详细的电子显微镜图像。他还发现了勇敢的脱硫杆菌（D. audaxviator）的细胞，这种细菌构成了他从用于从矿井深处的岩石裂缝中提取水的过滤器中回收的生物的99.9%。昂斯托特用透射电子显微镜对这些细胞进行了成像。但他从未见过任何细菌移动，也从未在实验室中培养它们。相反，他研究的绝大多数是DNA痕迹。勇敢的脱硫杆菌提供了足够的遗传物质来获得该物种的完整基因组，使昂斯托特能够确定该生物属于一个自我维持的生态系统，并且能够感知其环境。在其他情况下，他发现了其他物种的游离遗传物质片段——他表示，这足以表明每一种物种都深藏在矿井中，并且主要存在于发现它的裂缝中。“当你从一个裂缝移动到下一个裂缝时，”昂斯托特指出，“微生物物种会发生变化。”
