像阿拉斯加，像欧罗巴

哈乔·艾肯跪在阿拉斯加巴罗角附近的冰冻北冰洋上，将温度计插入一根长长的冰管中。他向受冻的卡罗琳·弗雷口述，弗雷停止跺脚，用铅笔记录下数字。附近，亚伦·斯蒂尔用一个巨大的螺旋钻钻孔，凯伦·容格咒骂一个冻住的发电机开关，安迪·马奥尼则驾驶雪地摩托打圈巡逻，以防北极熊。

“卡罗琳，你为什么不切开这个冰芯呢，它会让你暖和起来。”艾肯说，递给弗雷一把小锯子。她把冰切成曲棍球形状的碎片，放入塑料容器中。艾肯戴着红色护目镜，在派克大衣毛边帽子的隧道中清晰可见，他走过去帮助斯蒂尔将一个价值12000美元的设备放入新钻的孔中，测量近五英尺以下的水流。风声盖过了他们的交谈，雪花像丝带一样在冰面上飞舞，一片白茫茫的沙漠向四面八方延伸。

在北冰洋冰冻的楚科奇海上，传感器测量雪深和积雪速度，以及靠近岸边形成的“固定冰”的温度和厚度。

在过去的三年里，艾肯和他的研究团队在美国最北端，冒着刺骨的寒风和偶尔出现的食肉动物，深入探测冰层的最微小细节。他们的发现以一种完全陌生的视角揭示了北极。首先，它充满了生命。即使在冰层最坚硬的部分，在低至零下4华氏度（已知有活跃生物存在的环境中，这是最冷的温度）的温度下，细菌和硅藻也安然地生活在微小的盐水袋中。它们的细胞似乎通过附着在沉积物碎片上或通过分泌一种粘液来存活，这种粘液可以防止冰晶刺穿它们脆弱的细胞膜。一些盐水袋是独立的泡泡，但许多通过蜘蛛网状的液态通道网络连接起来，无论冰变得多么寒冷，这些通道都持续存在。这些通道在漫长的冬季为微生物提供水分和养分。

对艾肯和他的同事们来说，这些生存策略不仅本身就很吸引人；它们也为在更严酷的环境中寻找生命带来了希望。巴罗角冰冻的泻湖让人联想到木星的卫星欧罗巴，它似乎在其开裂的冰壳下包裹着一片陌生的海洋。行星科学家们非常希望用机器人探索这些水域，但第一艘登陆欧罗巴的宇宙飞船可能只会探测表面。“如果你是现实主义者，”艾肯说，“我们不会在未来30年内到达欧罗巴海洋的底部。我们对那里生命的了解将来自冰层内部。”而巴罗可能是这个世界上学习如何寻找它的最佳地点。

艾肯以前从不关心遥远的卫星。作为一名冰川学家，他最初在西伯利亚拉普捷夫海的冰层中工作，并在他祖国德国的阿尔弗雷德·韦格纳研究所的冰冻海水水箱中工作。他因对海冰微物理学的细致研究而闻名——特别是温度、盐度杂质如何影响冰的结构。1998年，他去了费尔班克斯的阿拉斯加大学，那里的冰川学家将巴罗作为野外考察点。

“在巴罗，我们可以轻松到达我们的站点，而且我们可以全年进行实验。”身材高大、浅褐色头发的艾肯用平静而带着悦耳口音的声音说道。他正在将弗雷的冰块放入离心机中，以排出盐水，留下一个干燥的孔隙和通道矩阵，他的团队将在费尔班克斯进行分析。这个小型海滨实验室，以前由海军运营，由简朴的金属建筑组成，用于团队的住宿和设备存放。这个地点还提供了另一个无形的好处：伊努皮亚特爱斯基摩原住民深厚的环境知识，他们现在拥有这个实验室。每年春天，伊努皮亚特人都会冒险前往冰层的崎岖边缘捕猎弓头鲸。经验丰富的猎人能够识别每个季节形成的冰的类型，以及冰何时何地会破裂。例如，如果洋流开始在冰下向岸边流动，他们就知道要放弃捕鲸营地，因为冰架很快就会破裂。艾肯说，多亏了这种远见，“我们可以将昂贵的传感器冻在冰中数月，而不必担心丢失它们。”

在巴罗，艾肯与西雅图华盛顿大学的微生物学家乔迪·德明合作。德明最初专注于生活在深海海底的生物，后来加入了北极破冰船探险队，研究冰盖中锁定的细胞。她认为，这两个地方的恶劣条件迫使微生物适应或灭亡。“冰盖融化又重新形成，”她说。“这迫使了进化的选择。最成功的生物不仅能忍受极冷的条件，而且还喜欢它们。”

悬浮在盐水袋中，受到微流的冲击，并由沉积物滋养，一个只有20微米长的藻类细胞可以在低至零下4华氏度的温度下存活。

为了验证她的假设，德明需要在已知条件下，在一年中的不同时间收集大量的冰样本。巴罗的实验室是偶尔进行的破冰船考察的理想替代方案，因此她和艾肯联手了。她的微生物学专业知识与艾肯对海冰结构的见解的结合，对美国国家科学基金会来说具有不可抗拒的吸引力，该基金会在其现已解散的“极端环境中的生命”倡议下资助了他们二人。

该团队于1998-99年冬季在巴罗进行了首次野外考察。当年晚些时候，当艾肯在一次地球物理会议上描述结果时，行星科学家们注意到了。其中特别感兴趣的是伽利略号科学团队的成员，这艘耐用的NASA轨道飞行器自1995年以来一直研究木星及其卫星。“这正是我们认为会发现的那种环境，”科罗拉多大学的罗伯特·帕帕拉多回忆道。“他们正在欧罗巴上较温暖的冰块内部，在应该存在的温度下，发现活跃的群落和充满液体的孔隙空间。”

巴罗的景色超凡脱俗。在晴朗的日子里，空气是如此的纯净，能见度似乎是无限的。冰脊打破了地平线，一片混乱的锐角和令人惊叹的灰色和乳蓝色调。在漫长的春日里，当冰开始融化时，明亮的光晕和幻日环绕着低垂的太阳。当研究人员置身于冰冻的海洋上，在浩瀚的极地天空下时，他们不想去任何其他地方。“我完全沉迷于此，”德明说，“科学问题令人兴奋，我发现寒冷非常令人振奋。我思维清晰，感觉活着更好了。”

尽管如此，巴罗冬季和早春的气温在0°F到-40°F之间，风势无情。厚重的靴子和多层防护装备必不可少，但繁重的体力劳动会消耗体热，使内层衣物被汗水浸湿。尽管戴着最好的手套，研究人员的手在处理冰、做笔记和操作湿取芯器时仍会感到刺骨的寒冷。一个多风的早晨，安迪·马奥尼花了太多时间用笔记本电脑从几个研究站下载数据，以至于他的指尖几乎冻伤。

要到达大部分野外地点，需要雪地摩托，而前往最远地点10英里的跋涉是一项寒冷的成人礼。乘客们迎着刺骨的逆风疾驰，双臂麻木地抓紧以保持平衡，在颠簸的冰面上滑行。（最暴露的地方——拖在后面的木制设备雪橇上——是为新人预留的。）一把步枪绑在后面，随意地提醒大家留意熊，完成了这次体验。

旅途的颠簸证明了北极的不断动荡。“北极海冰是一层薄薄的覆盖物，就像宣纸一样，”巴罗老兵、华盛顿大学的海冰物理学家汤姆·格伦费尔说，“它有美国那么大，大约2500英里宽，但只有10英尺厚。看似坚固的冰是一个脆弱的连续体，被风和洋流推来推去。它是一个巨大的引擎，一个极其动态的系统。”

从阿拉斯加巴罗附近的一个苔原湖取出的冰芯，晶莹剔透，相对贫瘠，因为它们几乎是实心冰。

“这就像实时板块构造，”格伦费尔的同事，美国陆军寒区研究与工程实验室（CRREL）的地球物理学家唐·佩罗维奇补充道。“当它在你周围的浮冰上发生时，为什么要等一百万年才看大陆移动呢？”

为了研究该系统的一部分，艾肯和他的研究生们在不同类型的冰上设立了站点：靠近岸边和几英里外的“固定冰”、沿海泻湖和苔原湖。传感器测量冰的厚度、上面的雪量以及移动冰内部的应变消长。数据记录器隐藏在雪堆下的冰柜中，记录访问期间数周的这些数字。金属管保护着从传感器到冰柜的电缆，防止北极狐的啃咬。

每年四到五次野外考察中最珍贵的收获是冰芯。科学家们不得不手摇曲柄将取芯管插入坚硬冰层的日子一去不复返了。现在发电机和电钻可以在几分钟内完成，提取圆柱形冰芯。艾肯从巴罗取出的冰芯大多与高尔夫球洞一样宽，长约五英尺，尽管它们是分段取出的。最冷的冰靠近表面；最暖和的冰靠近下面的水。

这些冰芯有不同的命运。有些被用精密的锯子切片，以重建内部盐水通道的三维模式。“我们有一个优势，就是冰很软，所以我们可以用普通的金属刀片切割它。”艾肯说，“你可以把海冰想象成一种非常接近熔点的岩石。”一台电脑控制的显微镜以数字方式记录切片中的空间，每个切片大约比人头发细10倍。然后程序将数字图像堆叠起来，以呈现三维体积。

艾肯说，结果是连贯一致的。“我们总能在冰中发现液态包裹体，直到我们分辨率的光学极限。我们每立方毫米可以看到数百甚至数千个。无论你细化到多小，总是有液体的可能性。”艾肯补充说，这些口袋通常是相互连接的，即使在最极端的条件下也是如此，形成了一个类似于大脑神经元的精细通道和孔隙网络。

CRREL的材料科学家大卫·科尔说，这些通道沿着冰中精巧排列的晶体边缘延伸，他的巴罗实验室有时也兼作鲸肉和鲸脂的冷藏库。为了展示微观晶体模式如何决定冰的宏观特性，科尔穿上厚重的装备，步行100码来到海上。他与一位冰川学家合作，用一把六英尺长的链锯从海洋中切出两块墓碑状的冰板。当科尔将冰板放在黑布上时，它们的盐水通道像高大而壮观的蕨类植物一样显现出来。盐水通过底部附近粗大的中心动脉排出，那里冰最暖和，晶体最大。随着冰变得更冷更硬，向表面方向，通道分支成更小的侧枝。近表面晶体很小，因为它们在形成时暴露在风和波涛汹涌的水中。科尔认为它们杂乱的排列迫使通道向各个方向分裂。“阳光沿着这些通道像面条一样穿过冰层的方式，”科尔说，“与藻类大量繁殖的位置有很大关系。”

每年春天，当光照充足足以刺激藻类生长时，藻类会覆盖冰层相对温暖的底部。但乔迪·德明和她的学生凯伦·容格对更顽强的居民感兴趣：在寒冷的上层冰中微观通道内度过黑暗冬季的微生物。容格将完整的冰芯带回费尔班克斯，切成拼字游戏块大小的冰块。在那里，她和德明用一种对DNA敏感的染料标记这些生物，这种染料渗透过盐水而不会融化冰。这是科学家首次在不破坏其栖息地的情况下研究冰中微生物。“没有人在这个尺度上观察过冰冻的基质，”容格说，“这是了解它们如何生存的最佳方式。”

那些从海冰中取出的，布满了气泡和盐水网络，其中蕴藏着生命。这些气泡大约0.1毫米宽。

这些微生物往往栖息在通道内的微小凹陷处，或两三个通道的交界处——就像由狭窄的馈管连接起来的微型鱼缸，每个鱼缸里有一到多个生物。它们主要是细菌和硅藻，大小可达它们临时住所的一半。“我很惊讶在冬季最严酷的时候，在冰层上层发现了这么多微生物，”德明说，“但我们确实发现了很多。即使是非常寒冷、坚硬的冰也含有可以并且确实支持生命的小湿区。”

从微生物的角度来看，盐水具有蜂蜜般的稠度，并以微电流流动。为了不被冲走，微生物附着在过大而无法通过通道的沉积物团块上。“冰中有很多粘土矿物，它们提供了巨大的表面积，”亚伦·斯蒂尔说，“它不是单一的颗粒，而是数千个表面非常粗糙的颗粒堆积在一起。”

斯蒂尔在他分析的冰芯中发现，泥土的含量是生物材料的10到100倍。他认为大部分沉积物来自强风搅动海底或泻湖底部的泥沙。冷空气导致海水中形成冰晶。当冰晶漂浮到水面时，它们会收集沉积物。然后，漂浮的冰晶冻结在一起，将捕获的沉积物颗粒困在冰盖中。对微生物来说，这些沉积物相当于快餐——富含溶解的碳和其他营养物质。附着在这样的天赐之物上，它们可以度过冬天，直到春天解冻将它们释放。

欧罗巴大部分的冰可能也蕴藏着同样的泥泞希望。与小行星或彗星的碰撞将碎片散落在表面，木星和火山卫星木卫一将粒子抛洒到太空中，其中一些被欧罗巴捕获。目前尚不清楚欧罗巴的深海是否足够活跃，能将沉积物从下方搅动到冰中。即便如此，斯蒂尔和容格的结果也为未来的任务提供了一种可能的方法。“如果我们确实要在其他卫星和行星上寻找生命，我们应该在有大量粒子的地方寻找，”容格说，“那些是支持活跃和多样化群落的环境。”

如果沉积物稀少，欧罗巴的生物可能会依赖北极冰中另一种常见的生存策略：它们可能会产生德明所说的“黏液”，相当于细菌的感冒。这种物质的专业术语是“细胞外聚合物”，或EPS——当受到极度寒冷或营养缺乏的触发时，它们会从细胞中排出，形成保护性鞘膜。“一些细菌培养物会产生如此多的EPS，以至于你可以把试管倒过来，它也不会流出来。”最近在德明手下完成博士后研究的海洋学家克里斯托弗·克雷姆斯说。克雷姆斯补充说，EPS是一种很好的粘合剂。它甚至可能让微生物像海葵一样粘附在盐水通道壁上，随着水流漂过，扫荡其中的营养物质。

德明和克雷姆斯认为，一旦微生物在冰中找到空间，它就会分泌EPS来填充其孔隙，以应对即将到来的冬季。“温度下降，盐度上升，营养物质耗尽，冰从四面八方逼近，”克雷姆斯说。“产生EPS是它们求生的绝望尝试。最大的威胁不是来自温度，而是来自会破坏细胞膜的冰晶。”克雷姆斯说，这种黏液是一种防冻剂，使咸盐水在令人惊讶的低温下保持液态。

EPS中的多糖链具有明显的生物学特征——目前已知没有无机过程能够生成它们——然而它们会通过盐水通道扩散并长时间保存。这可能使它们成为欧罗巴上生命的理想指标。“你更有可能找到这些化合物，而不是生物本身，”克雷姆斯说，“这就像啤酒中的酒精。它是产生酒精的过去生命的指纹，但生命本身已经消失了。”德明希望这些可能性将有助于塑造未来的欧罗巴任务。她说，在将探测器送入太空之前，任务规划者最好确保他们的仪器能够探测北极冰或类似地方的生命。“这就像我们能亲身踏足欧罗巴表面一样。”

如果北极冰是欧罗巴表面的一个良好模型，那么欧罗巴将是一个活跃的地方。事实上，当伽利略号在1996年首次拍摄到欧罗巴的详细图像时，裂缝、山脊和巨大的冰块看起来诡异地像地球上北极海冰的航拍图。然而，研究人员尚不清楚欧罗巴的冰层厚度是数英里还是仅仅一两英里——而这种差异可能决定了在那里寻找生命的难易程度，如果生命存在的话。

左图：当海冰薄片在交叉偏振滤镜之间拍摄时，其晶体呈现不同的深浅，方向与冰的生长方向一致。上图：类似的图案以更大的尺度破裂了欧罗巴冰冻的表面。冰壳被挤压成巨大的冰板——这里最大的冰板大约八英里宽——这可能是强大的、无情的潮汐构造弯曲的结果。来自木星的这种引力推拉也可能加热数英里以下广阔的海洋。图片由NASA/JPL提供

罗伯特·帕帕拉多认为冰层相对较厚但并非静止不变。伽利略号拍摄的月球表面图像显示出圆顶、坑洞和斑驳区域，看起来像是从下方向上隆起。这些特征表明冰壳至少有10英里厚。温暖冰块（温度高达14°F）可能会向上渗出并部分融化上覆的冰。“这就像一个行星熔岩灯，”帕帕拉多说。伽利略号的测量结果还表明，类似泻盐的矿物质可能混入冰中。帕帕拉多说，有盐的地方就有盐水，有盐水袋的地方就可能有生物，就像北极一样。

欧罗巴每85小时围绕木星旋转一周，其表面和内部受到木星以及另外两颗最近的卫星木卫一和木卫三巨大潮汐引力的扭曲。潮汐使冰上下波动约100英尺。根据亚利桑那大学图森分校的伽利略号科学家理查德·格林伯格的说法，这种弯曲导致了欧罗巴表面布满扇形裂缝。但格林伯格认为，这些裂缝只能在最多几英里厚的冰层中形成。“我们认为裂缝到达液体，潮汐的张开和闭合会将冰和泥浆挤压到表面。”他说。如果是这样，来自欧罗巴海洋富含营养的盐水可能会定期渗透到冰中，形成“可以持续数千年”的生命生态位。

哈约·艾肯满足于将这场争论留给行星科学家们：他为欧罗巴的存在这一简单事实而欣喜。“有一颗完全被冰覆盖的卫星在那里，”他说，“如果你是一位冰川学家，那就是你的晨星。”当这颗星最终升起时，它可能会预示着我们对其他地方生命的认识开启一个新时代。

欧罗巴在南极“对于欧罗巴，没有[单一的]地球类比。”哈约·艾肯说，“我们需要研究许多环境，而不仅仅是北极冰。”一些行星科学家对南极腹地附近的沃斯托克湖特别兴奋。沃斯托克湖大约有安大略湖那么大，位于两英里多厚的冰层之下。该湖与大气隔绝了长达3000万年，可能含有地球上最原始的水域。尽管如此，生物学家仍然怀疑细菌在其深处繁衍生息。热量和富含矿物质的流体甚至可能通过其崎岖湖底的裂缝渗入湖中。

沃斯托克湖的水比欧罗巴更容易接近，但科学家们尚未对其进行取样。当他们这样做时，沃斯托克湖可以作为测试平台，为欧罗巴设计一个机器人探测器。这样的探测器必须穿透数英里的冰才能到达其下方的海洋，然后寻找微生物，而不会先用地球上的搭便车者污染水域。无论是在地球还是任何其他天体上，这都是一项艰巨的挑战，可能需要数十年才能实现。—R.I.

火星上的盐水生命？与巴罗的研究人员一样，美国国家航空航天局（NASA）天体生物学家克里斯托弗·麦凯在低至零下4华氏度的温度下发现了活跃细胞。但他是在西伯利亚发现的，而不是在阿拉斯加。他认为它们不是欧罗巴生命的替代品，而是火星极地地区的替代品。

西伯利亚的永久冻土含有被极薄水膜覆盖的尘埃颗粒。麦凯和他的俄罗斯同事发现，这些水膜为微生物提供了栖息地，并允许它们在营养匮乏的状态下生长。“它们不是冻结的；它们是饥饿的，”麦凯说。同样的场景可能发生在火星两极附近的地表，那里冰和泥土也混合在一起。

与此同时，火星全球勘测者卫星的图像强烈表明水可能存在于地下更深处。“如果火星上有液态水，那一定是盐水，”麦凯说，其中一些水可能存在于像北极那样的冰穴中。检验这一假说应该比向欧罗巴发射探测器容易得多：毕竟，火星只有一个星球之遥。— R.I.