地质学家T.C.安斯托特在南非东德里丰坦金矿地下两英里深处，冒着100华氏度的高温，脱下衬衫，与生物学家杜安·莫泽一起采集微生物样本。科学家曾认为生命无法在如此深的地下维持，但安斯托特表示，现在的证据表明“微生物已经在这里存在了20亿年。”
四名身穿连体服、头戴安全帽的科学家小心翼翼地挤进一个衣柜大小的钢笼，与十几名矿工紧紧靠在一起。门哐当一声关上，电梯猛然下坠数百层，坠入南非东德里丰坦金矿的五号竖井的黑暗中——仿佛底部掉了下去。不一会儿，空气变得压抑——又热又奇怪地浓稠。这是世界上最深的挖掘之一，深入地心超过两英里。在矿井底部，来自地核的放射性和热量使隧道中的岩石温度高达令人灼热的120华氏度，大气压是地表压力的两倍。氧气在地下如此深的地方很少自然存在，只有来自地表的持续强制送风才能驱散从岩石中渗出的有毒甲烷和氢气。泵入的水流有助于防止工人慢慢被热死。
氧气在如此深的地下不会自然存在，只有来自地表的持续强制送风才能驱散从岩石中渗出的有毒甲烷和氢气。泵入的水流有助于防止工人被热死。
电梯下坠时，一名矿工打开头灯，露出地质学家T. C. Onstott脸上的汗珠。这位普林斯顿大学教授并不害怕。他从背包里拿出水瓶，慢悠悠地喝了一大口。对他来说，热量和幽闭恐惧症只是恼人的小事。这里真正的担忧集中在委婉地称为地震事件的问题上。每天都有大量的岩石从矿井中拖出，导致周围的地球频繁重新沉降。由此产生的地震引发岩爆——高压塌方，造成死亡。
在这个地狱般的地方，日常工作需要极强的韧性和适应能力，很少有人能做到。但在矿井深处，有一些生命形式甚至更顽强：Onstott和他的同事们前来研究的奇异微小生物。“如果我在下面感觉还不错，那对这些小虫子来说可能也没那么糟糕，”他笑着说。
东德里丰坦矿位于南非豪登省约翰内斯堡约45英里处。在塞索托语中，豪登的意思是“黄金之地”。
不久前，在如此深的地方发现生命的想法，被认为比在其他星球上发现生命的可能性还要小。生命曾被认为在坟墓深处一点点消失。一撮表土中可能存在十亿个细菌，但生物学家发现，随着他们离太阳、空气和食物来源越来越远，样本中的细菌数量下降到数百万，然后是数千，再然后是数百。而在过去十年中，研究人员深入挖掘并使用新的分析技术，惊讶地发现了大量的未知微生物。
这些生物与地表隔绝了亿万年，一直生活在被认为不可能存在的环境中——油井、含水层和深层岩石中。有些甚至在放射性岩石或200华氏度的温度下也能茁壮成长。它们不仅不依赖地表世界的有机物，而且最深层的微生物以铁、锰和硫等地质成分为食，呼吸这些成分，可能还包括氢气。它们可能会留下大量的金属矿藏——包括铜和金——以及甲烷等天然气。目前已培养出11,000多种新的地下细菌菌株，但只有少数得到了研究和命名。一些研究人员现在推测，地壳下生命的质量可能等于或超过地表生命的质量。一些大胆的科学家甚至思考，来自深层的生物是否可能是我们的祖先。它们的发现也重新燃起了在火星等贫瘠星球表面之下发现生命的希望。
有些微生物在放射性岩石中或200度的温度下茁壮成长
安斯托特是一个沉着、瘦高的男人，笑容和蔼，他很快适应了脚下这个陌生的世界。小时候，他曾敬畏地走过新墨西哥州的卡尔斯巴德洞穴。在20世纪70年代读研究生时，他研究了南非钻石矿的岩石。1994年，他首次认真接触深层生命，当时他与美国能源部的一群科学家合作，分析了德士古公司在华盛顿特区附近挖掘的一口1.7英里深的天然气勘探井中采集的样本。
这个深孔为生物学家提供了他们所见过的最深钻探样本，它的底部是一层页岩沉积物，是一个长期埋藏的湖床遗迹。这口井对德士古公司来说是失败的，但安斯托特和他的同事们发现了其他宝藏——以前未知的厌氧细菌，分布稀疏，每克岩石中仅有一个，在极端盐度和167华氏度的温度下顽强生存。
研究这口井的科学家构建了一个地质历史，表明页岩早在1.6亿年前就可能存在细菌——甚至在地球上开花植物首次出现之前。安斯托特说：“这些细菌可能随着地下水渗透进来。”它们在岩石孔隙中定居，随后形成不透水沉积层覆盖其上，阻止了新的迁徙和营养物质的流动。大约8000万年前，当恐龙还在地面上漫步时，孔隙入口变得太小，甚至最小的细菌也无法进出。安斯托特说，这些细菌自那时起就被困在它们微小的“坟墓”中。在如此恶劣的条件下，细胞变成了活化石，需要数百年甚至数万年才能分裂。科学家们将发现于德士古油井中的一个菌株命名为“地狱杆菌”（Bacillus infernus）。
即使钻探技术取得了进步，也很难从未被地表空气或水污染的油井中获取样本。Onstott决定他必须找到一种方法亲自拜访这些微生物。他选择探索的矿井是一个庞大的人造地下世界的一部分，这个地下世界始于1886年一个星期天的早晨，当时一位澳大利亚探矿者在现在的约翰内斯堡发现了富含黄金的露头。就像一个从被子中探出头的鼻子，那个露头仅仅是开始；自那时以来，已开采的黄金中有四分之三来自该地区。东德里丰坦矿最近的竖井花了15年才挖掘完成——那仅仅是垂直的洞。
在一个临时实验室里，微生物学家斯维特兰娜·科特尔尼科娃使用厌氧箱处理矿石。一些样本被发现含有以甲烷为食的微生物。
为了这次深入生物圈的旅程，安斯托特召集了一支全明星微生物学家团队。他们包括：比尔·吉奥尔斯，他曾领导环境保护局对吞噬有毒废物的地下细菌进行研究；杜安·莫泽，一位实验室奇才和狂热的洞穴探险家；斯维特兰娜·科特尔尼科娃，一位在瑞典工作的俄罗斯科学家；恩维罗基因公司的玛丽·德弗劳恩；以及吉姆·弗雷德里克森，他在太平洋西北国家实验室工作期间分离出了许多深层细菌培养物。
在东德里丰坦，安斯托特和他的队友们将花费三个月的时间，在以前没有微生物猎人涉足过的深度收集样本：五号竖井底部深达11,222英尺。在这次侦察任务中，电梯在6,120英尺处戛然而止，研究人员穿过一条短隧道，来到第二部电梯，这部电梯将他们带到矿井最新、最深的挖掘点。在第二次电梯下降过程中，空气中弥漫着淡淡的硝酸铵炸药味。在底部，两名护送矿工马里乌斯·科莱斯克和拉吉·奈尔引导小组乘坐一列迷你火车，穿过黑暗行驶半英里，头顶巨大的风管轰鸣作响。所有人都汗流浃背，甚至包括矿工。“我不敢相信我流失了多少体液，”安斯托特后来回忆说，“我的靴子里全是汗水。我能感觉到每走一步，汗水都拍打着我的胫骨。我不得不不断地从手套里倒出汗水。”
深层饮食
生物学家在矿井裂隙水样中发现了多种细菌。
深层生物圈的生物体惊人地适应了其世界的恶劣生存条件。正常的表层原生动物以细菌为食，其大小可能是猎物的十倍。在地下深处——可利用的食物量仅为地表食物量的1%或更少——原生动物的大小可能与它们的受害者几乎相同。生活在更深处的细菌本身比其地表亲缘要小得多，而且很少有土壤微生物那样的花哨芽孢、附肢或螺旋形状。大多数都是高效、耐受的球形和杆状。
靠近地表的沉积岩包含相互连接的空间，供水渗透、细菌生长和移动，以及曾经在地表的死亡植物和藻类残骸——许多生物的明显食物来源。这是先到先得的饮食。上层生物抓住最易消化的化合物，留下下层生物争夺残羹剩饭，包括来自上层生物的废物和腐烂产物。保护地下微生物的孔隙空间在数亿年来被进一步沉积、火山喷发或地壳大规模褶皱掩埋的变质岩中缩小到几乎消失。而由熔融形成的致密结晶物质——基性火成岩——几乎不提供栖息或进食场所。但火成岩是脆性的，在地表几千英尺之内，它会形成充满水的水力裂缝系统，地下水中的营养物质和微生物可以通过这些裂缝系统传播。流体可能需要数万年才能到达某个地方，在这些狭窄的通道中，生命得以扎根。——K. K.
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第一层：（棕褐色）矿井岩石的最上层是安山岩，压入石英岩页岩和石英岩层。第二层：（蓝色）散布在厚层白云岩中的含水层，截留了通过裂缝从地表渗入的水。第三层：（棕色）在矿井较深处，竖井和隧道穿过坚硬的安山岩层。第四层：（黑色）微生物猎人在这层碳质先锋层中发现了宝藏，这是一条嵌在古老石英岩中的金矿脉。一个埋藏宝藏的世界：东德里丰坦金矿深入到一条29亿年前海底埋藏斜坡上的富矿脉。微生物猎人乘坐电梯前往一条铁路隧道，当他们接近目标：碳质先锋层时，隧道变成了狭窄的爬行空间。这条布满砾石的矿脉富含黄金，以及以岩石中的矿物质为食的细菌。
火车停在一个漆黑的洞口：采掘工作面。科莱斯克带路。通道以陡峭的角度向下倾斜；许多地方的天花板只有3英尺高，迫使每个人都用手脚爬行。尖锐的碎石覆盖着地面，用于喷洒岩石的冷却水管中的水潺潺流过。
采矿面挤满了矿工，他们的头灯穿透水汽和灰尘的混浊。钻头、锯子和风镐的轰鸣声震耳欲聋，必须使用手势。在一片混乱中，科学家们找到了他们的目标：一条黑色的煤状矿脉，上面镶嵌着圆形石头和闪闪发光的细丝。这条富含矿物质的矿脉被称为碳质先锋层。它通常不超过一指宽，夹在古老的石英岩中，富含铀，并蕴藏着极其珍贵的宝藏：黄金。
没有人确定碳质先锋层是如何形成的。它可能是古代海底藻类沉积的遗迹，也可能是地下裂缝中喷出的石油。无论如何，这种岩石结构富含碳化合物，对微生物可能具有营养价值。
1995年，美国能源部汉福德保留地的一个研究小组发现了一些以岩石为食的生物，它们从元素矿物能源中获取养分，这有力地证明了微生物可以在更恶劣的环境中生存。这些微生物是从华盛顿州地下4500英尺处火成玄武岩中的地下水中提取出来的。在实验室中，太平洋西北国家实验室的微生物学家托德·史蒂文斯证明，玄武岩可能与地下水反应释放氢气。微生物将水中的氢气与二氧化碳结合，制造有机化合物。它们的主要废物是甲烷——一种长期以来被认为是地表沼泽微生物形成，以及地深处通过非生物化学反应形成的天然气。
科莱斯克喊道：“没有支撑！拉一块下来，墙就可能塌！”
但进食只是等式的一半。像我们一样，一些细菌必须呼吸——将食物与其他物质结合以释放能量。我们的呼吸剂是氧气，是植物光合作用的副产品。氧气在地下稀少，微生物学家发现地下生物能够呼吸惊人的多种替代品：三价铁、硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、铀和二氧化碳。在1996年访问另一座南非矿井时，微生物学家吉姆·弗雷德里克森和汤姆·基夫特发现了一种耐热细菌，它可以吸入铁、硝酸盐、锰、硫、铬、钴或氧气。
在东德里丰坦，安斯托特计划收集更多样本，以验证一个假说：一些深层细菌从岩石天然放射性产生的副产品元素中提取能量。现在，他蹲在碳质先锋层前，伸出手，用盖革计数器触碰矿脉。仪器亮起，他笑了。杜安·莫泽正要从背包里拿出凿子取样，科莱斯克滑过来，在他耳边喊道：“没有支撑！拉一块下来，墙就可能塌！”突然，某个地方的钻机启动了，整个地方像地震一样摇晃。岩石碎片弹向头盔。研究人员继续前进，寻找一个更安全的地方。几百英尺深处，他们发现了一段新开凿的隧道，矿工们正在用钢液压千斤顶顶住天花板。“太好了！”安斯托特喊道，“这意味着这是新鲜的。”
莫泽拿出羊角锤和消毒过的凿子，敲打着易碎的矿石。他把凿子插进去，划出一个拳头大小的碎块，然后把它撬松。碎块落下时，安斯托特灵巧地用一个塑料三明治袋接住了它。莫泽花了点时间喘口气，然后又开始工作。他松动了一块一英尺长、一指深的碎块，然后小心翼翼地把它倒进安斯托特拿着的无菌塑料袋里。
由于通风系统带下来的地表微生物可能会混淆样本，安斯托特想测量它们能渗透到岩石多深。他用喷雾罐向岩石喷洒亮黄绿色乳胶球，每个球都有一个细菌大小，然后喷洒橙色化学示踪剂。因为冷却水喷射可能会将微生物更深地带入岩石，他想模拟这个过程。但他无法用软管接触岩石。于是，矿工们一个接一个地摘下头盔，从水龙头里装满水，然后递给安斯托特，让安斯托特把水泼到喷漆的地方。
珍贵的样本在手，安斯托特和他的科学家同事们阴沉的脸上终于露出了笑容。他们慢慢地爬下采掘面，来到另一条铁路隧道，然后开始徒步走出，几次紧贴墙壁，以避开经过的矿石列车。
当在如此深远的地方遇到生命时，一个问题必须被提出：它是在谚语中的“肮脏地表水池”中开始的，还是在地球的深处开始的？一些进化科学家认为，地下微生物在地球早期历史中具有最佳的生存机会。在地下，它们免受极端辐射、小行星和其他危害的影响。呼吸铁和类似物质的生物可能在地表氧气存在之前就已经进化了。深层甲烷生成微生物的谱系甚至可以追溯到更远。难道包括人类在内的需氧生物不是由它们进化而来的吗？
其影响超越了地球。长期以来对寻找地外生命持怀疑态度的行星科学家们对深层微生物的发现感到 intrigued。早期的着陆器显示火星表面贫瘠。但未来行星着陆任务的一个主要目标是尽快、尽可能深地向下钻探。安斯托特和他的同事们已被邀请协助设计这些探测器。
目前，他们还有一些不那么光鲜的任务要完成。带着碳质先锋层的碎块，小组开车来到一栋铁皮矿山建筑。在那里，莫泽把岩石放入一个充满98%氮气和2%氢气的密封塑料帐篷里，以保护那些可能被我们异质大气毒死的生物。他用帐篷侧面的手套，将一块岩石固定在液压虎钳中，然后泵了几次。咔嚓一声。它干净利落地裂开了。用虎钳，他将岩石削成越来越小的碎片，这些碎片没有暴露在任何一侧的空气中。一块原始的碎片被磨成粉末，用于进行各种现场测试。然后科学家们轮流将其他岩石碎片放入罐子和试管中，运往美国和欧洲的各个实验室。
深层微生物的发现使得科学家对寻找地外生命不再那么怀疑。
几个月后，他们大吃一惊：有些石头每克似乎含有10万到100万个微生物。“这比我们预期的多100倍，”安斯托特说。团队的拖网还包括矿水样本，其中含有比许多地表微生物大六倍的杆状微生物。有些微生物呼吸铁；有些以甲烷为生。另一些可能以辐射分解水分子时释放的氢气为食。安斯托特和他的同事甚至推测，东德里丰坦矿中纤细的金矿脉可能就是由一些深层微生物沉积而成的。
在经历矿井之旅后，安斯托特和他的同事们似乎松了一口气，终于离开了矿井，远离了深处的艰辛。当他们挤在临时实验室的舒适环境中时，天空变暗，一场猛烈的暴风雨骤然而起。雨水从屋顶的裂缝中倾泻而下，夹杂着湿树和泥土气味的狂风从敞开的门中呼啸而过。“地震事件”摇晃着建筑物。似乎没有人介意。
深度思考
托马斯·戈尔德
深层微生物长期以来一直隐藏着，因为很难深入地球，更不用说在那里收集生物样本了。早在20世纪20年代，芝加哥大学的一位微生物学家和地质学家从2000英尺深的伊利诺伊州油井中培养出厌氧（不呼吸氧气）细菌，这是第一次有关于地表深处生命的迹象。怀疑论者说钻头肯定污染了含有地表生物的样本。这项研究被遗忘了。
半个世纪后，生物学家开始在温泉和海底热液喷口中发现微生物，它们竟然能在将近250华氏度的温度下生存。这引起了康奈尔大学天体物理学家托马斯·戈尔德的兴趣，他以其叛逆的理论而闻名。他提出，如果微生物能在超高温环境中生存，那么它们一定生活在地表之下岩石的多孔部分。戈尔德进行了一些计算。在地表之下，岩石的温度每半英里升高20到35华氏度。根据最高可承受温度约为250华氏度，这意味着微生物可以在三英里深处生存。他假设，岩石中的孔隙约占地壳上层的3%，而微生物占据这些孔隙的1%。如果把所有这些微生物都提取出来，它们将覆盖地球表面五英尺厚的黏液——比所有昆虫、植物、人类以及其他一切生物的总和还要多。戈尔德说，对深层生物视而不见，是“表面沙文主义”。——K. K.
