海底火山巨型羽流可能将顽强生物带过海洋

一些臭名昭著的陆地火山的图片描绘了火山灰和碎屑滚滚而出的云团，最终充满天空，并像雨水一样落在我们周围。在水下，一些火山以类似的方式喷发——产生超热液体和气体的巨型羽流，这些羽流穿过地壳向上喷射，并将碎屑散布到周围的海洋中。

虽然这种现象在陆地上得到了很好的研究，但第一个所谓的海底巨型羽流直到 1986 年才被发现。从那时起，它们如何精确作用并影响其环境，在很大程度上仍然是科学家的难题。

在上个月发表于《自然》杂志的一项研究中，利兹大学的研究人员利用太平洋火山灰沉积的详细地图，模拟了附近海底火山形成的巨型羽流。他们的分析表明，排出这些物质所产生的热量传递大约为一万亿瓦——约为同时为美国供电所需能量的两倍。

巨型羽流似乎起源于地壳之下，抽取超热流体和气体并将其释放到周围的海洋中。这种喷发可能会扰乱生活在地壳下热液系统中的细菌和其他微生物群落。

这些微小的生命形式被称为极端微生物，因为它们能够生活（并茁壮成长）在温度高达数百摄氏度、含有高浓度对许多其他生命形式有毒的化学物质的环境中。

一些科学家认为，地球上最早的生命形式就起源于这种极端的海洋条件，远早于地球表面变得宜居。研究这些生物目前在海洋中生活和移动的方式可以帮助我们了解地球上生命是如何形成的——以及它在太空中可能如何存在。

“这些生命形式不受太阳能量的控制，它们受岩浆能量的控制，”利兹大学地球物理与构造研究所的火山学家和地球化学家、该研究的合著者戴维·弗格森 (David Ferguson) 说。他的工作“揭示了火山活动在地质，甚至可能是生物学上，在地球演变中的作用，”他说。

寻找海洋火山

水下火山活动相当普遍。事实上，根据NOAA的数据，地球上大约四分之三的火山活动都发生在深海之下。但这些喷发通常发生在海面以下两公里处，研究它们极具挑战性。海底地图相对较少，水下火山活动对科学家来说仍然是难以捉摸的。

华盛顿大学海洋学学院的海洋地质学家、海底地震和热液喷口专家黛博拉·凯利 (Deborah Kelley) 说：“问题在于我们几乎从不知道这些巨型羽流何时形成，因为在世界许多地方，我们没有任何方法可以探测到它们。”

由于没有人真正观察过喷发的巨型羽流，科学家们不确定它们究竟是如何开始的。一种可能性是：岩浆喷涌而出，将周围的海水加热到足以产生羽流效应。但利兹大学的研究人员表示，火山产生如此大量的岩浆是不现实的。因此，更有可能是地壳下的热液流体被向上推，从而形成了这些羽流。

利兹大学数学学院的流体动力学家、该研究的合著者萨姆·佩格勒 (Sam Pegler) 说：“我们发现它规模如此之大，以至于无法通过纯粹的表面岩浆加热机制来真实地解释，这表明它实际上主要由地壳流体组成。”

与此同时，科学家们几十年来一直知道生命可能存在于热液喷口附近。1977 年，研究人员对加拉帕戈斯裂谷进行了一次深海探险，在那里他们首次发现了热液喷口，其中富含化学物质的热水滋养着一英尺长的蛤蜊和巨大的管状蠕虫等生物。

自加拉帕戈斯发现以来，科学家们已经发现了数百种不同的热液喷口，它们是极端微生物的家园。一种被称为“黑烟囱”的喷口，可以将热液从海底向上喷射 500 多英尺，然后扩散开来并重新沉降。另一方面，巨型羽流可以将物质喷射到一英里以上。

“巨型羽流的不同之处在于，它们涉及这些储层的大量清空，你可以将它们视为一种冲刷热液系统的方式，”弗格森说。

研究人员推测，一些从地壳下流出的流体可能含有极端微生物。华盛顿大学的一位研究人员对 2015 年俄勒冈州海岸轴海山喷发出的流体进行了采样，并将其与周围海洋进行了比较。她发现热液系统泄漏的水中存在微生物证据，这表明这些生物可以通过巨型羽流液体传播。

凯利表示，这项研究和随后的研究“明确”表明，微生物群落存在于大洋中脊的深层生物圈中，并且巨型羽流可以将它们连根拔起。

然而，这些生物在新环境中生存的难易程度仍不清楚。当热液系统喷发时，宿主水可能会与温度低得多的海水迅速混合。微生物赖以生存的化学物质和气体可能会扩散或改变：例如，氢是一种对许多地下微生物至关重要的能量来源，在引入海水后一天内就会氧化。

一旦巨型羽流将这些生物体排挤并使其在海洋中流淌，它们能否在旅程中存活下来尚不确定。一些科学家推测，它们可能会在一个合适的环境中定居并重新建立自己。但这种可能性需要进一步研究。

“[巨型羽流]是非常短暂的——它们可能以惊人的速度形成，并夹带海底以下的微生物。但这些生物需要营养、化学物质、气体和温度，而这些在背景海水中是不存在的，”凯利说。

地球生命起源的故事仍然困扰着科学家。但谈到将早期生命形式传播到整个海洋，巨型羽流可能发挥了关键作用。佩格勒说，巨型羽流比黑烟囱系统更能将生物物质扩散到整个海洋，这“更合情合理”。

随着技术进步，例如使用水下光纤电缆和自主水下航行器，巨型羽流可能变得不再那么神秘：科学家可能很快就能预测并直接观察巨型羽流。佩格勒说：“这种通风形式——这种快速撤离——实际上可能很常见。它发生的频率可能比人们想象的要多。”