生命科學

南極冰棚下的顛倒世界

低溫、高壓、一片漆黑的深海底,竟有「顛倒眾生」的奇幻世界!一項南極探勘計畫鑽穿數百公尺冰層,獲得的驚人發現,讓科學家重新思考與定義何謂不適生存的極端環境。

撰文/福克斯(Douglas Fox)
翻譯/林慧珍

生命科學

南極冰棚下的顛倒世界

低溫、高壓、一片漆黑的深海底,竟有「顛倒眾生」的奇幻世界!一項南極探勘計畫鑽穿數百公尺冰層,獲得的驚人發現,讓科學家重新思考與定義何謂不適生存的極端環境。

撰文/福克斯(Douglas Fox)
翻譯/林慧珍


南極洲的西部海岸是地球上最荒涼的絕境之一,南極西部冰原所覆蓋的這1000公里長的沿海陸地,是由一連串冰河交錯而成,面積約等同西歐大小,與海洋相鄰。冰河超出所覆蓋的陸地邊緣之後,形成數百公尺厚、向外海延伸數百公里長的平坦冰棚,浮在海面上。這塊冰棚的面積與西班牙差不多,深層洋流可能要3~10年,才能越過如此遼闊的面積,並且把浮游生物從食物及陽光充足的開放海域,運送到那隱沒於冰下多年、冷峻黑暗的海岸線。


2015年1月,祖克(Robert Zook)和10幾位科學家在南極冰原與羅斯冰棚交界的接地區(grounding zone,參見67頁〈就愛這味──冰封百萬年的營養〉)進行冰河探勘,海洋生物是他們覺得最不可能看到的東西。1月16日,研究團隊擠在貨櫃裡臨時搭建的控制室,圍著螢幕。曳引機花了好幾天,才把固定在四架大型雪橇上的這個狹窄貨櫃以及重達500公噸的設備和補給拉到距離冰棚海岸前緣850公里遠的探勘點。他們用熱水鑽頭(hot-water drill)鑽了一個比籃球框稍大的洞,再向下鑽穿740公尺冰層,直達深埋冰下的海岸線,那裡是一個楔形小水穴。然後他們用電纜吊掛一台無人水下遙控載具(ROV),名為Deep SCINI,竭盡所能把它往鑽探井底垂降。


Deep SCINI是祖克東拼西湊、迅速設計並建造而成,能夠承受嚴寒和地底深處高壓,但祖克只來得及在游泳池裡測試。研究人員緊張地看著這台長度兩公尺的細長形機具往冰層更深處持續下降,歷時40分鐘。Deep SCINI前端的燈光閃爍,在鑽探井的冰牆上投射出一圈圈白色波紋,讓人覺得像是通往另一世界的宇宙蟲洞。


當有亮光的鑽探井壁瞬間變成一片空無的黑暗,擠在控制室裡的研究人員不約而同發出歡呼聲──Deep SCINI已經穿越冰層底部進入接地區,抵達冰下10公尺的狹小水域。螢幕上看到的是貧瘠的海床,滿佈岩石、一片死寂,漆黑冰冷的海底,首度呈現在世人眼前。Deep SCINI下探的前幾天,研究人員從洞底採集晶瑩剔透的海水樣本,絲毫看不出生命存在的跡象,當時探險隊的領隊之一、美國北伊利諾大學冰河地質學家鮑威爾(Ross Powell)透過衛星電話與我通話,形容這個接地區「非常不適生存」。


在內布拉斯加大學林肯分校研究自動裝置的研究生伯內特(Justin Burnett)負責操控Deep SCINI,他在觸控板上滑動手指,控制Deep SCINI升起至上方的冰棚底面。在Deep SCINI的燈光探照下,冰棚底面呈現的是崎嶇不平、暗沉、夾雜淤泥的穹頂,並且到處都有從冰層掉落的微細沙塵,在燈光下閃閃發光、翩然漂落,彷若流星。有時候,某些流星會以詭異的方式移動──像是衝向一旁。但是沒有人能十分篤定,從影像看來,似乎有某個東西在「移動」。


畫面突然停住,伯內特連忙把Deep SCINI轉向,朝往海底,原來是Deep SCINI避免過熱而自動關機了。諷刺的是,這裡的水溫只有-2℃,之所以沒有結凍,是因為海水鹽度以及來自上方冰層的強大壓力。


當攝影機恢復運作時,控制室裡有人大叫:「快來看!不會吧!」一抹優美的幻影滑過螢幕,身形頭大尾小,像個驚歎號,半透明的身體閃著藍、棕、粉紅色澤。這是一條魚,大概有一把奶油刀那麼長。


控制室裡爆出一陣驚呼,他們千里迢迢到此進行冰河調查,在人們認為地球上最不適合生存的地方之一,發現了複雜的生物。當天,Deep SCINI在底下停留了六個小時,拍到三種類型、共20多條魚,以及各種像蝦子的端足類(amphipod)、一隻赭紅色的水母和一條可能是櫛水母的繽紛身影。之後,鮑威爾告訴我:「你會覺得牠們是生活在那裡的群落,絕非碰巧遇上。」這片貧瘠的深海,原來還蘊藏了豐富的生命。


這項任務的研究重點瞬間轉向:當務之急是盡可能捕捉一些動物,好讓研究人員得以進行後續分析。


接下來幾天,祖克用一塊窗紗為Deep SCINI做了一個臨時陷阱,並用魚肉當誘餌。Deep SCINI再次垂降至海床,並待了四個小時,吸引幾十隻端足類在陷阱邊爬行,就像蒼蠅圍著垃圾桶。當Deep SCINI吊上來時,陷阱抓到超過50隻端足類。研究人員把這些微小的甲殼動物冷凍,準備把牠們空運回美國在南極最重要的後勤樞紐,麥克墨度研究站(McMurdo Station)。


發現這麼多的複雜生物,著實讓人吃驚,這項研究結果在科學界仍持續迴響,顛覆了長久以來關於地球生命的假設,以及在其他星球找到生物的不可能任務。


上下顛倒的奇幻世界


關於南極大陸海底有生命的證據,研究進展一直十分緩慢。極地氣候嚴峻,探勘花費高昂,因此科學家僅有的資訊是從接近開放海域的冰棚前緣蒐集而來。


1960年代,冰河學家無意間在麥克墨度冰棚上發現一個海豹群落,棲息在距離冰棚邊緣25公里處,遠到牠們無法搖擺滑動回到海上。儘管這群海豹永久困在冰棚上,卻不知怎地竟能存活下來。牠們聚集在冰棚隆起形成的裂縫附近,潛入這個很深的裂縫,在下面的海水裡覓食。科學家想知道,他們究竟能吃到什麼?而且這些海豹看起來比生活在開放水域的還要胖。


1975年,線索意外浮現,當時任職於斯克里普斯海洋學研究所的海洋學家奧立佛(John Oliver)因為直升機突遇低雲而迫降在這個冰層裂縫附近,他和夥伴便決定潛入裂縫。他們下潛40公尺,在水下冰牆看到了奇特景象──數百隻發著綠光的海葵附著在冰上。一年後他們想回來採集一些海葵,卻因海水充滿冰晶鎩羽而歸,無法拍攝、更別說蒐集到這些動物,他們的發現終究只是埋沒在眾多冰河學論文中輕描淡寫的一段文字而已。


2003年,日本東京大學的生物學家渡部裕樹在距離里瑟–拉森冰棚前緣3000公里外一片季節性薄冰上紮營,這片冰層是冰棚前緣的外海在冬季結凍時所形成,他可以在此研究海豹的覓食習性。裝設在海豹身上的儀器顯示,牠們經常下潛至150公尺深,他認為魚群應該聚集在那裡。他在一頭海豹身上裝了相機,竟然拍攝到揮動著觸手的動物倒吊在冰棚底面。渡部裕樹推測,海豹潛入冰棚下,攝食吊掛在那裡的生物。


2010年,祖克受雇帶著ROV,去幫忙工程師在距離羅斯冰棚前緣約10公里處、冰層約有250公尺厚的庫爾曼高地測試熱水鑽頭,當時並沒有什麼人知道奧立佛和渡部裕樹之前在南極的驚鴻一瞥。研究團隊把冰層鑽穿一個洞,垂降祖克的ROV,ROV沿著冰層底部移動拍攝,拍到了奇妙的東西──猶如鬼影般的手臂,那是好幾千隻海葵的觸手;海葵通常附著在海床上,但在這裡,牠們倒吊著,身體埋入冰裡。別的冰洞則住著各種蠕蟲,還有像蝦子的端足類和磷蝦在海水中來來去去,魚群四處游蕩,其中一條魚還上下顛倒地游著,牠的腹部掠過上方的冰棚底面。祖克說,這意外攝得的景象是「如此出乎意料,完全沒有想到會有這種情況發生。」俄亥俄州立大學的海葵專家達利(Marymegan Daly)看到照片時非常驚訝,她說:「我相當震驚,牠們看起來就像蝙蝠倒吊在洞穴上。我從來沒想過,海葵竟然會生活在那裡。」


人們不曾想過,在冰棚底面會有一個上下顛倒的生態系統。生物學家推論,冰棚前緣下的複雜生物能藉由附近陽光可及的大海所漂進來的海水來取得食物;但越往內陸,離陽光越遠,冰棚下的生命也急遽減少:越來越小型的生物靠著越來越少的食物碎屑維生,直到碎屑所剩無幾,再往內便是只有微生物能夠存活的廣大區域,在約一個國家大小的冰棚下,向內陸綿延數百公里,直到接地區。


接地區完全與陽光和光合作用隔絕。位於遼闊海洋中央、離海面6000公尺深的黑暗海床,是過去人們所知最貧瘠的海底,海水如此之深,裡面的生物必須仰賴遠從光照得到的海洋表層濾下的死亡浮游生物維生。但是接地區的上方並沒有海面開口,莫斯蘭丁海洋實驗室的南極海底生態學家金(Stacy Kim)曾經推測,該區域比起海底深處更加倍死寂。


資助2010年探勘計畫的內布拉斯加大學林肯分校「南極鑽探計畫(ANDRILL)科學辦公室」,在2013年聘請祖克打造更先進的ROV,也就是後來的Deep SCINI。祖克用藍寶石做為攝影機視窗的材料、用數百萬個微小的空心玻璃球打造機具主體,以承受1000公尺深的水壓,讓Deep SCINI可以在冰棚下冰層較厚、較偏遠的地方探索。之後祖克受邀帶著Deep SCINI加入鮑威爾的探險隊,進行空前的接地區探勘。


53歲的祖克,出身背景迥異於其他典型的科學探險家,他高中肄業,1997年受聘於麥克墨度研究站,負責維護無線電中繼塔和空中導航訊號標塔。祖克和伯內特一起趕工,每天除了睡覺之外都在賣力幹活,花了半年便完成Deep SCINI。他們在打造Deep SCINI過程中所獲得的資金,只夠做一個原型,不能進行真正的探勘,2015年1月2日他們抵達鑽探營地時,Deep SCINI還沒裝上導航系統和能量耗損管理系統,因此容易過熱。


研究人員把Deep SCINI吊上來後,又把鮑威爾的一組海洋研究儀放進海底,停留20個小時測量洋流和鹽度,蒐集到的數據能做為研究冰層消融速度的參考,此外也偵測水中氧氣和其他化學物質的濃度,在Deep SCINI發現魚類之後,這些數據突然變得非常重要;海洋研究儀在探勘過程中,也拍攝到魚類和端足類。


營地裡的人們,在延誤的晚餐中絞盡腦汁,試圖理解看到的這些動物。路易斯安那州立大學微生物學家克里斯特納(Brent Christner)研究南極微生物有15年之久,他說:「關鍵問題是,牠們吃什麼?」這裡距離陽光太遠,任何來自冰棚前緣的海水,經過多年緩慢流動、大老遠來到此的時候,裡面的食物應該早被攔截一空。


這些動物的能量需求遠高過微生物,因此更讓人困惑。魚類需要多層次的食物金字塔:在金字塔底層,微生物利用來自陽光或化學物質的能量,從海水擷取二氧化碳分子以供生長,端足類攝食微生物並回收牠們的碳,金字塔頂端的魚類則攝食端足類。蒙大拿州立大學微生物生態學家普利舒(John Priscu)是2015年探勘任務的領隊之一,他說,碳或能量向食物金字塔上層轉移的效率很低,餵養一條一公斤的魚,約需100公斤的微生物。


生命自會找出路


冰河學家幾次鑽穿南極西部冰原冰層直達下方泥土,發現這些泥土富含2000萬~500萬年前矽藻所遺留的微小外鞘,顯示此區在地球較暖時曾被淺海覆蓋。遙測地震圖顯示古代沉積層的厚度約達數百公尺,蘊藏數十億公噸死亡後沉積在底部的海洋生物腐屍。......


重點提要
2015年1月,冰河學家在南極陸地與海域交界處鑽穿740公尺深的冰層,並垂降一台無人水下遙控載具,在距離開放海域850公里遠、水深僅10公尺但缺乏陽光的海水裡,發現了魚類和其他動物。
以往認為,如此荒僻之境難有生物存活。在這個與世隔絕的地方,魚類攝食端足類,端足類則以微生物為食。在沒有陽光、無法行光合作用的情況下,微生物的食物來源可能是冰滑入海水時從冰層底部掉落的碎屑。
這項發現,顛覆了人們對地球上某些絕境以及太空中其他行星和衛星等過去認為不適合生存之處的印象,有些科學家認為這些地方也可能孕育生命。


延伸閱讀
〈直擊南極冰融〉,《科學人》2012年9月號。