海底的黑烟囱是什么_科学家认为早期生命起源于黑烟囱

海底“黑烟囱”的发现

关于地球早起生命起源于哪里，这个问题科学家一直想要获得答案，我们都知道，早期生命在太古宙时期（38.4亿年前-25亿年前）开始诞生繁衍，太古宙是一个地壳薄、地热梯度陡、火山—岩浆活动强烈而频繁、岩层普遍遭受变形与变质、大气圈与水圈都缺少自由氧、形成一系列特殊沉积物的时期；也是一个硅铝质地壳形成并不断增长的时期，又是一个重要的成矿时期。

在这个时期，开始出现数量比较多的原核生物。生命开始慢慢繁衍进化，但是原核生物究竟是如何诞生的，科学家一直想要得到答案。

1977年，美国“阿尔文号”深潜器潜到了加拉巴戈斯群岛深海，在那里测得深层海水高达8摄氏度，同时海底出现白色的巨型蛤类，除此之外，在这里还发现了由黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿组成的硫化物，这种反常的现象引起专家们的关注。

1979年，“阿尔文号”带着一群生物学家重新来到这里，他们又在同一地点约2610～1650米的海底熔岩上发现了数十个冒着黑色和白色烟雾的烟囱，这让科学家十分惊奇，一般深海的温度只有0C，而海底活跃的黑烟肉附近的水温却高达350C到400C。

透过阿尔文号深潜器的舷窗看到的黑烟囱

这些含矿热液从烟囱中喷出，与周围海水混合后，产生沉淀变为“黑烟”，沉淀物主要由磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿和铜－铁硫化物组成。这些海底硫化物堆积形成直立的柱状圆丘，由此这些柱状圆丘称为“黑烟囱”。

经过科学家们的仔细研究，“黑烟囱”的形成，主要与海水在大洋地壳里热循环有关。经过科学家们的仔细研究，“黑烟囱”的形成，主要与海水在大洋地壳里热循环有关。冷的海水顺着海底岩石的缝隙进入洋壳的深部，接触到被岩浆灼热的岩石后发生反应，同时溶解了周围岩石中多种金属元素后。反应后的海水变成高温高压富含矿物质的水，称为“热液”。

随后它们又沿着裂隙对流上升并喷发，上涌的热液喷出洋壳顶部，与冰冷的海水相遇。热液冷却过程中，矿物从其中析出，并且就近沉淀在喷出口的四周，日积月累下来就形成了一个个高高低低的像烟囱般的喷口。

“烟囱”喷出来的热液如果有丰富的金属离子和硫离子，当热液与冷的海水混合时，黑色的金属硫化物迅速沉淀下来，就会形成“浓烟滚滚”的“黑烟囱”；当然也有一些小的烟囱喷出的热液温度稍低、流速较小、且其中含有较多的硅离子和钙离子，就会成为冒出二氧化硅和石膏的“白烟囱”。

热液冷却后在海底及其浅部通道内堆积了硫化物的颗粒，形成金、铜、锌、铅、汞、锰、银等多种具有重要经济价值的金属矿产。

我们要知道，水深每增加10米，水压就会增加1个大气压，1个大气压为105帕，而1帕为1牛顿力作用在1平方米上的压强。十个大气压就相当于一百万牛顿的力作用在1平方米上的压强，即10千克(一百吨)的物体放在1平方米上造成的压强。在这样高温高压的极端恶劣环境下怎么还可能有生物呢?

海底“黑烟囱”附近的生物群，科学家称之为“玫瑰花园”

然而科学家却在这里发现了一群奇特的生物，发现了与人们常识迥异的生物群和食物链。其中最具有代表性的生物，是长达3米的管状蠕虫。这类蠕虫没有口腔和肛门，成群在海底，什么都不吃，靠体内的硫细菌供给营养。还有一种贝壳，有一尺长。

海底黑烟囱附近的管状蠕虫

“我们知道万物生长靠太阳，那么这些生物在黑暗里生活，靠什么呢?靠地热，它们吃的是地热和硫细菌，“黑烟囱”附近生物链的基础是细菌，细菌通过化学作用吸取地热带出来的能量，形成各级生物链的营养源。也就是说，除了我们已知的食物链之外，还有一个“黑暗食物链”。——中科院院士汪品先

而这些发现也让科学家惊奇地发现，早期生命的起源可能就是来自这些黑烟囱。

为什么科学家认为早期生命起源于“黑烟囱”

为什么科学家会认为早期生命会起源于“黑烟囱”呢？因为“黑烟囱”附近生物链的生存环境，与太古宙生命起源时期类似。

我们是如何得知生命形成之初环境的呢?化石给了我们很好的证据，它们是历史的最好见证者，根据科学家的研究发现，在澳大利亚、北美和南非三个不同的大陆的11个地点发现了年龄在25亿年以上的太古代叠层石。叠层石是由蓝藻等低等微生物的生命活动所引起的周期性矿物沉淀、沉积物的捕获和胶结作用而形成的叠层状的生物沉积结构。

叠层石

太古代从38亿年前开始，在23亿年前结束，那时候已经形成了岩石圈、水圈和大气圈。当时的地壳表面大部分被海水覆盖，伴有大量火山喷发，由此，地球早期水热环境和嗜热微生物可能非常普遍，地球早期的生命可能就是嗜热微生物，嗜热微生物是指最适宜生长温度在45℃以上的微生物。嗜热微生物不仅能耐受高温，而且能在高温下生长繁殖，其生存环境需要较高的温度。这与普通芽孢细菌的耐热性不同，普通芽孢细菌在高温下形成芽孢抵抗逆境，待环境条件恢复，芽孢萌发成营养体，而芽孢不具有繁殖能力，只是抗逆性休眠体。

而“黑烟囱”附近生物链的生存环境，则与地球早期的这种环境类似，大量的海底调查研究发现，在海底黑烟囱周围广泛存在着古细菌，在海底黑烟囱周围高温、高压、黑暗、缺氧、含硫等极端环境中 ,生活的这些特殊的深海生物群落 ,它们的初级生产者嗜热细菌和古细菌 ,在基因组序列上也最接近地球上原始的祖先。

这些古细菌极端嗜热，可以生存于350℃的高温热水及2000－3000米的深水环境中，为古老生命的孑遗。黑烟囱喷出的矿液温度可高达350℃，并含有CH4、CN等有机分子，为非生物有机合成，如此环境可以满足各类化学反应，其环境可以说与生命起源时地球上的高温、缺氧环境非常类似。。

而且，太古宙时期没有绿色植物，没有光合作用产生的大量氧气。所以，光合作用也可能起源于热液的“黑烟囱”。

科研人员在大西洋深海的“黑烟囱”，发现有一种虾的背上有感光区，能够感知蓝绿光线。另外，美国科学家在5000米深的海底曾关闭深潜器灯光5分钟，在热液口发现光线。“这种光显然被最早的某一种生物利用了，这个时候光合作用效率高的优越性就显示出来了，把生物的演化往前推进。

总结来说，地球历史早期热液系统曾经在地球表面广泛分布 ,因而嗜热微生物有着广泛的生存空间。通过对生命起源必须具备的物质条件、环境条件、能量条件、安全条件等方面考虑 ,现代海底黑烟囱周围的水热环境是探索生命起源的理想场所，并且海底生物由此在深海慢慢进化出光合作用，从深海到浅海，再到陆地。

科学家发现最古老的标本，具有35亿年历史的圆顶形细菌块，科学家们称其为“叠层石”。这种标本是在澳大利亚西部发现的，而澳大利亚西部当时是处于浅海地区，这侧面佐证了早期生命的发展顺序。

达尔文在一封信里曾讲到，生命最早很可能在一个热的小的池子里面，也就是后人讲的“原始汤”。达尔文生活的年代对深海基本还是一无所知，这个想法经过很多年都没有证实。近30年来深海生物科研的重大突破，则是对这种设想的佐证。——汪品先

近些年对“黑烟囱”的研究

我国科学家经过长期不懈的野外“追踪 ”，终于在在山西五台山地区首次发现了完整的古海底“黑烟囱”，初步判断其地质年龄约有14.3亿岁。

专家经过研究提出，在14.3亿多年前，华北地区仍是一片汪洋大海，河北兴隆一带正处于大陆裂谷最深的海底上。在海水循环加热后，这些两到三厘米高的“黑烟囱”成为黄铁矿、闪锌矿、方铅矿等地壳内部矿物质喷涌而出的通道，“黑烟囱”周围聚集了蓬勃的微生物群落。

“显微镜下，可见从通道中央向外壁有四五个矿物层，烟囱顶部多被数毫米厚黄铁矿充填，表明‘烟囱’被埋藏时已经熄灭。通过对比上百个现代海底“黑烟囱”资料和初步的矿物成分鉴定，课题组确定这些矿石就是古海底“黑烟囱 ”。

而在《冈瓦纳研究》(Gondwana Research)杂志上发表的一篇论文上，美国的地质学家们称他们发现了14.3亿年前的深海微生物化石，这些古老的被称之为“海底黑烟囱”化石是科学家们在一个中国矿山下挖掘出土的。参加此次化石研究美国圣路易斯大学的地质学家蒂莫斯-卡斯基说：

这些微生物是我们星球上最古老的活的生命类型的余存物，它们‘有力地表明’生命起源于深海水热环境，而非浅海或其他环境中，一些人喜欢称其为极端环境下的生命。这些细菌很可能存在于另一个星球，那里的环境不同于我们生存的环境。”这些石质的“海底黑烟囱”有50英尺(15米)高，由于它们非常脆弱，一碰就会崩塌，因此，进行现代海底黑烟囱的取样极其困难

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该发现为科学家进行地质和地理生物研究提供了一些非常有价值的陆上标本，因为一些化石居然有3英尺长。这些海底黑烟囱的年代和尺寸有助于科学家们了解古代水热环境下生物的生长，以及海底生物的发展和相互关联。