我亚特兰蒂斯号科考船上的时间已接近午夜。这艘船是在哥斯达黎加以西大约1000英里处航行的，在东太平洋的热液喷口附近盘旋。罗格斯大学的微生物学家科斯坦蒂诺·维特里亚尼(Costantino Vetriani)坐在黑暗的控制室里，离我只有几英尺远。他透过眼镜专注地盯着几十台显示器，偶尔用手抚摸一下剃光的头发。通过海底遥控潜水器的实时视频，我们看到浓烟滚滚，温度超过350摄氏度，从我们下方一英里(约合1.6公里)处的一座岩石塔上滚滚而出。这是一幅令人惊叹的景象，一根水下柱子从地球黑暗的内部释放出一股被压抑的能量风暴。维特里亚尼是一个身材修长的意大利人，穿着一件写着“RNA:另一种核酸”的t恤，他观察着这种原始的力量，他的黑眼睛闪闪发光。他笑着说:“一个黑烟鬼是通往地狱的窗户。”
事实上，黑色的烟筒可能是一扇了解地球上生命爆发的窗户。Vetriani是一个科学家小组的成员，他们来到喷口，研究覆盖在喷口及其周围表面的微生物。早些时候，在这艘船的图书馆里，伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)的微生物生态学家、首席科学家斯特凡·西弗特(Stefan Sievert)概述了这次为期一个月的考察的目标。他解释说，了解微生物如何在地狱般的火山口中生存——它们使用什么营养物质，以什么速度;它们将喷口液体转化为生物的速度有多快，这可能会让我们深入了解生物是如何进化的。在海底作业期间，我一直在旁边，并协助记录工作。这项工作一天24小时进行，除非海面过于汹涌，无法安全部署ROV时，偶尔会出现中断。
午夜过后，当我和维特里亚尼观看黑烟筒时，他解释说，热液喷口是“一个遗迹环境，我们认为它类似于地球上的早期环境。”我们最终要做的是试图了解这个星球上的生命是如何进化的。”在亚特兰蒂斯号上，我不仅了解了今天生活在喷口处的原始微生物，还了解了有机生命是如何在海洋深处首次出现的。当我们看着厚厚的、炽热的流体从矿物烟囱中喷涌而出，在海底岩石和水的永恒交汇处，仿佛我们正直接看到生命的诞生地。
E自从1977年地质学家在潜水器“阿尔文”中首次发现热液喷口以来，许多科学家相信这些深海坩埚可能代表生命的摇篮。这件事还远未解决。但排气口的液体和周围的水汇集了生命所需的基本元素，如碳、氢、氧、氮和硫。科学家们相信，这种可燃混合物可能产生了复杂分子的前体，如RNA，在最初的细胞中产生了生命。
深海喷口存在的迹象来自于1976年加拉帕戈斯群岛附近的一次探险。拖曳在海底附近的一个仪器探测到一股比冰冷的背景海水稍热的流体羽流。第二年，地质学家带着潜水器回来了，他们发现了他们所预测的冒烟的海底温泉，以及完全出乎意料的生物组合:蛤蜊、巨大的蠕虫、粉红色的鱼和快速爬行的白色螃蟹。
当时的深海被认为是一个生物沙漠，所以没有人认为需要任何生物学家进行排气口探险。但地质学家杰克·科利斯(Jack Corliss)第一次潜入“阿尔文”号的喷口时，他蹲在那里，立刻就认为那里可能是生命起源的地方。在早期的地球上可能有大量的热液系统，因为早期的地球温度更高。科利斯与微生物学家约翰·巴罗斯(John Baross)以及研究生萨拉·霍夫曼(Sarah Hoffmann)合作，于1980年发表了这一假说。约翰·巴罗斯研究了来自喷口的一些最早的微生物样本。他们提出，氨基酸等简单的有机分子可以在热喷口液体中形成，最终这些分子可以被包裹在膜中形成活细胞。巴罗斯将喷口描述为“唯一可以被称为真正原始的当代地质环境”。
当我们看着厚厚的、炽热的液体从矿物烟囱中喷涌而出时，就好像我们正直视着它
生命的诞生地。
由于其温度、压力和其他特性的极端，深海喷口可能为地球早期的动荡世界提供了一个相对舒适的避难所。我们年轻的星球沐浴在太阳更强的紫外线辐射中，因为它还没有形成一个保护性的臭氧层。直到进化发明了光合作用将稳定的氧气供应泵入我们的大气之后，这才出现。
晒伤并不是月球表面唯一的挑战。地球科学家认为，就在生命可能开始的时候，也就是不到40亿年前，我们的星球遭受了太空岩石的猛烈撞击。卡内基科学研究所的天体生物学家罗伯特·哈曾说:“那将使地表和近地表致命。地球的故事，它描述了行星的形成和早期生命。“但在这些热液系统出现的地方，它是与世隔绝的。”
然而，最重要的是，喷口充满了能量。从它们中流出的液体以冷海水的形式渗入海底的裂缝和裂缝中。在地壳中，岩浆加热水，从熔融的岩石中吸收溶解的矿物质和气体，如氢和硫化氢，然后射入海洋。如今，喷口处的微生物利用这些液体中的化学能制造糖和其他构成食物链基础的富含能量的分子。
“生命需要能量，”一个阳光明媚、微风习习的下午，西弗特在船头说，当时我们正在黑暗的控制室里上早班和晚班。“在热液系统中有很多这样的物质。这是一个很好的开始。很容易想象，有了这种能量来源，早期生物体会茁壮成长。”
一种新的热液喷口的发现推动了生物生命起源于热液喷口的假设。1991年，美国宇航局喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)的地球化学家迈克尔·拉塞尔(Michael Russell)描述了南斯拉夫的富镁矿床。他认为，这些矿床是在火山口形成的，那里的液体是碱性的，而非通常在黑烟囱和其他火山口发现的酸性物质。
没有人见过拉塞尔当时提出的碱性喷口。然后在2000年，华盛顿大学的海洋地质学家黛博拉·凯利(Deborah Kelley)和同事们访问了大西洋海底的山脊。他们每天都在阿尔文潜水，每晚都拖着摄像机。一天晚上，有人在监控录像中注意到一个奇怪的白塔。两天后，凯利潜到现场，第一次近距离看到了她称之为失落之城的地方。
失落之城的火山口是通过海水和地壳中富含铁和镁的岩石中的矿物质之间的化学反应形成的。这个反应产生热能。正如罗素所预测的，它还会产生从海底升起的碱性喷口流体。当这些液体漂浮到海洋中时，它们将溶解的二氧化碳变成了可能孕育了生命起源的石灰岩结构。
研究生命起源的科学家们对失落之城温泉的特性有了更多的了解，这让他们振奋了起来。在喷口流体和海水之间存在离子梯度是一个很大的吸引力，离子梯度是几乎所有已知生命形式的关键成分。碱性液体是碱性的，pH值(酸度和碱度的测量值)在10或11左右，这意味着它们的质子浓度很低。海水的pH值在8左右，碱性较低，也就是酸性稍强，所以它的质子比喷口液体的质子多。
这种地球化学引起了科学家们的注意，因为离子梯度(从一个地方到另一个地方的离子浓度的差异)是生物的普遍属性之一，也是细胞获取能量的基本部分。它为早期生命提供了酿酒厂的条件。
“几乎所有的生命都在做的是产生一个质子梯度，然后利用这些质子穿过膜的流动来产生化学能，”伦敦大学学院的生物化学家、《自然》一书的作者尼克·莱恩说生活的提升，关于生命的起源和进化。线粒体和大多数自由生活的微生物都是如此。线粒体是细胞内的发电机，为我们自己的细胞提供动力。
这种可燃混合物可能产生了复杂分子的前体，如RNA，在最初的细胞中产生了生命。
莱恩解释说，该系统的运行方式有点像水力发电大坝。生物泵，以蛋白质的形式，将大量的质子移动到细胞膜的一侧。然后让质子通过另一种充当涡轮机的蛋白质穿过细胞膜回流。涡轮机产生ATP，或三磷酸腺苷，这种分子携带为细胞活动提供动力的生化能量。
特定的蛋白质和膜在不同的生命形式中差别很大。但质子梯度几乎存在于所有被研究过的生命形式中。一些研究人员将这种普遍性视为环境证据，证明这种梯度一定存在于生命诞生的环境中。杜塞尔多夫大学的进化生物学家比尔·马丁说:“很难解释为什么所有这些生物都有这种特征，除非你能指出生命起源环境中这些梯度的某些地球化学来源。”“然后，天啊，那些碱性热液喷口开始看起来真的很好。”
那么，生命是如何在像失落之城那样的热液喷口，或那些散布在太平洋亚特兰蒂斯正下方的热液喷口中，一步步形成的呢?一种可能的情况是，一些简单的化合物(如二氧化碳)与氢在火山口发生反应，生成越来越复杂的有机分子。
从本质上说，这个排气口就像一个天然的热液反应堆。例如，在喷口中发现的矿物质的催化下，二氧化碳和氢气之间的反应可以形成丙酮酸分子。丙酮酸是许多氨基酸的前体，这些氨基酸可以连接在一起形成蛋白质。二氧化碳和氢也可以形成甲醛，甲醛可以与自身反应形成核糖，核糖是RNA的一种成分。在喷口处发现的氰化氢可以与自身反应形成被称为碱基的环状结构，这是RNA的另一种成分。核糖、一个碱基和一个磷酸基(在通风口也可以找到)结合在一起形成一个称为核苷酸的分子。把几个核苷酸串在一起，就得到了一条RNA链。气孔结构中的气孔可能起到了膜的作用，将RNA和氨基酸等有机分子集中在一个小空间中。
最终，RNA将开始自我复制，这是一个由自然选择控制的过程。沿着这条线的某个地方，大约40亿年前，居住在喷口孔中的年轻原生生命可能通过对RNA进行一些化学调整获得了DNA。(除去一个氧原子，核糖就变成了脱氧核糖，而甲基的加入则改变了DNA和RNA之间不同的单一碱基)。在那里，未来的生命将需要为自己组装一层膜，并产生自己的离子梯度，以ATP的形式用来产生能量。在这一点上，它可以被认为是第一个细胞。
一个当他登上亚特兰蒂斯号时，一批来自喷口的样本浮出了水面，维特里亚尼也加入了一群科学家的行列，他们在一架起重机将这些样本放在甲板上后，随即降落到亚特兰蒂斯号上。他把手伸进一个装满海水的盒子，拿出一个黑色的冒烟的烟囱，上面闪烁着黄铁矿，这是从底部收集的，还有一个由聚氯乙烯和网状材料制成的细菌取样筒。然后他匆忙走进飞船的实验室，在那里他和他的合作者开始处理样本。
Vetriani和Sievert发现的许多微生物都是Epsilonproteobacteria这是一群在喷口处占优势的生物，在地球上其他任何环境中都不存在。他们发现，其中一些细菌不耐受氧气，利用一种代谢途径，让它们利用硫“呼吸”，而硫在喷口处大量存在。“这种硫代谢途径可能是一个核心的祖先途径，”Vetriani说，因为它完全依赖于被认为存在于早期地球上的原材料，而避开了那些被认为不存在的原材料。
对这些原始微生物的分析为生命起源提供了什么具体证据?维特里亚尼说，他不愿意回答这个问题。对生命摇篮的研究基本上还处于婴儿期。“几十年前，我们甚至不知道生命可以在这样的高温下生存，”Vetriani说。“生命的起源意味着回到可能发生在第一个细胞组装之前的非生物过程。我们通过研究这些喷口生物来尽可能地了解这些早期的代谢途径。它们可能是我们拥有的最接近数十亿年前可能生活在地球上的生物。最重要的是，这些喷口是由火山活动主导的环境，这可能类似于光合作用进化之前的地球。我们认为，在没有氧气的情况下，可能是在火山环境中，早期的生物可能会出现。”
在船上，我一晚又一晚地呆在寒冷的、布满监控器的控制室里，记录采集的样本种类和地点，我等待着看到海底巨大的烟囱，但即使过了一个月，它也没有出现。我清醒地意识到，无论亚特兰蒂斯号上或岸上的实验室里发生了什么，生命起源的确定性可能永远都是遥不可及的。但现在我明白了吸引探险家们一次又一次回到这里的吸引力，希望每一次都能离我们的起点更近一点。
Jennifer Barone是Scholastic的高级副编辑科学的世界,青少年杂志。之前她是发现。在推特上:@jen_barone
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巴罗斯，J.A. & Hoffman, S.E.海底热液喷口和相关的梯度环境作为生命起源和进化的地点。生命起源15, 327 - 345(1985)。
路卡是如何谋生的?生命起源中的化学渗透。BioEssays32, 271 - 280(2010)。
生命之源的能量。科学344, 1092 - 1093(2014)。
马丁，W.，巴罗斯，J.，凯利，D. &拉塞尔，M.J.，热液喷口和生命的起源。自然评论微生物学6, 805 - 814(2008)。
碱性热液喷口生物化学的起源。伦敦皇家学会哲学汇刊B:生物科学362, 1887 - 1925(2007)。
罗素,M.Jet al。在潮湿和冰冷的世界里驶向生命。天体生物学14, 308 - 343(2014)。
深海喷口的化学自养:过去、现在和未来。海洋学25, 218 - 233(2012)。
Vetriani, C.， Speck, m.d.， Ellor, s.v.， Lutz, R.A.， & Starovoytov, V. Thermovibrio amificans sp. nov.，深海热液喷口的嗜热、化能石化、硝酸盐氨化细菌。国际系统与进化微生物学杂志54, 175 - 181(2004)。
Pan-genome analyses鉴定了谱系和生态位特异性的进化和适应标记Epsilonproteobacteria。微生物学前沿5(2014)．检索自doi: 10.3389/fmicb.2014.00110
摄影:http://www.whoi.edu一个黑色的吸烟者喷出含有矿物质的热液体。右边的容器收集热液和任何微生物的样本。
本文最初发表于2014年9月的《宇宙大爆炸》杂志。
