在奇怪的、黑暗的海底世界中，被稱為熱液噴口的水下裂縫承載着複雜的生命群體。這些噴口將炙熱的液體噴入極冷的海水中，為居住在這種極端環境中的小型生物創造了必要的化學力量。在一項新發表的研究中，生物地理學家 Jeffrey Dick和 Everett Shock 已經確定，特定的熱液海底環境提供了一個獨特的棲息地，某些生物可以在這裡茁壯成長。
這為地球以及整個太陽系的海洋底部的黑暗中的生命開闢了新的可能性。他們的成果已經發表在《地球物理學研究：生物地球科學》雜誌上。
在陸地上，當生物體從它們所吃的食物中獲得能量時，它們是通過一個叫做細胞呼吸的過程來實現的，在這個過程中會有氧氣的攝入和二氧化碳的釋放。從生物學上講，我們食物中的分子在氧氣的存在下是不穩定的，正是這種不穩定被我們的細胞利用來生長和繁殖，這個過程稱為生物合成。
但是對於生活在海底的生物體來說，生命的條件有很大的不同。
“在陸地上，在地球的富氧大氣中，許多人都熟悉，製造生命的分子需要能量，”亞利桑那州立大學地球和太空探索學院和分子科學學院的共同作者Shock說。“與此形成鮮明對比的是，在海底的熱液噴口周圍，熱流體與極冷的海水混合，產生了製造生命分子釋放能量的條件。”
在深海微生物生態系統中，生物體在熱液與環境海水混合的噴口附近茁壯成長。以前由Shock領導的研究發現，在噴口由超基性岩石（硅含量很低的火成岩和變質岩）組成的地區，基本細胞構件，如氨基酸和糖的生物合成特別有利，因為這些岩石產生最多的氫。
除了像氨基酸和糖這樣的基本構件，細胞還需要形成更大的分子或聚合物，也被稱為生物大分子。蛋白質是細胞中最豐富的這些分子，而聚合反應（小分子結合產生更大的生物大分子）本身在幾乎所有可以想象的環境中都需要能量。
“換句話說，有生命的地方就有水，但水需要被趕出系統，聚合才會變得有利，”主要作者 Dick說，當這項研究開始時，他是美國大學的博士後學者，目前是中南大學地球科學與信息物理學院的地球化學研究人員。“因此，有兩個對立的能量流：通過基本構件的生物合成釋放能量，以及聚合所需的能量。”
Dick 和Shock想知道的是，當你把它們加起來時會發生什麼。你是否會得到在混合區中整體合成實際上是有利的蛋白質？他們通過使用理論和數據的獨特組合來解決這個問題。
從理論方面來說，他們使用了一個蛋白質的熱力學模型，稱為“group additivity”，它說明了蛋白質序列中的特定氨基酸以及聚合能量。在數據方面，他們使用了一種被充分研究的通風口生物”Methanocaldococcus jannaschii”的整個基因組中的所有蛋白質序列。
通過運行計算，他們的研究能夠表明，在這種生物生長最快的溫度下，在超基性火山口的混合區，基因組中幾乎所有蛋白質的整體合成都會釋放出能量，大約是185華氏度（85攝氏度）。相比之下，在一個產生較少氫氣的不同噴口系統（一個玄武岩宿主系統）中，蛋白質的合成是不利的。
“這一發現不僅為生物化學而且為生態學提供了一個新的視角，因為它表明某些生物群體在特定的熱液環境中天生就更受青睞，”ick說。“微生物生態學研究發現，甲烷菌（Methanocaldococcus jannaschii是其中的一個代表）在超基性火山口系統中比在基性火山口系統中更豐富。在超基岩宿主系統中，蛋白質合成的有利能量與這種分佈是一致的。”
對於下一步，Dick 和Shock正在研究在整個生命樹上使用這些能量計算的方法，他們希望這將在地球化學和基因組進化之間提供一個更堅實的聯繫。
Shock說：“在我們探索的過程中，我們一次又一次地被提醒，我們不應該把我們居住的地方等同於適合生命居住的地方。”