深海生態(tài)學(xué)研究進(jìn)展和幾點(diǎn)建議*

李永祺 王 蔚

深海生態(tài)學(xué)研究進(jìn)展和幾點(diǎn)建議*

李永祺 王 蔚

(中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院 青島 266003)

深海及其底部生物圈的探測和研究, 是當(dāng)前海洋大科學(xué)研究的焦點(diǎn), 是未來的海洋科學(xué), 具有重要的戰(zhàn)略意義。深海及其底深部生態(tài)學(xué)的研究, 是其中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本文簡要回顧了深海生態(tài)學(xué)發(fā)展的三個(gè)里程碑以及中國在該學(xué)科的研究進(jìn)展, 提出了大力發(fā)展深海探測和鉆探設(shè)備、技術(shù), 建設(shè)深海生態(tài)站和大洋鉆探船; 以生態(tài)系統(tǒng)為中心開展深海生態(tài)研究; 將深海生態(tài)研究納入國家和有關(guān)部門的研究計(jì)劃、支持多學(xué)科交叉和融合的建議。

深海探測; 大洋鉆探; 海洋大科學(xué); 熱泉生物群落; 冷泉生物群落; 海洋生態(tài)系統(tǒng)

深海的水深標(biāo)準(zhǔn), 至今尚未統(tǒng)一。有人主張200m以下為深海, 因?yàn)檎婀鈱拥淖畹退顬?00m; 但更多人主張水深超過1000m為深海, 因?yàn)?00—1000m之間的水層仍有微弱的光, 是微弱光區(qū)(twilight zone), 且在千米以深的水溫相對(duì)穩(wěn)定, 環(huán)境與上層水域有較大差異(Kaiser, 2011; 孫松等, 2017a)。深海底深部, 一般指大洋底往下到地球內(nèi)部第一個(gè)不連續(xù)之間的圈層, 大洋型地殼的厚度比大陸型地殼厚度小, 一般變化于5—15km。

近半個(gè)世紀(jì)以來, 深海與其底深部的探測和研究取得了顯著的成就, 極大地推動(dòng)了深海生態(tài)學(xué)的發(fā)展。深海及其底深部生態(tài)學(xué)的研究, 既是海洋生態(tài)學(xué)研究的新領(lǐng)域, 又是當(dāng)今海洋大科學(xué)、生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)緊密交叉、融合的匯集點(diǎn)。深入開展研究, 將有助于闡明海洋生態(tài)系統(tǒng)的能流、物流、信息流和基因流, 生命起源、水循環(huán)、液體成礦、全球氣候變化, 以及深海資源的開發(fā)和保護(hù)等科學(xué)問題, 推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

本文簡要回顧了深海生態(tài)學(xué)研究的三個(gè)里程碑和我國深海生態(tài)學(xué)的研究進(jìn)展, 對(duì)發(fā)展我國深海生態(tài)學(xué)提出了三方面建議, 即: 大力發(fā)展深海探測和鉆探設(shè)備、技術(shù), 建設(shè)深海生態(tài)站和大洋鉆探船; 以生態(tài)系統(tǒng)為中心開展研究; 將深海生態(tài)研究納入海洋大科學(xué)計(jì)劃, 支持多學(xué)科交叉和融合。意在與大家共議, 期望有助于海洋強(qiáng)國建設(shè)。

1 深海生態(tài)研究的三個(gè)里程碑

深海生態(tài)學(xué)研究的三個(gè)里程碑, 都是得益于深海采樣、探測和深海鉆探設(shè)備與技術(shù)的成就, 以及眾多的海洋科學(xué)考察實(shí)踐(莫杰, 2004; 羅伯特·鮑爾德, 2006; 理查德·巴伯等, 2006; 馮東等, 2010; 李一良, 2010; 翟世奎, 2018)。

1.1 “挑戰(zhàn)者”(challenger)號(hào)的深海調(diào)查

由于深海生物采樣和觀察不易, 早期的物理海洋學(xué)家認(rèn)為深海是靜止不動(dòng)的(管玉平, 2018)。而海洋生物學(xué)家, 如福布斯曾斷言, 海洋深處是沒有生命的。因?yàn)樗侵暮Ｑ笊飳W(xué)家, 因此他的觀點(diǎn)被普遍接受。既然深海沒有生命, 當(dāng)然就談不上深海生態(tài)學(xué)的研究(李冠國等, 2011)。一直到1872—1876年, 英國的“挑戰(zhàn)者”(H.M.S Challenger)科考船, 從6250m水深處采到20個(gè)深海動(dòng)物標(biāo)本, 由此才開始引起對(duì)深海生物的關(guān)注, 開啟了深海生物的科考活動(dòng)。之后, 許多深海調(diào)查的結(jié)果表明, 深海有種類繁多的微生物和動(dòng)物, 說明深海沒有生命的看法是錯(cuò)誤的(李冠國等, 2011; 陳旭淼等, 2014; 邵宗澤, 2018)。因此, “挑戰(zhàn)者”號(hào)的科考成就, 開啟了深海生態(tài)學(xué)的研究, 是第一個(gè)里程碑。但人們普遍認(rèn)為, 深海動(dòng)物的食物是來自以太陽能驅(qū)動(dòng)的海洋上層水域生物的產(chǎn)物(如排泄物、動(dòng)物尸體等)。

1.2 熱泉和冷泉生物群落的發(fā)現(xiàn)

1977年, 美國科學(xué)家利用“阿爾文”(Alvin)號(hào)深潛器, 在東太平洋加拉帕戈斯裂谷(Gal?pagos Rift)的水深2500m洋底, 首次發(fā)現(xiàn)熱液噴口(即“熱煙囪”, hydrothermal vent)不僅正在噴出水溫高達(dá)350—400°C的熱水, 水中含有豐富的金屬物質(zhì)、以及硫磺等氣體, 而且使人驚奇地是看到熱液口附近有一片繁盛茂密的生物群落。既有個(gè)體長達(dá)幾米的橙紅色蠕蟲()、幾十厘米大的蛤()和貽貝(嗜熱深海偏頂蛤), 還有許多個(gè)體大小不等的蟹()和魚等動(dòng)物, 形成奇幻無比的海底綠洲, 被科學(xué)家稱為“海底玫瑰園” (Lonsdale, 1977; Corliss, 1979; 莫杰, 2004; Kaiser, 2011)。1979年, 美國地質(zhì)、生物和化學(xué)家, 再次乘坐“阿爾文”深潛器對(duì)加拉帕戈斯裂谷及東太平洋海隆進(jìn)行了考察, 拍攝了電視紀(jì)錄片。之后, 美、日、法、德、加等國在世界各大洋相繼發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)熱煙囪及其周圍的生物群落(Von Damm, 1990; Shank, 1998; 莫杰, 2004; Kelley, 2005; 肖湘等, 2010; Vrijenhoek, 2010)。1983年, 美國科學(xué)家還首次在墨西哥灣佛羅里達(dá)陡崖發(fā)現(xiàn)冷泉(cold seeps)及其生物群落, 之后, 各大洋都發(fā)現(xiàn)了冷泉生物群落(Paull, 1984; Zhang, 2004; 陳忠等, 2007; Cordes, 2009; 馮東等, 2010; 李超倫等, 2016)。經(jīng)研究表明, 熱液口和冷泉口周圍的動(dòng)物與大量微生物共生, 它們主要依靠微生物利用硫化物、甲烷等化能合成有機(jī)物獲得營養(yǎng), 被稱為“暗食物鏈” (Hentschel, 2001; Duperron, 2007; 謝樹成等, 2010; 苗婷婷等, 2012; 李學(xué)恭等, 2013)。

在沒有陽光、沒有光合作用的深邃海底, 存在一個(gè)個(gè)五彩繽紛, 充滿生機(jī)活力的生物群落。這表明, 太陽并不是地球生物圈生物的唯一能量來源, 從而改變了深海動(dòng)物的食物都是來自太陽能驅(qū)動(dòng)的生物生產(chǎn)物的認(rèn)知, 同時(shí)也提出了深海生物多樣性, 以及動(dòng)物生理、代謝、繁殖和種群與群落等新的課題。因此, 深海熱泉和冷泉群落的發(fā)現(xiàn), 是對(duì)經(jīng)典生態(tài)學(xué)已有認(rèn)知的重大挑戰(zhàn), 是又一個(gè)重要的里程碑。

1.3 大洋底深部生物圈的發(fā)現(xiàn)

隨著深海鉆探計(jì)劃(Deep Sea Drilling Program, DSDP, 1968—1983), 以及隨后的大洋鉆探計(jì)劃(Ocean Drilling Program, ODP, 1985—2003)的實(shí)施, 研究人員在取得的大洋底深部沉積物的原位樣品中揭示了: 海床以下幾百米甚至上千米的深度內(nèi)不僅有微生物存在(Parkes, 2000; D'Hondt, 2004; 王桂芝, 2010), 而且細(xì)胞數(shù)至少有106/cm3, 最高可達(dá)1010/cm3, 利用RNA技術(shù)測定, 這些細(xì)胞處于旺盛代謝狀態(tài), 并非處于休眠或死亡狀況(Schippers, 2005)。估計(jì), 地球深部生物圈(deep biosphere)的微生物, 其總量至少可達(dá)地球全部生物量的1/3 (McKenzie, 2003; Arrigo, 2005; Lipp, 2008; 張曉華, 2016)。大洋鉆探和一些陸地油井的鉆探取得的原位樣品分析結(jié)果(Liu, 2019), 都支持和證實(shí)了天體物理學(xué)家高德(Gold)率先提出的, 地球深部存在一個(gè)由微生物構(gòu)成的深的、熱的生物圈(the deep hot biosphere)的假說(Gold, 1999; 李一良, 2010)。

深部生物圈的微生物處于高溫、高壓環(huán)境中, 具有嗜壓、嗜熱、嗜堿、嗜酸等特性, 向人類展示了未知但豐富的基因庫。大洋底深部生物圈完全是由地球深部的能量和碳源支撐的生態(tài)系統(tǒng)(張傳倫等, 2010; 王南南等, 2018; 張瑤, 2018)。由此引起人們的許多思考: 如除了化能合成能源外, 是否還有可被生物利用的能源, 比如熱能、輻射能; 深部生物圈是否是地球生命的起源; 目前這個(gè)圈層是否還在創(chuàng)造生命; 大洋底深部與海洋是如何進(jìn)行物質(zhì)、基因交流的等等(袁訓(xùn)來, 2010)。因此, 大洋底深部生物圈的發(fā)現(xiàn), 是深海生態(tài)學(xué)研究發(fā)展的又一個(gè)里程碑。

2 我國深海生態(tài)學(xué)研究的進(jìn)展

新中國誕生后, 國家重視海洋的科技、教育和資源開發(fā)利用, 對(duì)近海的資源和環(huán)境開展了多次大規(guī)模的綜合調(diào)查研究, 基本摸清了我國近海的狀況和變動(dòng)規(guī)律, 為發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、海洋強(qiáng)國建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。由于國力所限, 對(duì)深遠(yuǎn)海的科考力不從心。雖然從20世紀(jì)70年代末, 我國即開始對(duì)太平洋多金屬結(jié)核進(jìn)行調(diào)查, 并在多次調(diào)查的基礎(chǔ)上, 于1991年獲得太平洋CC區(qū)一塊多金屬結(jié)核開辟區(qū), 成為繼印度、法國、前蘇聯(lián)、日本之后第五個(gè)“深海采礦先驅(qū)投資者國家”。但直到20世紀(jì)末, 我國大洋調(diào)查主要還僅限于尋找大洋礦產(chǎn)資源。但在此期間, 一些發(fā)達(dá)國家紛紛由海底單一多金屬結(jié)核調(diào)查, 向富鈷結(jié)殼、多金屬軟泥、熱液硫化物、氣體水合物、深海生物多樣性、深?；蛸Y源和底部生物圈等多元化的科考方向發(fā)展。

進(jìn)入新世紀(jì), 我國制定了向遠(yuǎn)洋、深海進(jìn)軍的計(jì)劃, 加大了深海探測設(shè)備、技術(shù)的自主研發(fā), 以及大洋、深海的科考活動(dòng), 努力趕超國際先進(jìn)水平。從世紀(jì)初起, 先后對(duì)太平洋、印度洋和大西洋進(jìn)行了調(diào)查。在2007年7月Dy (大洋)第19航次, 我國首次在西南印度洋發(fā)現(xiàn)了新的熱液區(qū), 并成功取得了“黑煙囪體”的樣品。之后, 又在各大洋發(fā)現(xiàn)了幾十處熱液區(qū)(中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)等, 2016)。

在我國深海生態(tài)學(xué)發(fā)展史上, 以下三件事具有重要意義:

一是我國自主研制的深海載人深潛器“蛟龍”號(hào), 于2013年7月在南海的深海區(qū)深潛成功, 并采集了大量珍貴深海底棲生物樣品, 標(biāo)志著我國已具備了深海探測、開展深海生態(tài)學(xué)研究的能力。

二是中國科學(xué)院海洋研究所李新正研究員, 作為首批參加“蛟龍”號(hào)試驗(yàn)性應(yīng)用航次的學(xué)者, 全程參與該航段的深海冷泉區(qū)和海山區(qū)底棲生物的考察, 并在3500米水深的海山區(qū)隨“蛟龍”號(hào)下潛, 親自觀察和采集了生物樣品, 成為中國首位進(jìn)行深?？疾斓暮Ｑ笊锟茖W(xué)家。

三是中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及影響”(2013—2018), 經(jīng)過5年的努力, 在深海綜合探測體系與能力建設(shè)、海洋化能生態(tài)系統(tǒng)和海山生態(tài)系統(tǒng)的科考取得了創(chuàng)新性成果; 2016年中科院“探索一號(hào)”利用自主研發(fā)的萬米科考設(shè)備在馬里亞納海溝進(jìn)行綜合科考, 是我國首次在11000米海溝成功進(jìn)行無人深潛及探測, 標(biāo)志著我國深?？萍歼M(jìn)入了萬米水深時(shí)代, 宣示了我國海洋深?？萍寄芰?shí)現(xiàn)從“跟蹤”為主向“并行”、“領(lǐng)先”為主的轉(zhuǎn)變(李碩等, 2016; 李超倫等, 2016; 孫松等, 2017b)。

近些年, 我國學(xué)者對(duì)海底熱泉、冷泉和海山生物群落, 深海生物多樣性、深海微生物的資源開發(fā)與應(yīng)用, 以及深海生物采集和保真、深海生物的培養(yǎng)技術(shù)等的研究取得了較好的成績。如, 在西太平洋海山區(qū)和東太平洋結(jié)核合同區(qū), 開展了深海微生物原位富集培養(yǎng); 成為繼日本、德國之后, 第三個(gè)可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行深海熱液大型生物培養(yǎng)的國家; “東方紅2號(hào)”調(diào)查船, 在馬里亞納海溝進(jìn)行水動(dòng)力、地質(zhì)、地球物理、生物地球化學(xué)過程及演變規(guī)律科考中, 發(fā)現(xiàn)了深海烴類降解菌; 國家“973”計(jì)劃“超深淵底棲動(dòng)物群落空間分異機(jī)制研究”和國家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(xiàng)“西太平洋典型海山生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)調(diào)查”, 發(fā)現(xiàn)了一些新的物種, 并對(duì)生物群落和差異進(jìn)行了探討; 在對(duì)西太平洋雅浦海山、馬里亞納海山和卡羅琳海山的海域進(jìn)行了初級(jí)生產(chǎn)力、浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲生物的生態(tài)調(diào)查, 獲得了大量生物樣品(張均龍等, 2013)。目前, 我國已建成了深海微生物樣品庫、深海大型生物樣品庫, 為深入開展生態(tài)學(xué)研究提供支持(王淑芳等, 2012; 苗婷婷等, 2012; 郭書舉等, 2012; 張武昌等, 2014; 中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)等, 2016; 劉杰等, 2017; 郭文捷等, 2017; 郭欣雨等, 2017; 中國海洋年鑒編纂委員會(huì), 2018; 李中石等, 2018; Liu, 2019)。據(jù)1953—2015年間, 對(duì)世界海溝進(jìn)行研究的前15個(gè)國家和地區(qū)發(fā)表論文統(tǒng)計(jì), 中國海溝研究的論文逐年增多, 2015年已躍居美、日之后, 居第三位, 而海溝生態(tài)系統(tǒng)研究是主要內(nèi)容之一(張燦影等, 2016)。總之, 我國深海生態(tài)學(xué)的研究已邁開步伐, 緊追國際先進(jìn)水平。

3 發(fā)展我國深海生態(tài)學(xué)研究的建議

綜上所述, 我國深海生態(tài)學(xué)的研究已有良好的基礎(chǔ), 為了助推發(fā)展, 提出以下建議:

3.1 大力發(fā)展深海探測和鉆探設(shè)備、技術(shù), 建設(shè)深海生態(tài)站和大洋鉆探船

科學(xué)的發(fā)展總是和工具的改進(jìn)分不開的。每當(dāng)有重大的工具和技術(shù)發(fā)明, 科學(xué)也就孕育著重大的飛躍。深海生態(tài)學(xué)發(fā)展的三個(gè)里程碑也是有力的證明。

我國近十幾年, 大洋、深海科考和研究能取得快速發(fā)展, 首先是由于國家大力支持自主研發(fā)深海探測設(shè)備和技術(shù)。這才有現(xiàn)今青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室擁有200、1000、4000和10000m譜系的“海燕”水下滑翔機(jī)研發(fā)和生產(chǎn)的能力; 中國科學(xué)院海洋研究所建立宏觀與微觀、走航與定點(diǎn)、梯度與原位相結(jié)合的深遠(yuǎn)海環(huán)境探測技術(shù)體系, 并實(shí)現(xiàn)了從室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)室→海洋移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室→深海原位實(shí)驗(yàn)室的跨越。這些設(shè)備和技術(shù), 為我國大洋、深?？茖W(xué)研究提供了很好的條件。在此基礎(chǔ)上, 為了對(duì)世界深?？茖W(xué)研究做出更大貢獻(xiàn), 根據(jù)我國的財(cái)力、科技水平和需要, 建議國家能立項(xiàng)建設(shè)深海生態(tài)站和大洋鉆探船。

3.1.1 建設(shè)深海生態(tài)站 深海生態(tài)研究, 開展室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)、分類鑒定、代謝過程以及適應(yīng)極端環(huán)境機(jī)制的研究都是必要的, 但深海生物群落的變化過程和規(guī)律的闡明離不開現(xiàn)場的定點(diǎn)、長時(shí)間的觀察和實(shí)驗(yàn)。比如, 熱泉、冷泉生物群落的生、消, 動(dòng)物幼體的擴(kuò)散和生長發(fā)育, 群落中動(dòng)物與微生物共生, 不同種動(dòng)物之間的共生或競爭等等, 以及一些假設(shè)和理論都離不開現(xiàn)場觀察和實(shí)驗(yàn)。Shank等(1998)曾用“阿爾文”號(hào)潛水器, 對(duì)東太平洋中脊的一處熱液口進(jìn)行了長達(dá)5年的不連續(xù)觀察和化合物的監(jiān)測, 結(jié)果表明, 熱液口的硫化物和鐵的濃度、微生物、以及動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種和生物量均處于不斷變化中。但因是不連續(xù)觀察, 熱泉群落的生物從哪里來的？又如何演化？最后它們又到哪里去？不連續(xù)觀察很難做出回答。為此, 迫切需要長時(shí)序、連續(xù)、定點(diǎn)觀測(于新生等,2017)。

建議可以在南?；蛭魈窖蠛Ｉ芥溸x址建設(shè)深海生態(tài)站, 將南海生態(tài)站納入近日由同濟(jì)大學(xué)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)建設(shè)的“國家海底科學(xué)觀測網(wǎng)”的南海海底觀測子網(wǎng)計(jì)劃中。目前世界上尚無深海生態(tài)站, 我國如能先行一步, 勢(shì)將在深海生態(tài)研究取得突破性成果, 并為深海資源開發(fā)和保護(hù)提供科學(xué)支持。

3.1.2 建設(shè)大洋鉆探船 海洋科學(xué)鉆探、積極探索大洋深部地質(zhì)和生物圈, 搶占其制高點(diǎn), 是海洋大科學(xué)和地球科學(xué)未來發(fā)展的戰(zhàn)略要?jiǎng)?wù)。而誰擁有鉆探船, 誰就掌握主動(dòng)權(quán)。迄今, 僅美、日兩國擁有大洋鉆探船。近幾年, 我國已有一些學(xué)者呼吁建造大洋鉆探船。吳立新院士在2016年就提出, 國家海洋重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擬在未來3到5年內(nèi), 推動(dòng)中國大洋鉆探船立項(xiàng)建設(shè), 并以此為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)深海與深地科學(xué)的協(xié)同發(fā)展, 尋求地球科學(xué)突破口(青島晚報(bào), 2016.11.11)。汪品先院士也積極建議, 他認(rèn)為建造一艘中國科學(xué)大洋鉆探船, 是中國地球與海洋科學(xué)家多年的夢(mèng)想; 如果我們能夠下定決心, 走通過科技與產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的道路建造自己的大洋鉆探船, 就將能問鼎世界深海研究的頂層, 向建設(shè)海洋強(qiáng)國跨一大步(參考消息, 2016.2.16)。

3.2 以生態(tài)系統(tǒng)研究為中心開展深海生態(tài)研究

生態(tài)系統(tǒng)(ecosystem)的概念是1935年英國植物生態(tài)學(xué)家Tansley提出的。按其定義, 生態(tài)系統(tǒng)是指生物成分和非生物成分在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi), 通過彼此之間不間斷的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)及信息傳遞而相互聯(lián)系、相互影響、相互制約的生態(tài)學(xué)功能單位(林文雄, 2013)。系統(tǒng)(system)的定義, 是指彼此間相互作用、互相依賴的事物, 有規(guī)律地聯(lián)合的整體, 是有序作用的整體。生態(tài)系統(tǒng)主要是功能單位, 而不是生物學(xué)中的分類單位(孫儒泳, 1987)。生態(tài)系統(tǒng)的研究內(nèi)容包括生態(tài)系統(tǒng)的組成、空間結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞、發(fā)展演化和經(jīng)營管理等(孫鴻烈, 2005)。生態(tài)系統(tǒng)的概念, 體現(xiàn)了唯物辯證法的思想, 應(yīng)當(dāng)成為深海和大洋底深部生物圈生態(tài)研究的中心思想和議題。

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力的能源來源多樣性, 建議將海洋生態(tài)系統(tǒng)劃分為海洋光生態(tài)系統(tǒng)、深海暗生態(tài)系統(tǒng)和大洋底深部生態(tài)系統(tǒng)三大類型。海洋光生態(tài)系統(tǒng), 能源來自太陽; 深海暗生態(tài)系統(tǒng), 能源有的來自化學(xué)能(熱泉、冷泉生態(tài)系統(tǒng)), 有的來自海洋上層光生態(tài)系統(tǒng)的生物產(chǎn)物(如顆粒有機(jī)碳和動(dòng)物尸體)(張瑤, 2018); 大洋底深部生態(tài)系統(tǒng)的能源, 除了化學(xué)能外, 可能還有熱能和放射能。由于能源不同, 因此生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能就有較大的差異。例如, 海洋光生態(tài)系統(tǒng), 初級(jí)生產(chǎn)者主要是浮游植物, 初級(jí)消費(fèi)者主要是浮游動(dòng)物; 而深海暗生態(tài)系統(tǒng), 沒有浮游植物, 微生物是熱泉和冷泉生物群落的初級(jí)生產(chǎn)者, 無脊椎動(dòng)物形成了獨(dú)特的身體結(jié)構(gòu)及代謝機(jī)制(姜麗晶, 2018; 曾湘, 2018); 大洋底深部迄今僅發(fā)現(xiàn)有大量微生物, 沒有動(dòng)物。因此, 研究海洋三大生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能, 以及它們之間的彼此物質(zhì)、物種、基因流動(dòng)和變化規(guī)律應(yīng)是中心議題。

在三大海洋生態(tài)系統(tǒng)中, 由于處于不同的環(huán)境, 導(dǎo)致生物群落也明顯不同。因而各大生態(tài)系統(tǒng)又可再劃分為次一級(jí)生態(tài)系統(tǒng)。如, 我國的海洋光生態(tài)系統(tǒng), 又可劃分為河口、海灣、淺海、大陸坡、上升流、紅樹林、珊瑚礁等生態(tài)系統(tǒng)(孫鴻烈, 2005)。深海暗生態(tài)系統(tǒng), 又可分為深海平原、海溝、海山、熱泉、冷泉等生態(tài)系統(tǒng)。各生態(tài)系統(tǒng)之間還存在過渡帶(ecotone), 起著能量、水、營養(yǎng)鹽、顆粒物、有機(jī)質(zhì)和生物轉(zhuǎn)移的通道, 對(duì)探討系統(tǒng)之間的關(guān)系也很重要。

將海洋劃為三大生態(tài)系統(tǒng), 符合生態(tài)系統(tǒng)的定義, 也有利于從系統(tǒng)之間的比較和聯(lián)系中尋找生態(tài)學(xué)的突破點(diǎn)。例如, 淺層海水與深淵區(qū)域海水中微生物群落表現(xiàn)出明顯的差異(Nunoura, 2015); 從海溝中分離出的嗜壓菌與淺層海水中的近親種在基因組成方面極為不同(Lauro, 2007), 原因是什么？又如生物具有高度的地域性, 熱泉生物群落的優(yōu)勢(shì)種和生物種類組成, 在世界各大洋表現(xiàn)出較大的差異。Vrijenhoek (2010)將全球熱液區(qū)劃分為六個(gè)生物地理區(qū), 并對(duì)各區(qū)熱泉生物群落進(jìn)行比較和差異的原因進(jìn)行了探討(Vrijenhock, 2010; 楊梅等, 2017)。這六個(gè)生物地理區(qū)為: 東太平洋海隆北部和加拉帕戈斯裂谷區(qū)(Northern East Pacific Rift, NEPR + Galapágos Rift, GRA); 東北太平洋區(qū)(Northeast Pacific, NEP); 東南太平洋洋脊區(qū)(Southern East Pacific Rise, SEPR)和太平洋-南極海嶺(Pacific-Antarctic Ridge, PAC); 中大西洋脊區(qū)(Mid-Atlantic Ridge, MAR); 中印度洋洋脊區(qū)和西南太平洋區(qū)(Central Indian Ridge, CIR+Southwest Pacific, SWR); 和西北太平洋洋區(qū)(Northwest Pacific, NWP)。

海洋三大生態(tài)系統(tǒng)之間并不是互相隔絕的。海流是物質(zhì)輸運(yùn)、生物體遷移和擴(kuò)散的主要運(yùn)載體。深海并非一潭死水, 大洋底流不僅確實(shí)存在(Holister, 1963; 李家鋼等, 2013; 管玉平, 2018), 而且深海底部有陣發(fā)性水流、甚至逆向水流, 流速可以從平靜的5cm/s左右在若干天內(nèi)突然躍變?yōu)?0—40cm/s, 個(gè)別觀測點(diǎn)可記錄到73cm/s的高值(Richardson, 1981); 還發(fā)現(xiàn)多個(gè)深水峽谷存在著和半日潮周期具有緊密相關(guān)的上下往復(fù)環(huán)流活動(dòng)(Shepard, 1979), 深海環(huán)流存在90天以內(nèi)的高頻度變化(王桂華, 2018)。全球大部分重要的深淵都處在深海熱鹽環(huán)流的關(guān)鍵通道上。以太平洋為例, 在太平洋底層, 南大洋深層水隨深海熱鹽環(huán)流從南向北進(jìn)入西太平洋, 依次經(jīng)過克馬德克海溝、湯加海溝、馬里亞納海溝、伊豆-小笠原海溝, 最終到達(dá)最北部的阿留申海溝(Yanagimoto, 2010; 謝強(qiáng), 2018)。在垂向上, 氣旋式環(huán)流的存在使得深淵底層水從深淵中心上涌, 進(jìn)入上層深海熱鹽環(huán)流流系中, 而上升水體通過混合下沉進(jìn)入深淵系統(tǒng), 從而實(shí)現(xiàn)深淵與深海的水體和物質(zhì)交換等(Talley, 2013)。因此, 與水動(dòng)力研究相結(jié)合, 是探索生態(tài)系統(tǒng)之間的物流、物種流和基因流的關(guān)鍵。

另外, 據(jù)估計(jì)上部洋殼的平均孔隙約為10% (曾志剛等, 2018), 推測可能是深海和大洋底深部進(jìn)行物質(zhì)和生物交流的一個(gè)通道。

3.3 將深海生態(tài)研究納入海洋大科學(xué)研究計(jì)劃, 支持多學(xué)科交叉和融合

為解決全球性的重大科學(xué)問題, 已出現(xiàn)“海洋大科學(xué)”(Ocean Megascience)研究新潮。研究聚焦在全球海洋觀測、海洋科學(xué)鉆探、熱液過程及其生態(tài)系統(tǒng)、海洋生物多樣性、海岸帶綜合管理等領(lǐng)域, 提出了許多待研究的重大課題。如海洋與氣候、海洋與地球多圈層的相互作用、海底構(gòu)造運(yùn)動(dòng)規(guī)律與成礦機(jī)制、深海底地殼內(nèi)的微生物、海洋生物地球化學(xué)和海洋生態(tài)系統(tǒng)等等。盡管研究領(lǐng)域和重大課題的主攻方向、內(nèi)容各有側(cè)重, 但要獲得重大突破, 加強(qiáng)學(xué)科交叉和融合很重要。

路甬祥(2005)曾指出“學(xué)科交叉是學(xué)術(shù)思路的交融, 實(shí)質(zhì)上是交叉思維方式的綜合, 系統(tǒng)辯證思維的體現(xiàn)。自然現(xiàn)象復(fù)雜多樣, 僅從一種視角研究事物, 必然有很大的局限性, 不可能揭示其本質(zhì), 也不可能深刻地認(rèn)識(shí)其全部規(guī)律。因此, 唯有從多視角、采取交叉思維的方式, 進(jìn)行跨學(xué)科研究, 才可能完成正確完整的認(rèn)識(shí)”。

瞄準(zhǔn)國際海洋大科學(xué)的發(fā)展, 2018年中科院決定依托中科院海洋研究所, 聯(lián)合中科院其他12個(gè)研究機(jī)構(gòu)建立海洋大科學(xué)中心, 制定了開展“印太匯聚區(qū)多圈層相互作用, 在印度洋、太平洋建立水深、立體、實(shí)時(shí)探測體系, 以及海-氣-地-生多圈層相互作用的理論和模式, 和海洋生命過程的認(rèn)知”等核心科研內(nèi)容。青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室、中國海洋大學(xué)等單位, 也計(jì)劃加大深海探測和生命過程與演化, 以及海溝地形、洋流運(yùn)動(dòng)等關(guān)鍵科學(xué)問題的研究。期望國家有關(guān)部門在“十四五”期間, 能加大對(duì)深海生態(tài)研究的支持。特別希望能支持非生物、生態(tài)專業(yè)的海洋學(xué)者參與或主持有關(guān)深海生態(tài)的科學(xué)研究。

最后, 建議加強(qiáng)深海探測、鉆探和有關(guān)深海生態(tài)學(xué)研究的國際合作。如正在實(shí)施的國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃(International Ocean Discovery Program, IODP, 2013—2023), 該計(jì)劃重點(diǎn)發(fā)展海洋與氣候變化、生物圈前沿、地球表面環(huán)境的聯(lián)系和運(yùn)動(dòng)中的地球四大領(lǐng)域。中國作為國際大洋鉆探計(jì)劃的成員, 應(yīng)積極參與(張曉華, 2016)。

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ADVANCES IN DEEP-SEA ECOLOGY RESEARCH AND SEVERAL SUGGESTIONS

LI Yong-Qi, WANG Wei

(College of Marine Life Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266003, China)

The exploration and study of the deep ocean and its bottom biosphere is the research focus of modern ocean mega-sciences and future ocean science, which has important strategic significance. One of its important contents is the study on deep-ocean and deep ecology. In this paper, three milestones in the development of deep-sea ecology, and the research progresses in this subject in China are briefly reviewed. In addition, suggestions are put forward to vigorously develop deep-sea exploration and drilling equipment and technology, to build deep-sea ecological stations and ocean drilling ships, to conduct deep-sea ecological research focusing on ecosystem, to incorporate deep-sea ecological research into the research plans of the state and relevant departments, and to support interdisciplinary and integrated research.

deep-sea exploration; ocean drilling; ocean mega-sciences; hydrothermal community; cold spring community; marine ecosystem

* 李永祺, 教授, E-mail: liyongqiq@sina.com

2020-03-06,

2020-04-08

Q148

10.11693/hyhz20200300058