9533米！這里有全球最深“化能生命”

你能想象嗎？在冰冷、高壓的萬米海溝深處，有一片繁榮的生命群落：密集的管蟲伸展著血紅色的觸手，雙殼類軟體動物在海底沉積物上棲息，無數(shù)微生物圍繞著它們形成復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。尤為驚人的是，支撐這片繁榮的能源并非陽光，而是來自地球深處的化學(xué)反應(yīng)。

中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所（以下簡稱“深海所”）研究員彭曉彤領(lǐng)銜的國際合作團(tuán)隊(duì)，在西北太平洋的千島—堪察加海溝和阿留申海溝深處——距離海面9533米的深淵中，發(fā)現(xiàn)了有記錄以來最深的化能合成生態(tài)系統(tǒng)。近日，相關(guān)研究成果以論文與簡報(bào)形式發(fā)表于《自然》。

深淵中的“自養(yǎng)王國”

在地形上，深淵是海底的凹陷區(qū)域，深度在6000米至近11000米之間，形成于板塊俯沖作用。長期以來，理論認(rèn)為化能合成群落在海溝中可能廣泛存在，但實(shí)際發(fā)現(xiàn)的卻寥寥無幾。

“簡單來說，化能合成生物群落就是‘化學(xué)能驅(qū)動的生物群落’?！迸頃酝诮邮堋吨袊茖W(xué)報(bào)》采訪時(shí)解釋說，植物依靠光合作用合成有機(jī)物是一種自養(yǎng)方式，而深海里的化能生命則開啟了另一條自養(yǎng)路徑，利用海底流體中的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)獲取能量，將二氧化碳等無機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，從而維持自身的生命活動，并支持整個(gè)生態(tài)群落的運(yùn)轉(zhuǎn)。

彭曉彤表示，在這個(gè)過程中，深淵微生物就像“隱形工廠”：一方面，持續(xù)降解沉積物中的有機(jī)質(zhì)，并合成甲烷支撐化能合成生命；另一方面，甲烷在微生物的作用下再次被氧化，這一過程伴隨硫酸根的還原，并產(chǎn)生硫化氫。硫化氫的氧化過程能為這些深淵化能合成生命提供能量來源。這一過程堪稱“黑暗生產(chǎn)力”，在冰冷、無光的深淵海底支撐起生命綠洲。

據(jù)介紹，這類獨(dú)特的化能合成生物群落，通常與海底熱液、冷泉等流體活動緊密相關(guān)。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家在東太平洋加拉帕戈斯洋脊的海底熱液生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)此類生命系統(tǒng)后，在地球和生命科學(xué)領(lǐng)域掀起研究熱潮，因?yàn)樗嵏擦巳祟悓ι嬖谛问降恼J(rèn)知。

然而，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的化能合成生物群落大多是零散分布的，且主要分布在洋中脊、大陸坡和弧后盆地等區(qū)域。

現(xiàn)在，深海所的科學(xué)家與合作者首次在深淵極限深度中發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模的化能合成群落，幾乎覆蓋了整個(gè)北太平洋的深海俯沖帶，在海溝中綿延超過2500公里。這些群落以深海管狀蠕蟲和蛤類等雙殼類軟體動物為主，由富含硫化氫、甲烷的流體支撐?！案_撓曲形成的正斷層為流體提供了運(yùn)移通道，源源不斷地向這些化能生物提供甲烷和硫化氫?！鄙詈Ｋ毖芯繂T高金尉說。

深海所副研究員高兆明表示，更令人驚喜的是，研究結(jié)果初步顯示，深海管狀蠕蟲區(qū)別于高度依賴硫氧化細(xì)菌的深海種，其體內(nèi)的甲烷氧化型共生菌占有很大比重，而深淵雙殼貝類中有新奇的硝化型細(xì)菌。

“這是一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，令人興奮！”美國加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校的海洋生態(tài)和生物學(xué)家麗薩·萊文（Lisa Levin）認(rèn)為，這項(xiàng)研究突破了此前關(guān)于化能合成生命生存極限的認(rèn)知，揭示了深淵化能生物代謝途徑和深淵適應(yīng)機(jī)制的獨(dú)特性，并指示深淵冷泉流體系統(tǒng)的復(fù)雜性，為未來研究奠定了基礎(chǔ)。

意外之喜

“這次發(fā)現(xiàn)始于一次計(jì)劃外的潛次，有點(diǎn)‘意外之喜’?！鄙詈Ｋ芯繂T杜夢然告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

2024年八九月，“探索一號”科考船載著“奮斗者”號深潛器，在西北太平洋執(zhí)行航次任務(wù)。一次，當(dāng)“奮斗者”號在堪察加海溝最深點(diǎn)的潛次任務(wù)接近結(jié)束時(shí)，杜夢然和下潛的隊(duì)員決定“繞個(gè)路”，到上覆板塊的坡上做不同地貌單元生物群落的對比。

出乎意料的是，他們看到了“像草一樣密集生長”的管蟲。當(dāng)時(shí)，他們的第一反應(yīng)是懷疑：管蟲是冷泉環(huán)境的產(chǎn)物，而傳統(tǒng)冷泉多在大陸架邊緣發(fā)育，深淵怎么會有？更奇怪的是，他們沒有在這里觀察到在其他冷泉區(qū)常見的氣泡噴逸。

后來，結(jié)合熱力學(xué)分析，他們才確認(rèn)這是一種全新的“靜默冷泉”，不同于大陸邊緣海域會“冒氣泡”的冷泉。彭曉彤解釋說，由于極高靜水壓力的原因，深淵冷泉甲烷要么以固態(tài)天然氣水合物形式存在于沉積物中，要么以液態(tài)或溶解態(tài)形式存在于沉積物間隙水或海水中，在潛水器內(nèi)用肉眼是觀察不到喧鬧、跳躍的氣泡的，從而構(gòu)成了別具一格的“靜默冷泉”。

在深淵找到活動的流體和化能生命，是深淵科學(xué)家追尋的一個(gè)夢想。那次“意外”讓科考人員意識到發(fā)現(xiàn)的重要性。他們緊急調(diào)整后續(xù)20多次潛次計(jì)劃，聚焦于冷泉與化能生命群落規(guī)模的調(diào)查。

當(dāng)時(shí)，北半球仍處于夏季，但高緯度地區(qū)氣溫、水溫低，作業(yè)海域大霧頻發(fā)，能見度極低，船長操船時(shí)甚至看不見船尾，潛器投放和回收難度極大。盡管如此，運(yùn)維和下潛團(tuán)隊(duì)仍舊密切配合，通過一次次下潛完成拼圖，確定化能合成群落在海溝中分布范圍超過2500公里。

海底豐富的生物群落“激活”了科考隊(duì)員的想象力，每一個(gè)潛次，看到不一樣的生態(tài)群落景觀，他們就為其起一個(gè)昵稱：“臘梅園”“棉花田”“蛤蜊床”“藍(lán)沼澤”……

“你看，像草一樣生長的是棕色化能管蟲，它們末端會生出血紅色的觸手。這些觸手上面的‘小白點(diǎn)兒’是小白螺，它們不是化能生物，而是趴在管蟲表面依靠它表層的有機(jī)質(zhì)生存。”杜夢然指著“奮斗者”號在“臘梅園”拍攝的一張照片告訴記者。

“國際合作在此過程中至關(guān)重要?！迸頃酝f，正是得益于國際合作團(tuán)隊(duì)的跨學(xué)科背景，才能發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。同時(shí)，從去年年中取得發(fā)現(xiàn)到年底論文投稿歷時(shí)僅半年，需要在短時(shí)間內(nèi)整合多學(xué)科數(shù)據(jù)，靠的是頂層設(shè)計(jì)和多個(gè)國際團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作、高效推進(jìn)。

刷新深淵碳循環(huán)認(rèn)知

國際科學(xué)界認(rèn)為，這項(xiàng)研究不僅顛覆了過往人們關(guān)于極端深度生命潛力的傳統(tǒng)認(rèn)知，也顛覆了人們對深海碳循環(huán)的認(rèn)知。

“我們的分析顯示，深淵冷泉甲烷的碳和氫同位素值非常負(fù)——指示甲烷是微生物成因，是在微生物作用下由二氧化碳和氫氣合成的。”杜夢然說，同時(shí)深淵中的甲烷儲層可能封存了大量有機(jī)碳，并以天然氣水合物的形式存在，形成了“隱藏的巨大碳庫”，這同時(shí)挑戰(zhàn)了深淵生態(tài)系統(tǒng)主要依賴表層海洋沉降的顆粒有機(jī)質(zhì)和腐肉的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。

深淵中的甲烷儲層可能封存了大量有機(jī)碳，并以天然氣水合物的形式存在，形成了“隱藏的巨大碳庫”，這同時(shí)挑戰(zhàn)了深淵生態(tài)系統(tǒng)主要依賴表層海洋沉降的顆粒有機(jī)質(zhì)和腐肉的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。

深海所副研究員柳雙權(quán)介紹說，研究團(tuán)隊(duì)還在深淵沉積物中發(fā)現(xiàn)了大量冰晶石，這種自生碳酸鹽的形成可能是深淵無機(jī)碳埋藏的重要途徑之一。該發(fā)現(xiàn)拓展了對深海無機(jī)碳儲存機(jī)制的認(rèn)識，為深淵海溝碳匯研究提供了新方向。

研究者表示，這些發(fā)現(xiàn)還暗示，化能合成生態(tài)系統(tǒng)在海溝中的分布可能比此前認(rèn)為的廣泛得多。他們就此提出，在全球構(gòu)造活躍、富含有機(jī)質(zhì)的海溝中可能存在著一條規(guī)模巨大的化能生命走廊。

“根據(jù)地質(zhì)環(huán)境相似性推測，在全球多條深淵海溝中都可能存在類似的化能生命群落?！迸頃酝f。

這項(xiàng)研究是由深海所牽頭、聯(lián)合10余國的科研機(jī)構(gòu)共同發(fā)起的“全球深淵探索計(jì)劃”（GHEP）的一部分?！斑@項(xiàng)發(fā)現(xiàn)只是GHEP國際合作的開始。它更重要的意義在于提出了亟待回答的新問題——化能生命走廊是否存在？在超高壓、低溫的深淵環(huán)境中，化能生命的共生微生物與宿主如何相互作用？是否存在新的代謝途徑？深淵甲烷儲庫的規(guī)模究竟有多大？深淵碳循環(huán)在全球碳循環(huán)中的作用如何？這些都值得深入研究?！倍艍羧徽f。

今年底，深海所的科學(xué)家將與合作者奔赴智利海溝，逐步揭開這些問題的謎底。

◎ 來源|中國科學(xué)報(bào)