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，無數微生物圍繞著它們形成復雜的生態系統。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反應。

中國科學院深海科學與工程研究所（以下簡稱“深海所”）研究員彭曉彤領銜的國際合作團隊，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，發現了有記錄以來最深的化能合成生態系統。近日，相關研究成果以論文與簡報形式發表于《自然》。

深淵中的“自養王國”

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

“簡單來說，化能合成生物群落就是‘化學能驅動的生物群落’。”彭曉彤在接受《中國科學報》采訪時解釋說，植物依靠光合作用合成有機物是一種自養方式，而深海里的化能生命則開啟了另一條自養路徑，利用海底流體中的化學物質進行化學反應獲取能量，將二氧化碳等無機物轉化為有機物，從而維持自身的生命活動，并支持整個生態群落的運轉。

彭曉彤表示，在這個過程中，深淵微生物就像“隱形工廠”：一方面，持續降解沉積物中的有機質，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“黑暗生產力”，在冰冷、無光的深淵海底支撐起生命綠洲。

據介紹，這類獨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。20世紀70年代，科學家在東太平洋加拉帕戈斯洋脊的海底熱液生態系統中發現此類生命系統后，在地球和生命科學領域掀起研究熱潮，因為它顛覆了人類對生命存在形式的認知。

然而，科學家發現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域。

現在，深海所的科學家與合作者首次在深淵極限深度中發現了大規模的化能合成群落，幾乎覆蓋了整個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。“俯沖撓曲形成的正斷層為流體提供了運移通道，源源不斷地向這些化能生物提供甲烷和硫化氫。”深海所副研究員高金尉說。

深海所副研究員高兆明表示，更令人驚喜的是，研究結果初步顯示，深海管狀蠕蟲區別于高度依賴硫氧化細菌的深海種，其體內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菌。

“這是一個重大發現，令人興奮！”美國加利福尼亞大學圣迭戈分校的海洋生態和生物學家麗薩·萊文（Lisa Levin）認為，這項研究突破了此前關于化能合成生命生存極限的認知，揭示了深淵化能生物代謝途徑和深淵適應機制的獨特性，并指示深淵冷泉流體系統的復雜性，為未來研究奠定了基礎。

意外之喜

“這次發現始于一次計劃外的潛次，有點‘意外之喜’。”深海所研究員杜夢然告訴《中國科學報》。

2024年八九月，“探索一號”科考船載著“奮斗者”號深潛器，在西北太平洋執行航次任務。一次，當“奮斗者”號在堪察加海溝最深點的潛次任務接近結束時，杜夢然和下潛的隊員決定“繞個路”，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。當時，他們的第一反應是懷疑：管蟲是冷泉環境的產物，而傳統冷泉多在大陸架邊緣發育，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常見的氣泡噴逸。

后來，結合熱力學分析，他們才確認這是一種全新的“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天然氣水合物形式存在于沉積物中，要么以液態或溶解態形式存在于沉積物間隙水或海水中，在潛水器內用肉眼是觀察不到喧鬧、跳躍的氣泡的，從而構成了別具一格的“靜默冷泉”。

在深淵找到活動的流體和化能生命，是深淵科學家追尋的一個夢想。那次“意外”讓科考人員意識到發現的重要性。他們緊急調整后續20多次潛次計劃，聚焦于冷泉與化能生命群落規模的調查。

當時，北半球仍處于夏季，但高緯度地區氣溫、水溫低，作業海域大霧頻發，能見度極低，船長操船時甚至看不見船尾，潛器投放和回收難度極大。盡管如此，運維和下潛團隊仍舊密切配合，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”了科考隊員的想象力，每一個潛次，看到不一樣的生態群落景觀，他們就為其起一個昵稱：“臘梅園”“棉花田”“蛤蜊床”“藍沼澤”……

“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質生存。”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重要。”彭曉彤說，正是得益于國際合作團隊的跨學科背景，才能發現這一現象。同時，從去年年中取得發現到年底論文投稿歷時僅半年，需要在短時間內整合多學科數據，靠的是頂層設計和多個國際團隊分工協作、高效推進。

刷新深淵碳循環認知

國際科學界認為，這項研究不僅顛覆了過往人們關于極端深度生命潛力的傳統認知，也顛覆了人們對深海碳循環的認知。

“我們的分析顯示，深淵冷泉甲烷的碳和氫同位素值非常負——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，同時深淵中的甲烷儲層可能封存了大量有機碳，并以天然氣水合物的形式存在，形成了“隱藏的巨大碳庫”，這同時挑戰了深淵生態系統主要依賴表層海洋沉降的顆粒有機質和腐肉的傳統觀點。

深淵中的甲烷儲層可能封存了大量有機碳，并以天然氣水合物的形式存在，形成了“隱藏的巨大碳庫”，這同時挑戰了深淵生態系統主要依賴表層海洋沉降的顆粒有機質和腐肉的傳統觀點。

深海所副研究員柳雙權介紹說，研究團隊還在深淵沉積物中發現了大量冰晶石，這種自生碳酸鹽的形成可能是深淵無機碳埋藏的重要途徑之一。該發現拓展了對深海無機碳儲存機制的認識，為深淵海溝碳匯研究提供了新方向。

研究者表示，這些發現還暗示，化能合成生態系統在海溝中的分布可能比此前認為的廣泛得多。他們就此提出，在全球構造活躍、富含有機質的海溝中可能存在著一條規模巨大的化能生命走廊。

“根據地質環境相似性推測，在全球多條深淵海溝中都可能存在類似的化能生命群落。”彭曉彤說。

這項研究是由深海所牽頭、聯合10余國的科研機構共同發起的“全球深淵探索計劃”（GHEP）的一部分。“這項發現只是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？深淵甲烷儲庫的規模究竟有多大？深淵碳循環在全球碳循環中的作用如何？這些都值得深入研究。”杜夢然說。

今年底，深海所的科學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|中國科學報