探秘馬里亞納海溝的大洋最深生物圈

海洋更大的奧秘、更多的寶藏不在海面，而在深部。2021年10月，我國自主研發(fā)的“奮斗者號(hào)”萬米載人深潛器已在大洋最深處的馬里亞納海溝正式投入常規(guī)科考應(yīng)用。在那里，科學(xué)家剛剛認(rèn)識(shí)到了一個(gè)神秘的微生物世界。在這個(gè)被稱為“世界第四極”的極端生存環(huán)境中，這些生命是如何存活并影響地球碳循環(huán)的？讓我們跟隨科學(xué)家的講述一探究竟。

馬里亞納海溝的挑戰(zhàn)者深淵，是目前地球上已知海洋最深的地方。它地處海平面以下1.1萬米處，是名副其實(shí)的“大洋龍宮”。在這個(gè)高壓、低溫、低氧、黑暗、寡營養(yǎng)的極端生態(tài)環(huán)境中，會(huì)有什么樣的奇特生物存在呢？真會(huì)有傳說中的深海蛟龍嗎？

地球“第四極”：

暗流中生命極限生存

馬里亞納海溝位于菲律賓海東南部，北端開始于小笠原海臺(tái)，南端延伸至西馬里亞納島弧西南坡腳，呈扇形分布。它全長(zhǎng)2550千米，平均寬70千米，最大水深達(dá)1.1萬米，是地球表面最深處。

這條地球大洋中最深的海溝里到底有些什么？其實(shí)，它和神話傳說中的龍宮相去十萬八千里。這里既沒有色彩繽紛的魚類，也沒有美麗炫目的貝殼動(dòng)物，更沒有耀武揚(yáng)威的蝦兵蟹將。這里的水壓高達(dá)1100個(gè)大氣壓，相當(dāng)于1650噸重量壓在人的脊背上——以大象平均體重5噸計(jì)算，這個(gè)水壓相當(dāng)于330頭大象踩在一個(gè)人的背上。這里的水體溫度低至0～4℃，含氧量極低，有機(jī)物質(zhì)嚴(yán)重匱乏，還被黑暗結(jié)結(jié)實(shí)實(shí)地籠罩。而且，由于馬里亞納海溝位于太平洋板塊與菲律賓海板塊碰撞地帶，因此深海地震等地質(zhì)活動(dòng)頻發(fā)。

一般情況下，人們根據(jù)海溝水層的不同深度，將其生態(tài)分為海洋上層（水深0～200米）、海洋中層（200～1000米）、海洋深層（1000～4000米）、深淵層（4000～6000米）及超深淵層（6000米及更深）五層結(jié)構(gòu)。海洋上層通過光合作用生產(chǎn)的有機(jī)物，約95%會(huì)被處于上層的微生物消耗;另有4%左右的有機(jī)物在深度300～1200米的水層中被分解;只有不足1%的有機(jī)物才會(huì)到達(dá)1200米及更深的水域。

此外，人們還發(fā)現(xiàn)，馬里亞納海溝中的海水并非是靜止的，而是以較為穩(wěn)定的速度在流動(dòng)。在水深6000～10984米的范圍內(nèi)，海流速度不到每秒1.5厘米。但在10984米的最深處，曾檢測(cè)到的最高流速達(dá)每秒8.1厘米。

復(fù)雜水文活動(dòng)和特殊地貌地形，調(diào)節(jié)著海溝內(nèi)部的物理和化學(xué)條件，這是造成馬里亞納海溝內(nèi)外不同生態(tài)位差異的原因。

海深魚不至：

鉤蝦海參占領(lǐng)萬米深淵

隨著深海水深的增加，大型生物種類和數(shù)量逐步減少。在深度超千米的海水層中，由于光線不能到達(dá)，整個(gè)海洋陷入完全黑暗，但人們?nèi)栽谀抢锇l(fā)現(xiàn)了各種魚、烏賊、章魚以及抹香鯨。比如，生活在水深達(dá)1000米的管眼魚，具有完全透明的頭部和兩個(gè)向上的管狀眼睛。而抹香鯨作為用肺呼吸的潛水冠軍，可以下潛到2000米深處尋找食物。在2000米或更深處，人們看到過大嘴琵琶魚、深海龍魚、小飛象章魚和望遠(yuǎn)鏡章魚。但當(dāng)水深增加到6000至8000米，魚類就大大減少，至今只發(fā)現(xiàn)過幾種。例如，科學(xué)家曾在6000米深海中發(fā)現(xiàn)過一種鼠尾鱈魚。

迄今人類發(fā)現(xiàn)過大海最深處的魚類，是在馬里亞納海溝8145米的海床上發(fā)現(xiàn)的一種深淵獅子魚。這種魚渾身呈乳白色，通體半透明或全透明，有較大的頭部。一對(duì)小眼睛長(zhǎng)在頭背面，而且結(jié)構(gòu)奇特——其組織結(jié)構(gòu)很像一架望遠(yuǎn)鏡，能隨意調(diào)整焦距，還能上下左右轉(zhuǎn)向。

獅子魚沒有魚鱗，體長(zhǎng)可達(dá)20厘米。生活于深海的獅子魚，生理組織結(jié)構(gòu)與普通魚類相比，發(fā)生了巨大變化。比如，為適應(yīng)高壓環(huán)境，它的骨骼變得細(xì)薄而易彎曲，肌肉和纖維組織柔韌細(xì)密。2019年，中國科學(xué)家完成測(cè)序并發(fā)表了這種深淵獅子魚的基因組序列，揭示了該物種為適應(yīng)深海高壓環(huán)境生活的重要遺傳改變。

那么，在馬里亞納海溝1.1萬米深的挑戰(zhàn)者深淵，有大型生物存在嗎？答案是肯定的。目前，人們發(fā)現(xiàn)生活在大洋最深處的動(dòng)物，是馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵的一種短腳雙眼鉤蝦。這種在已知的極限高壓下生活的動(dòng)物屬于端足目生物，體長(zhǎng)可達(dá)5厘米，身體呈漂白色，科學(xué)家們正積極研究這種鉤蝦在極端環(huán)境下的生理活動(dòng)、生存方法，基因組測(cè)序的遺傳學(xué)研究也在進(jìn)行中。除了鉤蝦外，科學(xué)家還在馬里亞納海溝最深處觀察到一些形狀特異的軟體動(dòng)物，包括多毛類環(huán)蟲、海參等。

呼吸本領(lǐng)強(qiáng)：

微生物海底“兩棲”生存

在馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵，除了人眼可見的生物外，更多的是人眼看不見的微生物。其實(shí)，在那樣的極端生境下，微生物群落種類繁多，構(gòu)成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜非凡的生態(tài)圈。

近年來，研究環(huán)境微生物的宏基因組學(xué)方法的發(fā)展，為全面研究馬里亞納海溝沉積物完整生物圈的組成提供了條件。目前，科學(xué)家已在馬里亞納海溝最深沉積物中發(fā)現(xiàn)了豐富的微生物菌群，包括細(xì)菌、古細(xì)菌和真核微生物（真菌），此外還發(fā)現(xiàn)了多種豐度較高的海洋病毒。

在目前發(fā)現(xiàn)的原核微生物中，細(xì)菌菌群中最豐富的是變形菌、綠彎菌、放線菌、浮霉菌、厚壁菌、擬桿菌，而古生菌中最豐富的當(dāng)數(shù)奇古菌和廣古菌。

迄今為止，研究人員已經(jīng)為馬里亞納海溝沉積物微生物組建立了178個(gè)微生物基因組草圖（MAG）。通過對(duì)微生物基因組的分析，人們對(duì)馬里亞納海溝沉積物微生物的生活方式有了初步了解。

馬里亞納海溝沉積物微生物分屬于七個(gè)門，但它們幾乎都包含有輔酶M的生物合成和產(chǎn)甲烷基因。這表明，在寡營養(yǎng)條件下，它們可能擁有利用化學(xué)能固定二氧化碳來產(chǎn)生甲烷的能力。

同時(shí)，海溝中的不少微生物可能同時(shí)具備進(jìn)行有氧呼吸和無氧呼吸的本領(lǐng)。不少微生物帶有有氧呼吸基因——細(xì)胞色素c氧化酶，說明它們可利用氧氣作為電子受體來產(chǎn)生能量。但同時(shí)，它們還攜帶有無氧呼吸途徑的基因。因此，這些細(xì)菌就好像兩棲動(dòng)物一樣，無論在有氧還是在無氧環(huán)境中，都能頑強(qiáng)生存。

海底生物固碳：

探索地球碳循環(huán)“拼圖”

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，生活在海溝深淵極端環(huán)境的微生物具有高價(jià)值產(chǎn)物生產(chǎn)能力和非常重要的環(huán)境功能?？茖W(xué)家已經(jīng)在海底熱泉、極地等極端環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)能夠產(chǎn)生重要化合物的微生物，比如具有重要藥用價(jià)值的天然抗生素。馬里亞納海溝極端生存環(huán)境中的多樣化微生物數(shù)量眾多，絕對(duì)是一個(gè)尚待開發(fā)利用的生物寶藏。

海洋碳匯（即海洋對(duì)于空氣中二氧化碳進(jìn)行捕捉和封存）對(duì)于全球大氣中溫室氣體的固定，起著極其重要的作用。有研究表明，過去兩百年間，海洋吸收的二氧化碳占化石燃料排放量的40%以上。海洋生物完成了地球上55%的生物碳或綠色碳的捕獲和固定。某種程度上，海洋的生物固碳發(fā)揮著與陸地上綠色森林固碳相當(dāng)或者更重要的作用。最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)馬里亞納海溝深淵微生物擁有多種固碳功能途徑，因此其對(duì)于地球環(huán)境和溫室氣體固定的意義，才剛剛被人們所認(rèn)知。

同時(shí)，海溝等深海區(qū)域微生物在全球海洋氣候調(diào)節(jié)中的重要作用，還需深入探討研究，尤其是海洋深處微生物對(duì)地球大氣中的二氧化碳、甲烷和氧化亞氮等氣體（都是重要的溫室氣體）的吸收轉(zhuǎn)化利用。

此外，海溝深淵微生物還對(duì)全球氮循環(huán)有著重要影響。氮是構(gòu)成蛋白質(zhì)必不可少的元素，海洋中，尤其在大洋深處，存在大量氨氧化微生物，這些微生物對(duì)氨氮的吸收利用也不可忽視。

2020年和2021年，中國載人潛水器“奮斗者號(hào)”、海深自主遙控水下機(jī)器人“海斗一號(hào)”、水下滑翔機(jī)“海燕—X號(hào)”，分別在馬里亞納海溝成功下潛突破萬米深度，創(chuàng)造中國載人和無人自動(dòng)深潛新紀(jì)錄。

如同對(duì)外太空天體的探索一樣，通過對(duì)海洋最深處生態(tài)和生物群的研究，人們逐步了解到極限生態(tài)環(huán)境條件下的生命現(xiàn)象和生命演化的奧秘。我們這顆藍(lán)色星球上的生命正是從海洋中誕生的。今天，我們要不斷向海洋深處進(jìn)發(fā)，縱向探索地球演化和人類最初的奧秘。

（注：本文系中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心李軒研究組集體創(chuàng)作）

（摘自2021年12月9日《文匯報(bào)》）