探秘深海秘境——海底热液生态系统 - 海底生态系统研究

探秘深海秘境——海底热液生态系统

1872—1876 年，英国科学调查船“挑战者”号划时代的科学考察揭开了近代深海大洋调查研究的序幕。但直到近几十年，深海调查研究才取得革命性的重大突破。1977 年，科学家在东太平洋加拉帕斯裂谷发现了巨大的海底“黑烟囱”（热液喷口），在温度高达几百度的海底黑烟囱处仍存活的大量生物群落(含细菌、古菌、真菌等)，这一发现被认为是 20 世纪后期最显著的科学发现之一，与其相关的资源、环境问题和“黑暗食物链”生命过程也成为当前深海研究的焦点，并取得了一系列成果。对极端环境下的生物基因的开发利用，已形成数十亿美元的产业规模;对极端环境生命过程的研究称为天体生物学( Astrobiology)，成为探讨生命起源及寻找外太空生命的关键。

（海洋最深部能否带给我们对世界新的认识？） 1 m. Q/ I6 b+ q3 y5 {# @7 U0 |% K

什么是深海极端环境？深海通常指水深大于 1000 m 的海域，占全球海洋体积的75%，是地球上最为重要的极端环境之一，它具有物理上的极端(如温度、辐射、压力)和化学上的极端( 如盐度、pH、氧含量等)。深海环境或叫深海极端环境是由多因子共同塑造的一个统一系统，拥有深海平原、海山、热液、冷泉及深渊等特殊环境，导致海底地形、理化因子的剧烈变化。从地球系统科学的理念来看，深海底部是地球各圈层(岩石圈、水圈、生物圈) 之间相互作用，相互依赖和相互影响最为频繁，最为活跃的地区。 + W$ U8 y4 h" u0 q0 `, L0 A

海底热液生态系统与依靠光合作用维持生命的生物群落不同，在没有阳光照射的深海中存在一个神秘的生物世界。这个生物群落的“居民”依靠黑烟囱等海底热液喷口释放的地热和物质生活，称为“黑暗生物圈”，也就是海底热液生态系统。（典型的黑烟囱及其热液生物）在黑烟囱的喷发口中，有大量的气体、金属离子喷出，且形成了温度和化学物质浓度梯度，最高温度可达四百度，与地球早期的环境相似，这种环境为周围的化能自养型微生物提供充足的能量。热液生物群落中的其他动物可以将这些微生物合成的有机物作为食物来源。以热液生物群落中的盲虾为例，其身上有若干黑点，被证实是嗜硫细菌。作为热液生态系统的源头，嗜硫细菌把剧毒硫化物转化为能量，寄生在盲虾身上。盲虾取食身体表面的细菌，数量较少的热液鱼则以盲虾等为食。尽管黑烟囱活动区的温度极高，利用深海摄像我们仍然能够清楚地观察到：在这个黑色的生命“绿洲”中生活着蠕虫、蛤类、贻贝类、蟹类、水母、藤壶等生物群落，生机盎然。（蛟龙号拍的大糦热液区的黑烟囱与热液生物）据统计，科学家在海底热液区新发现的物种已达 10 门、500 多种属，大部分为热液环境所独有。我们再以黑烟囱生态系统中的硫氧化菌为例：硫化氢是比较常见的有毒物质，对大部分陆地生物有剧毒，但是在深海热液喷口环境中，各种硫氧化菌获取代谢能量的最重要的营养来源却是硫化氢。 8 l, ]. d7 D: f) I% u

（冲绳海槽热液区喷口处雪花状的细菌）

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生命起源之地？

地球上的生命是如何起源的？这是人类最关心的问题之一。2017 年 3 月，《自然》杂志发表的一项研究成果称：至少在37.7 亿年前，远古时代的深海热液喷口及其周围存在微生物活动的证据，极有可能代表着地球上最早期的生命形式。

这一发现为生命的“高温起源说”增加了新的证据。

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深海热液区生态系统的特点在于它们的形成、维持和消亡过程。热液区喷口附近的生物群落，有的刚刚形成，有的正在繁盛，有的正在衰落。它们随着热液喷发活动的开始而逐渐兴盛，热液喷发活动一旦停止，依附于它的生物群落也将逐渐消亡。而热液喷发活动维持时间长短不一，短则几年，长则几十年。

在不同海区，热液喷口生物群落也有很大差异。比如在东太平洋海隆热液区有一种大型的巨管蠕虫多毛类生物，至今在西太平洋、大西洋、印度洋均尚未发现。而印度洋热液区生存着一种鳞脚腹足类生物，是印度洋热液喷口的特有物种。

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（阿尔文号潜艇的遥控机械臂收集蠕虫标本）

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“热汤假说”认为，在生命形成早期，原始海洋就像一锅热气腾腾的浓汤，其中溶解了各种化学物质。高温为化学反应提供了条件，无机小分子逐步形成有机大分子，大分子逐步形成早期生命物质。

现代海洋热液区的高温、高压、充满多种无机小分子的环境与“热汤假说”如此吻合，这些生命现象让科学家对生命起源有了更多的思考。

巨大的经济价值

一些发达国家已开始黑烟囱矿产开发的先期研究，通过在海底热液活动区钻出喷口收集海底矿物资源，成本和环境代价极低。这种海底热液喷口收集矿物资源的方法，被称为“黑矿养殖计划”。

比起传统海底探矿与开采，黑矿养殖可谓海底的“开心农场”：如同种植农作物一般，科研人员选择养分丰富的区域（金属离子浓度高的区域），利用人工钻孔给予“发芽”（矿物长晶）的机会，随后放置成矿培养平台，搭配适当的环境生长（海水降温沉积），使其持续沉积矿物，达到一定量后将其“收割”。

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利用这些人工烟囱的矿物学特性可以选择性沉积和提取相应的元素。这为在低勘探成本和低环境负担下获得海底矿产资源提供了希望。

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（热液系统形成过程和机理的示意图）与此同时，深海热液喷口极端的生态环境以及丰富的生物资源，使得深海热液喷口处的微生物及其次生代谢产物在抗肿瘤、抗衰老、抗氧化等领域具有重要的研究价值，或成为未来宝贵的生物基因和医药资源 - y/ m; ~3 l$ f$ {7 l: S

。这远超过了“黑烟囱”的地质矿产价值。参考文献：

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文本：隗陈征

编辑：隗陈征

推送：李   鑫

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