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                            ——中國科學院辦院方針

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                            探秘馬里亞納海溝的大洋最深生物圈

                            2021-12-09 文匯報
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                            深淵獅子魚

                            鼠尾鱈魚

                             

                            鉤蝦

                             

                            (圖片來源:中國科學院深??茖W與工程研究所) 本文圖片除注明外均由李軒研究組提供

                              編者按

                              近日,中國科學院院士、同濟大學海洋與地球科學學院教授汪品先向有關部門建議,希望在上海臨港建一座“世界上獨一無二的”深海館,將人類自上世紀四五十年代以來對深海的前沿探索成果和最新技術系統呈現給公眾。

                              海洋更大的奧秘、更多的寶藏不在海面,而在深部。今年10月,我國自主研發的“奮斗者號”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科考應用。在那里,科學家剛剛認識到了一個神秘的微生物世界。在這個被稱為“世界第四極”的極端生存環境中,這些生命是如何存活并影響地球碳循環的?讓我們跟隨科學家的講述一探究竟。

                              馬里亞納海溝的挑戰者深淵,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,是名副其實的“大洋龍宮”。在這個高壓、低溫、低氧、黑暗、寡營養的極端生態環境中,會有什么樣的奇特生物存在呢?真會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,南端延伸至西馬里亞納島弧西南坡腳,呈扇形分布。它全長2550千米,平均寬70千米,最大水深達1.1萬米,是地球表面最深處,堪稱地球“第四極”。

                              這條地球大洋中最深的海溝里到底有些什么?其實,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物,更沒有耀武揚威的蝦兵蟹將。這里的水壓高達1100個大氣壓,相當于1650噸重量壓在人的脊背上——以大象平均體重5噸計算,這個水壓相當于330頭大象踩在一個人的背上。這里的水體溫度低至0-4℃,含氧量極低,有機物質嚴重匱乏,還被黑暗結結實實地籠罩。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活動頻發。

                              一般情況下,人們根據海溝水層的不同深度,將其生態分為海洋上層(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)五層結構。海洋上層通過光合作用生產的有機物,約95%會被處于上層的微生物消耗;另有4%左右的有機物在深度300-1200米的水層中被分解;只有不足1%的有機物才會到達1200米及更深的水域。

                              此外,人們還發現,馬里亞納海溝中的海水并非是靜止的,而是以較為穩定的速度在流動。有人曾用儀器在水深6000-10984米的范圍內進行檢測,在22.9-63.8%的監測時間內,海流速度不到每秒1.5厘米。但在10984米的最深處,曾檢測到的最高流速達每秒8.1厘米。

                              復雜水文活動和特殊地貌地形,調節著海溝內部的物理和化學條件,這是造成馬里亞納海溝內外不同生態位差異的原因。

                              海深魚不至

                              鉤蝦海參占領萬米深淵

                              隨著深海水深的增加,大型生物種類和數量逐步減少。在深度超千米的海水層中,由于光線不能到達,整個海洋陷入完全黑暗,但人們仍在那里發現了各種魚、烏賊、章魚以及抹香鯨等大型海洋動物。

                              比如,生活在水深達1000米的管眼魚,具有完全透明的頭部和兩個向上的管狀眼睛。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、小飛象章魚和望遠鏡章魚。但當水深增加到6000至8000米,魚類就大大減少,至今只發現過幾種。例如,科學家曾在6000米深海中發現過一種鼠尾鱈魚。

                              迄今人類發現過大海最深處的魚類,是在馬里亞納海溝8145米的海床上發現的一種深淵獅子魚。這種魚渾身呈乳白色,通體半透明或全透明,有較大的頭部。一對小眼睛長在頭背面,而且結構奇特——其組織結構很像一架望遠鏡,能隨意調整焦距,還能上下左右轉向。

                              獅子魚沒有魚鱗,體長可達20厘米。生活于深海的獅子魚,生理組織結構與普通魚類相比,發生了巨大變化。比如,為適應高壓環境,它的骨骼變得細薄而易彎曲,肌肉和纖維組織柔韌細密。2019年,中國科學家完成測序并發表了這種深淵獅子魚的基因組序列,揭示了該物種為適應深海高壓環境生活的重要遺傳改變。

                              那么,在馬里亞納海溝1.1萬千米深的挑戰者深淵,有大型生物存在嗎?答案是肯定的。目前,人們發現生活在大洋最深處的動物,是馬里亞納海溝挑戰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物屬于端足目生物,體長可達5厘米,身體呈漂白色,科學家們正積極研究這種鉤蝦在極端環境下的生理活動、生存方法,基因組測序的遺傳學研究也在進行中。除了鉤蝦外,科學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物,包括多毛類環蟲、海參等。

                              呼吸本領強

                              微生物海底“兩棲”生存

                              在馬里亞納海溝挑戰者深淵,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,在那樣的極端生境下,微生物群落種類繁多,構成了結構復雜非凡的生態圈。

                              近年來,研究環境微生物的宏基因組學方法的發展,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,科學家已在馬里亞納海溝最深沉積物中發現了豐富的微生物菌群,包括細菌、古細菌和真核微生物(真菌),此外還發現了多種豐度較高的海洋病毒。

                              在目前發現的原核微生物中,細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屬奇古菌和廣古菌。

                              迄今為止,研究人員已經為馬里亞納海溝沉積物微生物組建立了178個微生物基因組草圖(MAG)。通過對微生物基因組的分析,人們對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門,但它們幾乎都包含有輔酶M的生物合成和產甲烷基因。這表明,在寡營養條件下,它們可能擁有利用化學能固定二氧化碳來產生甲烷的能力。

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

                              病毒與真菌

                              海溝沉積物中有新發現

                              隨著宏基因組測序技術和培養分離方法的不斷進步,科學家最近完成了對馬里亞納海溝沉積物生態環境中真核微生物的完整研究和發現。

                              馬里亞納海溝沉積物中的主要真核微生物是真菌,包括子囊菌、擔子菌、毛霉菌、芽枝霉菌、捕蟲霉菌和壺菌。

                              在海溝深淵沉積物的有機碳循環中,真菌起著重要作用。它能降解多種含碳和氮的化合物,同時具有完整的異化硝酸鹽還原和同化硝酸鹽還原途徑,以及部分氮反硝化途徑。它們的存在可以讓微生物在無氧或少氧條件下,利用硝酸鹽作為電子受體,進行呼吸代謝。值得注意的是,反硝化途徑常存在于反硝化細菌中,而深淵沉積物的微生物群體基本上不具有硝化或厭氧氨氧化能力。

                              此外,這些真菌還具有硫代謝的關鍵代謝途徑。這些發現表明,挑戰者深淵沉積物中的真菌群落,在馬里亞納海溝深淵環境中的硫循環和能量轉化中有重要作用。

                              上世紀末,人們第一次發現了海洋病毒,但受限于技術手段,直到近年才認識到廣闊海洋里存在大量種類繁多的神秘病毒。馬里亞納海溝沉積物生態環境中是否存在病毒,這一問題也直到最近才得到確認。中國科學家首次檢測到馬里亞納海溝沉積物生境中的病毒群落,發現其病毒是以雙鏈DNA病毒為主,并解析了其多樣性。

                              從分類上看,馬里亞納海溝深淵環境中的病毒主要屬于有尾病毒目,總共包括15個病毒科,其中主要有肌尾噬菌體科、長尾噬菌體科和短尾噬菌體科。值得注意的是,在馬里亞納海溝深層沉積物中還檢測到了相對豐度較高的巨型病毒,例如擬菌病毒科和藻類脫氧核糖核酸病毒科。

                              深海環境中的病毒有兩方面的功能:其一,病毒通過裂解海洋微生物,改變其物質能量代謝,從而調節和影響海洋生態系統組成和能量物質循環;其二,病毒所攜帶的代謝相關基因(輔助代謝基因)直接影響微生物宿主生理和代謝活動產物,從而驅動微生物的物質和能量代謝,并可能由此改變海洋環境的物質能量平衡。

                              迄今,科學家總共在挑戰者深淵沉積物病毒中鑒定出至少40種輔助代謝基因,它們在碳、硫、氮的代謝中起著重要作用。雖然輔助碳代謝基因最常見,但對于氮代謝,研究人員在病毒中發現了編碼亞硝酸還原酶的NirK基因,說明深淵沉積物病毒可增強宿主的亞硝酸鹽還原反應途徑,并釋放一氧化氮到海溝深淵環境中。對于硫代謝,深淵沉積物病毒被發現含有編碼ATP硫酸酯酶的CysN/NodQ基因,它們可以促進同化硫酸鹽還原的第一步反應。

                              海底生物固碳

                              探索地球碳循環“拼圖”

                              近年來的研究發現,生活在海溝深淵極端環境的微生物具有高價值產物生產能力和非常重要的環境功能??茖W家已經在海底熱泉、極地等極端環境中,發現能夠產生重要化合物的微生物,比如具有重要藥用價值的天然抗生素。馬里亞納海溝極端生境中的多樣化微生物數量眾多,絕對是一個尚待開發利用的生物寶藏。

                              海洋碳匯(即海洋對于空氣中二氧化碳進行捕捉和封存)對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,海洋的生物固碳發揮著與陸地上綠色森林固碳相當或者更重要的作用。最近,科學家發現馬里亞納海溝深淵微生物擁有多種固碳功能途徑,因此其對于地球環境和溫室氣體固定的意義,才剛剛被人們所認知。

                              同時,海溝等深海區域微生物在全球海洋氣候調節中的重要作用,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)的吸收轉化利用。

                              此外,海溝深淵微生物還對全球氮循環有著重要影響。氮是構成蛋白質必不可少的元素,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、海深自主遙控水下機器人“海斗一號”、水下滑翔機“海燕—X”號,分別在馬里亞納海溝成功下潛突破萬米深度,創造中國載人和無人自動深潛新紀錄。

                              如同對外太空天體的探索一樣,通過對海洋最深處生態和生物群的研究,人們逐步了解到極限生態環境條件下的生命現象和生命演化的奧秘。我們這顆藍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發,縱向探索地球演化和人類最初的奧秘。

                             ?。ū疚南抵袊茖W院分子植物科學卓越創新中心李軒研究組集體創作)

                             ?。ㄔd于《文匯報》 2021-12-09 第9版)

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