萬物生長靠太陽，可黑黢黢的深海該咋辦？

即便在博物學澎湃發(fā)展的19世紀，對于浩瀚深海海底究竟有沒有生命存在，人們也始終無法給出一個肯定的答案。這也難怪，對于海面深處的世界，當時的人們?nèi)狈ψ銐虻难芯渴侄巍８螞r，按照當時的知識儲備來理解，深海生命的存在也是不符合邏輯的——1654年的馬德堡半球?qū)嶒炓呀?jīng)讓人們領(lǐng)略了大氣壓的威力，深海的水壓必然更強大。而只要潛水進入水下幾十米，光線就已經(jīng)足夠昏暗，更深的水層恐怕是漆黑一片的，沒有光線就無法進行光合作用，這也意味著深海失去了最重要的初級生產(chǎn)力，依附于其上的其他生物的生存也自然是不可能的。

不過，想讓人們完全放棄對深海生命的探索卻又是很困難的。海洋是如此廣闊，水深超過1000米的深海又超過海洋總面積的3/4，把如此廣袤的存在統(tǒng)統(tǒng)視作生命荒漠，的確讓人難以接受。

深海，真的是生命荒漠嗎？

圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

1867年，美籍法裔博物學家路易·普爾塔萊斯決心揭開這個謎團，他把港口疏浚用的挖泥斗沉入佛羅里達以南約940米的深海海底，果然采樣到大量生物樣本。此后的一百多年里，對于深海世界的探索不斷收獲新驚喜：1872-1876年英國“挑戰(zhàn)者號”進行環(huán)球科考期間證實了全球各處都有深海生命現(xiàn)象；1977年，“阿爾文號”深潛器首次發(fā)現(xiàn)深海熱液生物群落；1983年“阿爾文號”又發(fā)現(xiàn)了深海冷泉生態(tài)系統(tǒng)；直到今天，越來越多樣的探索工具被投入到深海研究領(lǐng)域，海山生態(tài)系統(tǒng)、深淵生態(tài)系統(tǒng)、深海珊瑚生態(tài)系統(tǒng)相繼被發(fā)現(xiàn)，長期游離在我們視野之外的深海中發(fā)生的生命故事，也正逐漸褪去神秘的色彩。

按照今天的海洋學研究方式，我們通常將水深200米以內(nèi)的淺海統(tǒng)稱為透光區(qū)，而在它下方的深度就可以被視為深海，其中200-1000米的水層被稱為中層帶，1-4千米的水層則是深層帶，4-6千米為深海帶，更深的區(qū)域則是超深淵帶。

值得注意的是，在給這些水層命名時，表層水域的名稱里并不著重體現(xiàn)深度，而是將“光”作為最顯著的特征。這是因為這個深度，水生植物和藻類通過光合作用奠定了整個生態(tài)系統(tǒng)的基石。而在深海的4個水層，由于光線的缺失，形成了一套以分解還原性化學物質(zhì)來合成有機物為基礎(chǔ)的“黑暗食物鏈”。

黑暗食物鏈，深海生物有妙招！

但這樣的界限也不是涇渭分明的。在淺海和深海交界地帶，許多生物不受阻礙的穿梭在兩者之間，這樣的往復穿梭甚至非常頻繁——為了避免在白天被掠食者輕易發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)浮游動物都選擇在白晝潛入一定水深下蟄伏，直到夜間才會浮動到表層水面覓食，而追隨它們的腳步，濾食性的魚類（譬如鯡魚和燈籠魚）和磷蝦也遵循同樣的垂直移動規(guī)律，它們繼而又帶動了掠食性魚類（譬如帶魚和槍烏賊等）的活動，由此形成了一場以一個晝夜為周期、遍布整個大洋的生物垂直大遷徙。

和這種主動往返于淺海和深海的活動形式不同，還有一些生活在中層帶的深海生物，更喜歡靜靜等待“天上掉餡餅”：生活在表層水域的生物死亡的尸體或排泄物會不斷分解成碎屑逐漸沉下來，這些碎屑飄飄灑灑如同雪花一般，于是得名“海雪”，對于許多中層帶甚至更深層水域生物來說，“海雪”是重要食物來源，一些生物甚至只以海雪為食，而盡管90%的海雪都會被中層帶的生物消耗掉，但剩余的海雪還是會不斷沉積到海底，在太平洋腹地的一些海床上，甚至形成了厚達幾百米的海雪層，這也足以證明海雪的總量是何等龐大了。此外，巨大的鯨、大型魚類的尸體以及自海岸上的沉木會比較快的直接沉到海底，它們?yōu)楹５咨锾峁┑挠袡C物營養(yǎng)也非常重要。

無論是晝夜垂直遷徙，還是依靠海雪或鯨落為生，這樣的生態(tài)方式總還是離不開“光合作用食物鏈”的參與，而在更深的海底，也有一群生物走上了截然不同的道路。

1977年，“阿爾文號”深潛器在探尋加拉帕格斯群島裂谷區(qū)時拍攝到了震撼世界的場景——海底聳立著數(shù)不勝數(shù)的高大“煙囪”，“煙囪”頂端噴射出滾燙的“黑煙”，而在噴射口附近，成簇的管狀蠕蟲、貽貝和蝦蟹魚類圍繞其間。生命科學領(lǐng)域最偉大的發(fā)現(xiàn)之一——深海熱液生態(tài)系統(tǒng)闖進世人眼前。

滾燙又有毒？深海生物的別樣伊甸園

深海熱液的形成機制并不復雜，在大洋中脊上有許多板塊活動形成的縫隙，海水滲透其中，被洋殼底部的高溫加熱，同時溶入多種金屬硫化物，由于高壓和溶解度的變化，這些海水的溫度可以達到350-400℃，當它們再次通過縫隙被噴射到海底環(huán)境后，在溫度降低的過程中，金屬硫化物也在噴射口附近連續(xù)沉積，不斷加高的噴射口最終形成了“黑煙囪”。

由于含有大量硫化氫和重金屬，黑煙囪周邊原本是個不適合生物生存的有毒環(huán)境，但對于一些可以分解這些化學物質(zhì)并合成有機物的微生物來說，黑煙囪無疑是個天堂。由于深海環(huán)境溫度很低，滾燙的黑煙囪周圍形成了溫度依次變低的梯度，而不同的生物占據(jù)了不同的溫度梯度，構(gòu)建起一套完整的生態(tài)系統(tǒng)——在最靠近噴射口的區(qū)域生活著大量嗜熱的古菌和細菌，稍遠一些則是嗜熱多毛動物的地盤，在周邊溫度2-15℃的區(qū)域，是熱液生態(tài)系統(tǒng)最繁盛的場所，大部分雙殼貝類、管狀蠕蟲和蝦蟹都集中在這里。

利用熱液中的還原性硫化物合成有機物的“化能自養(yǎng)”方式是構(gòu)建熱液生態(tài)的基礎(chǔ)，擁有化能自養(yǎng)能力的微生物一定程度上充當了類似陸地和淺海中的植物與藻類的作用，而其他生物或者直接以微生物為食，亦或者和微生物共生的方式在熱液口周圍繁衍生息。

而在大陸邊緣地區(qū)的深海底，還有另一種化能自養(yǎng)生物的天堂，這就是海底冷泉。冷泉的形成和熱液完全不同，它們源自海底有機物沉積后的緩慢噴涌或溢出的流體，這里的溫度和海底環(huán)境溫度基本一致，而由于溢出的流體中富含甲烷等成分，這里也極為適合甲烷古菌生存，古菌密集的分布在冷群泉周圍，甚至能形成廣達數(shù)百米的菌斑。同樣依靠捕食古菌或者與古菌共生，冷泉生態(tài)形成了以管狀蠕蟲、貽貝、多毛類和鎧甲蝦為消費者的基本生態(tài)結(jié)構(gòu)。

值得一提的是，盡管冷泉和熱液生態(tài)區(qū)的環(huán)境差別如此之大，兩者之間卻還有20%的物種是共通的，而通過對最典型冷泉-熱液生物——深海貽貝的研究發(fā)現(xiàn)，這種今天被視作深海典型物種的貝類，其實發(fā)源于淺海潮間帶地區(qū)，根據(jù)比較基因組研究發(fā)現(xiàn)，它們大約在1.1億年前移居到深海，并成功度過了5700萬年前因全球升溫導致的海洋缺氧大滅絕事件。在深海環(huán)境的自然選擇下，這些貽貝的蛋白結(jié)構(gòu)也逐漸出現(xiàn)適應(yīng)性變化，譬如有助于穩(wěn)定蛋白結(jié)構(gòu)作用的熱休克蛋白70家族不斷強化，有助于幫助貽貝修復深海極端環(huán)境下的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)損傷，負責傳輸物質(zhì)的ABC運輸?shù)鞍准易逡驳玫綌U增，有利于幫助它們利用鰓表皮細胞排出有毒物質(zhì)。正是依靠這些變化，它們才完成了從近海到遠洋、從淺海到深水、從濾食到化能自養(yǎng)的華麗轉(zhuǎn)身。

坦率的說，受制于研究手段的限制，人們對深海生態(tài)系統(tǒng)的研究依舊處于比較初級的階段，除了我們已經(jīng)介紹的中層帶、熱液和冷泉生態(tài)之外，近些年對于海山生態(tài)、超深淵生態(tài)的研究也還有待進一步推進，而在這股探索深海的浪潮中，我們中國人正在貢獻自己的力量，我國研制的“蛟龍?zhí)枴鄙顫撈髯屛覈詈Ｕ{(diào)查能力可以覆蓋全球99%的洋底，“深海勇士號”深潛器的服役又再一次強化了這種能力。有理由相信，在不久的將來，我們還能洞察更多來自深海的生命奇跡。

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作者：流浪 科普作者

審核：張訓華 青島海洋地質(zhì)研究所 研究員