藏在海底深淵中的“微生物寶庫”

南極、北極、青藏高原、馬里亞納海溝并稱為地球四極。四極環境條件極端、人跡罕至，其中尤以地球深極——馬里亞納海溝最為隱秘，它代表了一類探索度最低的生態環境——海斗深淵。

(資料圖片)

海斗深淵一般指深度超過6000米的，具有極端高壓、低溫、高鹽、低溶解氧、黑暗、陡峭閉合地形的深海溝。海斗深淵分布在大洋板塊向大陸板塊俯沖的地帶上，是地球上最深的海洋區域，盡管深淵面積僅占全球海底總面積的1%-2%，但是在深度分布上卻代表了45%的最深海洋區域。

深淵主要位于海溝中，目前世界上已知的主要海溝有37條，絕大多數位于太平洋，已知最深的深淵是位于西北太平洋馬里亞納海溝的“挑戰者深淵”，其深度超過了10900米。

“可上九天攬月，可下五洋捉鱉”是人類長久以來的夢想，站在現代的技術角度去分析，下海的難度的確不亞于上天，深淵探索的進程彰顯了一個國家科學與技術水平的最前沿。

看似荒蕪的深淵環境卻并非生命禁區，而是存在著多種生命形式。2012年，我國的深潛器“蛟龍”號在馬里亞納海溝潛下了7062米的中國載人潛水記錄，由此也拉開我國深淵探索的大幕。我們的科研團隊曾多次挺進海斗深淵，在8919米深的雅浦海溝底部，發現并捕獲了海參、海星、海葵、海綿等宏生物；在馬里亞納海溝西坑底部，利用誘捕的方法，捕獲了兩種不同類型的鉤蝦，采集了海參等樣本。這些宏生物的出現，意味著在深淵環境中必然存在豐富的微生物類群，以支撐宏生物在此繁衍生息。

我國的科研團隊從馬里亞納海溝海水、沉積物以及宏生物樣本體內分離出了細菌、古菌等微生物，并從樣品中首次分離獲得了耐壓真菌，驗證了耐壓真菌在深淵碳代謝等方面的環境適應性演化。

此外，通過分析來自馬里亞納、雅浦、克馬德克等三個海溝樣本的19個宏基因組，我國成功構建了目前為止最大的海溝病毒基因組數據庫，包含12710個非冗余的病毒基因組，其中99%以上顯著區別于已知數據庫中的病毒基因組，80%以上無法歸到已知分類的病毒種屬，證明了海溝病毒有極大地多樣性和新穎性。

任何生態系統的運作都離不開物質和能量的流動，深淵系統中的微生物在這方面很可能起到了至關重要的作用。

陸地和海洋表層生態系統依靠光能驅動。植物以及藍細菌能夠吸收光能，利用光合作用固定二氧化碳，產生有機物，進而為其他生物提供能量和有機碳源。但深海缺乏光照，無法進行光合固碳，海洋上層通過光合作用產生的有機物只有不足1%達到1200米及更深的水域，因此深海生態系統中能量和碳源的供給很大程度上有賴于化能自養微生物。

化能自養微生物利用巖石、沉積物、水體中的硫化物、鐵、錳等無機物以及從地殼釋放出的甲烷這類一碳化合物，通過化學反應合成有機碳，在自身獲得能量得以生存的同時，也為深海環境中的其他生命提供了食物。目前我們對深淵的微生物自養過程了解尚不多，不過我們可以參考一類研究較多的，相對較淺的典型深海環境——冷泉。

冷泉是一種典型的深海環境，海底沉積界面之下的以水、碳氫化合物、硫化氫、細粒沉積物為主要成分的流體，以噴涌或滲漏方式從海底溢出，即為冷泉。我國科研人員驗證了厭氧甲烷氧化古菌（ANME）在高壓下將甲烷厭氧氧化為無機碳的同時也能產生有機碳，為深海冷泉系統提供了碳源。厭氧甲烷氧化古菌介導的甲烷厭氧氧化過程每年消耗約4億噸甲烷，屏蔽了海底約90%的甲烷釋放，不僅深刻影響了深海的碳循環，也對全球氣候變化有著不可忽視的作用。

近年來，深淵科學儼然已成為一門獨立學科，是人類認識地球過程、了解全球氣候變化、摸索生命多重極端環境生存邊界的重要窗口。深淵微生物因其在揭示生命極限、元素及物質循環、海洋微生物演化等方面的獨特貢獻，也成為了深淵科學的熱點之一。

深海環境被認為與早期地球有一定的相似性，是研究生命多樣性、極端環境適應性和生命起源與演化的絕佳實驗場。科研人員前期通過研究典型深海嗜熱微生物菌株，提出了“多因子環境適應存在共同機制”的假說。此外，還發現了一個有趣的現象，該超嗜熱菌株突變速率和有效種群大小的顯著負相關，即有效種群越小，突變速率越高，由此說明基因的遺傳漂變，也就是隨機性的演化機制導致了深海嗜熱極端微生物演變，這與常規環境中普遍遵循的自然選擇的演化機制大相徑庭。而深淵微生物又將為我們帶來哪些顛覆性的發現，如何幫助科學家們去摘取生命科學王冠上的明珠——破解生命起源之謎，值得所有人拭目以待。

研究深淵微生物不僅能帶來科學上的巨大突破，也能帶來無法估量的現實應用價值。科學家們已經發現了部分具有臨床應用前景的深淵微生物，譬如，一種深淵鏈霉菌產生的系列化合物具有較好的抗菌活性，是萬古霉素的8倍。該系列化合物含有四氫吡喃環，因此還可作為化工或醫藥領域復雜化合物合成的前體或原料。長期的適應演化使得深淵微生物具備耐受高壓和極端環境的特質，解析和挖掘相關的活性酶，為工業酶的開發和利用提供了寶貴的素材庫。

（作者系上海交通大學教授）

標簽： 馬里亞納海溝 病毒基因組 生態系統