·人類活動在幾十年間就能影響到深海，那么是不是反過來，在這個“角落”里發(fā)生的事情也會影響到我們？

超深淵帶（Hadal zone）是指海平面6000米以下的區(qū)域。如同它的英文詞源、冥界之王“哈迪斯”（Hades，有“地獄”之意）所暗示的那樣，這片冰冷漆黑的海底幽獄荒蕪且貧瘠，水壓超過1100標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，相當(dāng)于每平方米承受1萬2100噸的壓力。

即便在這樣的絕境中，生機也并未斷絕。這些神秘的生物能夠適應(yīng)深海的極端環(huán)境，但人們對它們所知甚少。近日，一系列由中國科學(xué)家完成的研究揭示了一個龐大且繁榮的深淵生態(tài)系統(tǒng)，分析了其中微生物與兩種宏生物適應(yīng)極端環(huán)境的基因策略。研究于2025年3月6日以專輯形式發(fā)表在《細(xì)胞》（Cell）雜志上，首批包含4篇論文，還有多篇等待發(fā)表。

深淵中存在龐大且繁榮的生態(tài)系統(tǒng)。圖片由該研究的作者提供。

這些研究是一項名為“溟淵計劃”（馬里亞納海溝環(huán)境與生態(tài)研究計劃，英文簡稱“MEER計劃”）的深海系統(tǒng)性研究的成果，由上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所、華大集團(tuán)等多家單位聯(lián)合主導(dǎo)。在2021年10月至12月期間，研究團(tuán)隊利用我國自主研發(fā)生產(chǎn)的“奮斗者”號載人潛水器，在馬里亞納海溝、雅浦海溝和菲律賓海盆的145個站點進(jìn)行了32次潛水，在6000-11000水深處采集了2000余份水體、沉積物、宏生物等樣本。

通過基因測序與分析，研究者們發(fā)現(xiàn)了7000多種可能是新物種的深淵微生物，它們通過不同的基因策略共同在海底形成了一個繁榮的“社會”。稍大一些的深淵鉤蝦具備龐大且重復(fù)的基因組，是人類基因組數(shù)量的4倍。更大的魚類為了適應(yīng)深海，演化出多種抗壓的基因策略。研究表明，存在超越物種邊界的對深淵環(huán)境的趨同適應(yīng)策略。

研究人員是如何深入海底并進(jìn)行研究的？深海生物又是如何絕境求生和共存的？這些發(fā)現(xiàn)與我們?nèi)祟愑惺裁搓P(guān)系？為了回答這些問題，澎湃科技日前采訪了“溟淵計劃”的研究人員。

搭乘“奮斗者”號潛入深淵

深淵研究的特殊之處在于具有代表性的深海區(qū)域散落世界各地，而有條件進(jìn)行下潛的國家也寥寥無幾。做這樣的研究往往是機遇在前，計劃在后。

2020年2月，中國研發(fā)生產(chǎn)的“奮斗者”號載人潛水器完成了總裝和陸上聯(lián)調(diào)。2020年11月10日，“奮斗者”號在馬里亞納海溝成功達(dá)到最深處，坐底深度10909米。是目前唯一一個可以同時將三人帶到水下萬米深度的潛具，也成了“溟淵計劃”成行的前提。

“對人類來說，對中國來說，都是一次很難得的機會。我們提交的申請一通過，就立即過去了?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院/微生物代謝國家重點實驗室、深部生命國際研究中心主任肖湘說。

登上科考船奔赴采樣點時，他和同事們還沒有一份完整的采樣和研究方案。他們集思廣益，現(xiàn)場確定了科考目標(biāo)，并聯(lián)系安排各單位的科研和技術(shù)團(tuán)隊來落實研究計劃的細(xì)節(jié)。

“要在船帶著深淵樣本回到港口之前，明確樣本保存、處理、分析等流程。我們這些在岸上的來自不同研究單位的研究者也是‘臨危受命’，一起參與到了這個大項目中來?！比A大生命科學(xué)研究院實驗研發(fā)高級工程師韓默說。

當(dāng)科考船到達(dá)采樣目的地附近時，就會放下“奮斗者”號?？茖W(xué)家和工程師們搭乘它下潛到深海后，可以通過機械臂操作采樣裝置進(jìn)行海底沉積物采樣，也能通過誘捕裝置、海水過濾系統(tǒng)等其它設(shè)備來采取不同類型的生物樣本。機械臂采完之后，將這些樣本放到旁邊一個“托盤”上一起帶回來。算上下潛和上浮的時間，下潛人員一次要在潛器內(nèi)待10多個小時。

“奮斗者”號正在采樣。圖片由該研究的作者提供。

“‘奮斗者’號里面是一個直徑1.8米的鈦合金球形座艙，可以坐三個人。坐在中間的是主駕，左邊是副駕，負(fù)責(zé)輔助主駕、觀察環(huán)境和操作機械臂等電氣設(shè)施?？蒲腥藛T坐在右邊，需要采樣的時候就跟主駕和副駕進(jìn)行溝通?！比A大生命科學(xué)研究院生物技術(shù)副研究員孟亮說。

樣本采集上來后，科學(xué)家們在海面的科考船上馬不停蹄地進(jìn)行檢測或處理，因為這些樣本會因周圍環(huán)境的理化性質(zhì)發(fā)生劇變而迅速死亡。比如深淵鉤蝦，孟亮介紹道，我們采集到的鉤蝦樣本雖然外表看起來沒有發(fā)生明顯變化，但它們的細(xì)胞極有可能已經(jīng)破裂，生物大分子開始降解，若不及時處理就很難進(jìn)行后續(xù)分析。

在科考的兩個月時間里，研究團(tuán)隊通過這種“連軸轉(zhuǎn)”的方式采取到了大量深淵生物樣本。幾名作者都表示，這些樣本是極其珍貴的。它們不僅反映了特定時期的深海生態(tài)，也是人類對深海影響的歷史記錄。

“這是2021年10月到12月，人類對馬里亞納海溝底部影響情況的一個描述。未來，我們不知道什么時候才會再去。”肖湘說，“過了100年甚至1000年，有人再去采樣拿到樣本，再看到的海溝情況就可以跟我們現(xiàn)在的數(shù)據(jù)對比，就知道人類活動又影響了什么?！?/p>

“這組研究數(shù)據(jù)我們會盡量地公開，完整地展示出來?！彼f。

深海生物的基因秘密

船靠港后，樣本被送到各個合作單位的實驗室進(jìn)行基因組測序等檢測和分析。研究人員們在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對這些深淵生命基因功能、群體分布、適應(yīng)機制等方面做出了諸多探索。

“以前也有研究報道在馬里亞納海溝等深淵里面有一些生命的存在，但這些生命到底規(guī)模多大，多樣性有多高，是不是普遍存在，這些大家都不確定。而這次，我們首次確認(rèn)了在萬米深淵當(dāng)中確實有一個繁榮的生態(tài)系統(tǒng)，特別是微生物?！表n默說。

這種繁榮首先體現(xiàn)在多樣性規(guī)模上?！拔覀冭b定出7564個物種水平的代表性微生物基因組，其中89.4%是新發(fā)現(xiàn)的。這個規(guī)模有多大呢？它跟全球已知的所有海洋微生物物種數(shù)量相當(dāng)，直接將我們對深淵微生物的認(rèn)知提升了一個數(shù)量級，這還僅僅是這一次研究的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

研究者們還發(fā)現(xiàn)，微生物去適應(yīng)深淵極端環(huán)境的策略并不單一。有一些微生物可能以一種“精簡”的方式來面對極端環(huán)境，假如一個代謝功能不是跟維持最基本生存有關(guān)，一些微生物干脆就會“拋棄”掉相關(guān)的基因，來節(jié)約能量和營養(yǎng)。

還有一些微生物選擇了截然相反的策略。一方面，它們也會保留一些耐壓或者抗氧化相關(guān)的基因，但同時它們會想方設(shè)法豐富對環(huán)境中各種因素的感知能力，利用不同的物質(zhì)來維持自身的生存。

“打個比方，這兩種策略就像肉食動物和雜食動物一樣。肉食動物獲取能量很高效，而雜食動物什么都能吃。就算環(huán)境變化也能生存?！表n默介紹道，這些策略的形成可能與深淵的整體環(huán)境壓力與局部環(huán)境變化有關(guān)。

深淵微生物們既相互依賴，也相互競爭，形成了一個繁榮的社會?！耙恍┚喰偷奈⑸镞B基礎(chǔ)代謝途徑都是不完整的，它們沒辦法單獨生存，必須有不同物種配合，例如利用其它微生物的代謝廢物。這樣就形成了一個復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)，用‘集體’的方式榨干這個貧瘠環(huán)境中的每一點資源?！表n默提到，“另一些微生物則會分泌抗菌肽等物質(zhì)，殺死其它的微生物來獲得更好的生存環(huán)境?！?/p>

除了微生物之外，研究者們還首次對一種深淵典型物種——鉤蝦（Hirondellea gigas）進(jìn)行了全基因組測序，探索了它適應(yīng)高壓環(huán)境的生物機制。

“這種鉤蝦屬于端足目，而我們平常說的蝦屬于十足目，二者勉強能算作‘遠(yuǎn)房表親’?！泵狭两榻B道，“鉤蝦是食腐動物，可以吃從海面沉降下來的殘渣，同時也是深海魚類的主要食物，因此它在深淵生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮‘承上啟下’的關(guān)鍵作用”

深淵鉤蝦是研究深淵生態(tài)的“明星物種”，但它的完整基因組一直沒有被破解。在這次的研究中，研究團(tuán)隊?wèi){借完善的樣本前處理和長讀長基因測序技術(shù)，成功將鉤蝦基因組“拼”了出來。

研究發(fā)現(xiàn)，鉤蝦基因組大小達(dá)13.92 GB，是人類基因組（3.2 GB）的4倍多，刷新了端足目的基因組紀(jì)錄。在它的基因序列中，更是存在高達(dá)71.98%的重復(fù)序列。研究推測這可能與適應(yīng)深海環(huán)境有關(guān)，但還需要進(jìn)一步研究。

孟亮說，鉤蝦身上的一個“謎團(tuán)”是它對壓力的適應(yīng)有著很大的彈性?！八挠左w在較淺的水域長成成體之后，就可以去更深的地方。它的垂直分布非常廣，在最深的接近11000米的地方我們采集到過，在6800米的地方也有。這之間的壓力變化是非常大的?！?/p>

研究者們首先瞄準(zhǔn)了一種已知的能夠幫助深淵物種抗壓的化合物TMAO（氧化三甲胺），它能夠起到穩(wěn)定細(xì)胞蛋白結(jié)構(gòu)的作用，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓平衡以應(yīng)對壓力變化。然而在深淵鉤蝦的基因組中，并沒有直接找到完整的合成代謝通路。

“我們通過前人的研究找到了靈感——人類是可以通過腸道微生物共同合成TMAO的，鉤蝦會不會也是這樣？”孟亮說，他們果然在鉤蝦腸道中發(fā)現(xiàn)了一些優(yōu)勢菌種，能夠與宿主配合去合成TMAO并調(diào)節(jié)含量，以更好地適應(yīng)壓力環(huán)境。

鉤蝦與微生物的“協(xié)作”不止于此。研究發(fā)現(xiàn)，鉤蝦還能與微生物共同作用，將難以消化的木質(zhì)素分解。

“深海的整個物質(zhì)能量是非常匱乏的，對于個體較大、需要攝食的動物來說就很困難。表層沉降下來的食物不僅少，還是上面不要吃的‘渣渣’。鉤蝦需要高效利用這些物質(zhì)，將其轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)?！?/p>

以往的研究發(fā)現(xiàn)，鉤蝦以難以消化的木質(zhì)素為食。而在這次的研究中，研究者們找到了基因中分泌這種消化酶的完整通路，“有一些是鉤蝦自身所具備的，有一些是腸道微生物提供的。微生物不僅從宿主身上獲得‘好處’，也要提供一點幫助，一起在艱難環(huán)境中求生?！泵狭琳f。

深淵生物身上還存在太多未解之謎。該系列另一篇研究通過11種深海魚類的基因組比較研究發(fā)現(xiàn)，魚類體內(nèi)的TMAO濃度與深度沒有顯著相關(guān)性，這意味著深海生物可能有其它抗高壓機制。該研究指出，多不飽和脂肪酸的積累也能維持細(xì)胞膜流動性，助力魚類對抗高壓。

原位采樣幫助研究者獲得了更加準(zhǔn)確的深海樣本，但畢竟無法直接在海底長期觀察和現(xiàn)場檢測，許多信息無法掌握。雖然研究者們已經(jīng)深入到基因?qū)用妫胍獜幕蛑械玫缴顪Y生物適應(yīng)極端環(huán)境的全部秘密，還需要大量的研究。

“我們知道這是一段基因序列，但是它的功能是什么？在極端環(huán)境適應(yīng)性中作用的分子機理是什么？我們現(xiàn)在還沒有完全研究清楚。所以希望成果發(fā)表之后，能夠吸引更多同行的興趣與關(guān)注，大家合力攻關(guān)，讓我們對深淵物種的認(rèn)識能更加深入。”孟亮說。

深淵與人類

有理論認(rèn)為生命在海洋中發(fā)端，人類的祖先也是從海洋走向陸地。早期地球環(huán)境非常極端，生命也很可能在類似的環(huán)境中誕生。要驗證這樣的猜想，就需要去極端環(huán)境中探索。

“在深淵微生物研究中，我們雖然沒有找到直接的證據(jù)，但確實注意到一些線索。有些微生物在演化樹上更靠近基干部位的一些分支，它們在深淵里的繁榮可能意味著這里比起常規(guī)環(huán)境保留了更多生命演化的早期證據(jù)，這是一個不錯的消息。”韓默告訴澎湃科技，“如果在后續(xù)研究中能找到一些早期生命乃至于生命起源的更多線索，我覺得會是非常振奮人心的?！?/p>

除了回答科學(xué)問題，深淵生物的“生存秘訣”也可以為人類所借鑒。肖湘提到，一些芳香族化合物在地面上是持久性污染物，難以被降解。但在深海里，沒有其他營養(yǎng)來源的微生物竟然以這些化合物為食。“深海生命能夠?qū)Ω哆@些污染物，我們是不是可以用這些微生物來照顧我們的自然環(huán)境，造福人類？”

在醫(yī)療領(lǐng)域，原有的抗生素已經(jīng)出現(xiàn)耐藥性問題，而新型抗生素的發(fā)現(xiàn)進(jìn)展緩慢?！靶掳l(fā)現(xiàn)的深淵微生物有些能夠分泌抗菌肽等物質(zhì)，豐富了我們的儲備，或許能為藥品開發(fā)提供新的選擇。”韓默說。

“我們看到生命的一些特殊的規(guī)律在深淵里有普遍性。我們現(xiàn)在已經(jīng)在跟一些醫(yī)院的溝通，看看能不能服務(wù)于醫(yī)療，不僅僅是作為藥物輔助，還有對生命策略的理解。”肖湘還提到，“比如，理解極端醫(yī)療環(huán)境下病原微生物，環(huán)境微生物與宿主的關(guān)系。”

深淵與人類社會最直接的關(guān)系，或許在于它們盡管相隔遙遠(yuǎn)，卻同屬一個生態(tài)系統(tǒng)。不僅人類的活動能影響深淵，深淵也可能反過來對我們的生存環(huán)境造成影響。

“我們曾經(jīng)在一些深淵海底發(fā)現(xiàn)了不少人類廢棄物污染，廢棄物塑料、玻璃、金屬制品什么的，給我們很大沖擊。如果不做這些研究，一般人可能很難想到離你幾千公里的萬米深淵可能會被你拋棄的垃圾污染?！表n默說，“易拉罐出現(xiàn)才多少年？人類活動在幾十年間就能影響到深海，那么是不是反過來，在這個‘角落’里發(fā)生的事情也會影響到我們？”

他舉例道，當(dāng)人類的污染給深海帶來了不一樣的化學(xué)物質(zhì)時，微生物一定會想辦法適應(yīng)這個被改變的環(huán)境，但我們并不了解這些改變可能帶來的效應(yīng)。

“當(dāng)然，我們可以樂觀地認(rèn)為這些微生物把塑料都降解了，分解成小分子有機物，重新回到生態(tài)循環(huán)中。但有沒有可能它們代謝污染物時產(chǎn)生有毒有害的物質(zhì)？會不會最終無法在污染中生存，從而影響地球的物質(zhì)和能量循環(huán)？”

“人類對于深淵生命的了解還是很淺薄的，如果放任污染，誰都不知道結(jié)果是好是壞。作為科研工作者，我覺得人們應(yīng)當(dāng)更加謹(jǐn)慎，未雨綢繆?！表n默說。