·人類活動(dòng)在幾十年間就能影響到深海，那么是不是反過來，在這個(gè)“角落”里發(fā)生的事情也會(huì)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(jī)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(duì)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(gè)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(xiàng)名為“溟淵計(jì)劃”（馬里亞納海溝環(huán)境與生態(tài)研究計(jì)劃，英文簡稱“MEER計(jì)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(duì)利用我國自主研發(fā)生產(chǎn)的“奮斗者”號(hào)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(gè)站點(diǎn)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(gè)繁榮的“社會(huì)”。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(duì)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(jì)劃”的研究人員。

搭乘“奮斗者”號(hào)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(jī)遇在前，計(jì)劃在后。

2020年2月，中國研發(fā)生產(chǎn)的“奮斗者”號(hào)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(hào)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(gè)可以同時(shí)將三人帶到水下萬米深度的潛具，也成了“溟淵計(jì)劃”成行的前提。

“對(duì)人類來說，對(duì)中國來說，都是一次很難得的機(jī)會(huì)。我們提交的申請(qǐng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)時(shí)，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(duì)來落實(shí)研究計(jì)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(gè)大項(xiàng)目中來。”華大生命科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)研發(fā)高級(jí)工程師韓默說。

當(dāng)科考船到達(dá)采樣目的地附近時(shí)，就會(huì)放下“奮斗者”號(hào)?？茖W(xué)家和工程師們搭乘它下潛到深海后，可以通過機(jī)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(jī)械臂采完之后，將這些樣本放到旁邊一個(gè)“托盤”上一起帶回來。算上下潛和上浮的時(shí)間，下潛人員一次要在潛器內(nèi)待10多個(gè)小時(shí)。

“奮斗者”號(hào)正在采樣。圖片由該研究的作者提供。

“‘奮斗者’號(hào)里面是一個(gè)直徑1.8米的鈦合金球形座艙，可以坐三個(gè)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(jī)械臂等電氣設(shè)施?？蒲腥藛T坐在右邊，需要采樣的時(shí)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?cè)诤Ｃ娴目瓶即像R不停蹄地進(jìn)行檢測或處理，因?yàn)檫@些樣本會(huì)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(shí)處理就很難進(jìn)行后續(xù)分析。

在科考的兩個(gè)月時(shí)間里，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)期的深海生態(tài)，也是人類對(duì)深海影響的歷史記錄。

“這是2021年10月到12月，人類對(duì)馬里亞納海溝底部影響情況的一個(gè)描述。未來，我們不知道什么時(shí)候才會(huì)再去?！毙は嬲f，“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(duì)比，就知道人類活動(dòng)又影響了什么?！?/p>

“這組研究數(shù)據(jù)我們會(huì)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(gè)合作單位的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基因組測序等檢測和分析。研究人員們?cè)谶@些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)這些深淵生命基因功能、群體分布、適應(yīng)機(jī)制等方面做出了諸多探索。

“以前也有研究報(bào)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(shí)有一個(gè)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(gè)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(gè)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(duì)深淵微生物的認(rèn)知提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這還僅僅是這一次研究的發(fā)現(xiàn)。”

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(duì)極端環(huán)境，假如一個(gè)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(huì)“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(huì)保留一些耐壓或者抗氧化相關(guān)的基因，但同時(shí)它們會(huì)想方設(shè)法豐富對(duì)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(gè)比方，這兩種策略就像肉食動(dòng)物和雜食動(dòng)物一樣。肉食動(dòng)物獲取能量很高效，而雜食動(dòng)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(gè)繁榮的社會(huì)?！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(dú)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(gè)復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)，用‘集體’的方式榨干這個(gè)貧瘠環(huán)境中的每一點(diǎn)資源。”韓默提到，“另一些微生物則會(huì)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(duì)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(jī)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(qiáng)能算作‘遠(yuǎn)房表親’?！泵狭两榻B道，“鉤蝦是食腐動(dòng)物，可以吃從海面沉降下來的殘?jiān)?，同時(shí)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(duì)?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(gè)“謎團(tuán)”是它對(duì)壓力的適應(yīng)有著很大的彈性。“它的幼體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。”

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(duì)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(huì)不會(huì)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(gè)物質(zhì)能量是非常匱乏的，對(duì)于個(gè)體較大、需要攝食的動(dòng)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(diǎn)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(jī)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(dòng)性，助力魚類對(duì)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?，但想要從基因中得到深淵生物適應(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(jī)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(duì)深淵物種的認(rèn)識(shí)能更加深入?！泵狭琳f。

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(yàn)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(shí)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?cè)谏顪Y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(gè)不錯(cuò)的消息?！表n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(huì)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(chǔ)備，或許能為藥品開發(fā)提供新的選擇?！表n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(duì)生命策略的理解?！毙は孢€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?！?/p>

深淵與人類社會(huì)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(gè)生態(tài)系統(tǒng)。不僅人類的活動(dòng)能影響深淵，深淵也可能反過來對(duì)我們的生存環(huán)境造成影響。

“我們?cè)?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(huì)被你拋棄的垃圾污染。”韓默說，“易拉罐出現(xiàn)才多少年？人類活動(dòng)在幾十年間就能影響到深海，那么是不是反過來，在這個(gè)‘角落’里發(fā)生的事情也會(huì)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(shí)，微生物一定會(huì)想辦法適應(yīng)這個(gè)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(jī)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(shí)產(chǎn)生有毒有害的物質(zhì)？會(huì)不會(huì)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(duì)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。