深海新發(fā)現(xiàn)：石頭里長(zhǎng)“蟲”了！

出品：科普中國(guó)

作者：張照

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為了解前沿科技動(dòng)態(tài)，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“帶你讀懂科學(xué)頂刊”系列文章，精選權(quán)威期刊的優(yōu)秀論文，第一時(shí)間用通俗語(yǔ)言進(jìn)行解讀。讓我們透過(guò)頂刊之窗，拓寬科學(xué)視野，享受科學(xué)樂(lè)趣。

深海的“未知之境”

地球上，還有未知的角落嗎？

今天的人類，雖然已經(jīng)探索過(guò)陸地的最高峰、大海的最深處，甚至能夠探索月球和火星，但對(duì)于我們地球上這片廣袤的大海，仍然有許多未知。據(jù)美國(guó)大氣與海洋局的估算，我們目前僅僅探索了約5%的海洋區(qū)域，也就是說(shuō)，還有95%的區(qū)域?qū)τ谌祟惗允俏粗摹?/p>

在浩瀚的太平洋深處，隱藏著一條神秘的海底山脈——東太平洋洋脊。這里是兩大構(gòu)造板塊交匯之地，新的地殼在這里生成，并以每年70毫米的速度向兩側(cè)推移。這也造成了頻繁的火山活動(dòng)，催生了眾多熱液噴口。熱液噴口就像是海底的“溫泉”，海水在這里滲透進(jìn)地殼，與巖漿相遇，再攜帶大量的礦物質(zhì)噴涌而出。有些熱泉因富含硫化物而呈黑色，因而形象地得名“黑煙囪”。

大西洋海底的深海熱泉“黑煙囪”

（圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局）

更加引人注目的是這里獨(dú)一無(wú)二的生態(tài)環(huán)境，原本被認(rèn)為是生命荒漠的地方卻意外的“熱鬧”：長(zhǎng)達(dá)2米的巨型管蟲、長(zhǎng)著“鐵足”的蝸牛、能夠忍耐80℃高溫的龐貝蟲……它們的存在打破了傳統(tǒng)生物學(xué)的認(rèn)知，成為研究極端環(huán)境下生命生存方式的熱點(diǎn)。

生活在東太平洋洋脊海底熱泉的巨型管蟲

（圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局）

但是自1977年第一次發(fā)現(xiàn)海底熱泉生態(tài)系統(tǒng)以來(lái)，科學(xué)家普遍認(rèn)為，在這些熱液噴口下方的海底地殼中，只有微生物和病毒能夠存活。堅(jiān)硬巖石之下是否還隱藏著其他生命，人們一直不得而知。

這個(gè)謎團(tuán)最近被揭開了。維也納大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)操控著水下機(jī)器人SuB-astian，深入到2515米深的熱液噴口區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，揭開了一個(gè)全新的生命世界，徹底刷新了我們對(duì)深海生態(tài)系統(tǒng)的理解。

深入海洋2500米

研究團(tuán)隊(duì)最初的目標(biāo)是在海底鉆探一些小孔，以探究巨型管蟲的幼蟲如何在熱液區(qū)域安家落戶。然而，當(dāng)水下機(jī)器人謹(jǐn)慎地用鑿子鑿開一個(gè)大約2厘米寬的孔洞時(shí)，科學(xué)家們通過(guò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)漠嬅娌蹲降搅艘恍┮饬现獾木跋蟆?/p>

這個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)促使他們采取了更加大膽的措施。他們遙控機(jī)器人，小心翼翼地掀起了一塊約10-15厘米厚的火山巖板。當(dāng)巖板被翻轉(zhuǎn)時(shí)，所有人都被眼前的景象震撼了：在堅(jiān)硬的巖石之下，竟然隱藏著一個(gè)約10厘米高的空腔，空腔之內(nèi)充滿了生機(jī)勃勃的深海生物！巖石之下就像是一個(gè)隱藏的“地下城”。

海底“地下城”

這個(gè)深?！暗叵鲁恰钡慕ㄖY(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。你可以想象一座多層的停車樓：每層之間都由厚實(shí)的混凝土地板分隔，層與層之間通過(guò)坡道相連。海底“地下城”也是類似的結(jié)構(gòu)：它由多層火山巖板層層堆疊而成，每層之間形成了約10厘米高的空腔，這些空腔通過(guò)巖石中的裂縫相互連通，溫暖的海水在其中流動(dòng)。

巖石之下的多層空腔結(jié)構(gòu)

（圖片來(lái)源：文獻(xiàn)）

在這個(gè)獨(dú)特的地下世界里，巨型管蟲（Riftia pachyptila）依舊是當(dāng)仁不讓的主角。它們的體長(zhǎng)可以達(dá)到50厘米，巨大的軀體肆意生長(zhǎng)，遍布空腔，就像地下的樹根一樣盤根錯(cuò)節(jié)。這些管蟲沒(méi)有嘴和消化系統(tǒng)，它們與體內(nèi)的細(xì)菌共生，依靠細(xì)菌分解硫化物獲取能量?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這些管蟲不僅在地下生存，甚至能夠在這里繁殖。

從巖石下方向上生長(zhǎng)的巨型管蟲

（圖片來(lái)源：文獻(xiàn)）

除了巨型管蟲，還有一些體型較小的管蟲（Oasisia alvinae）。它們特別喜歡纏繞在空腔頂部突出的“巖石鐘乳”上生長(zhǎng)，有些個(gè)體長(zhǎng)達(dá)20厘米，超過(guò)了以往在海底表面發(fā)現(xiàn)的任何同類。

除了管蟲這類“釘子戶”，一些活動(dòng)的居民也生活在“地下城”里。包括多毛類蠕蟲（Paralvinella），它們?cè)谝惶幙涨坏撞康陌咨⑸飰|上覓食。

還有一些捕食者，比如一種沙蠶科的沙蟲（Nereis sandersi）。甚至軟體動(dòng)物也在這里找到了自己的位置：研究人員發(fā)現(xiàn)了一些腹足類動(dòng)物和半固著生活的海螺（Neomphalus fretterae）。

其他生活在巖石之下的生物

（圖片來(lái)源：文獻(xiàn)）

這些動(dòng)物形成了一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，從食物鏈的底層到頂層都有相應(yīng)的物種。它們或是固著生活，或是自由游動(dòng)，在這個(gè)無(wú)人知曉的地方，或許已經(jīng)生息繁衍了數(shù)萬(wàn)年乃至上億年。

“地下城”的秘密

在最初的驚訝過(guò)后，科學(xué)家們開始更進(jìn)一步思考問(wèn)題：這些生物是如何在“地下城”中生存的？

科學(xué)家們通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，這些地下空腔的環(huán)境實(shí)際上與海底表面的熱液區(qū)域非常相似：溫度維持在大約18攝氏度，pH值約為6.1，含有豐富的硫化物，以及足夠的氧氣。這樣的環(huán)境為海床上的生物進(jìn)入地下發(fā)展提供了順理成章的條件。

實(shí)際上，海床上和巖石下的生態(tài)系統(tǒng)很可能是聯(lián)通和統(tǒng)一的，這一點(diǎn)在巨型管蟲身上得到了很好的體現(xiàn)。在地下空間里，管蟲們或是從巖石縫隙向上生長(zhǎng)直達(dá)海床，或是從空腔頂部垂懸而下，以獲取周圍水體中的養(yǎng)分。它們的生活方式與海床上的管蟲并不不同，即利用共生的細(xì)菌分解海水中的硫化物為自己提供能量。

有趣的是它們的繁衍方式。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，管蟲的幼蟲可能并不像以前認(rèn)為的那樣在海水中隨波逐流，而是會(huì)隨著冷海水滲入地殼，通過(guò)熱液系統(tǒng)在地下空間中遷移，再?gòu)钠渌芽p噴出。巖石之下的這些空腔和裂縫就像是一個(gè)四通八達(dá)的“地鐵系統(tǒng)”，讓幼蟲可以隨意搭乘，到達(dá)任何適宜定居的地方。

科學(xué)家推測(cè)的海底表面生態(tài)系統(tǒng)與巖石空腔中的生態(tài)系統(tǒng)的聯(lián)通方式，巨型管蟲的幼蟲可能通過(guò)地下“交通系統(tǒng)”進(jìn)行遷移

（圖片來(lái)源：文獻(xiàn)）

無(wú)處不在的生命

如果用一句話概括這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對(duì)人類所造成的震撼，那么一定是“生命無(wú)處不在”。過(guò)去，我們?cè)J(rèn)為深海是一片“生命的荒漠”，但海底熱泉生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)打破了這一觀點(diǎn)。

在那之后，人們認(rèn)為巖石之下不可能存在大型生命，但這項(xiàng)研究再次打破了人們的設(shè)想。這個(gè)發(fā)現(xiàn)的意義在于：如果生命能夠適應(yīng)如此極端的環(huán)境，那么在類似的環(huán)境中，是否也可能孕育生命呢？

在太陽(yáng)系中就有著類似的環(huán)境，其中之一是木星的一顆衛(wèi)星——木衛(wèi)二，又名“歐羅巴”。這顆衛(wèi)星比月亮略小，可能有著類似的地球的鐵-鎳核心和硅酸鹽外殼，最重要的是它擁有水-冰成分的地殼：在它厚達(dá)上百千米的冰層之下很可能隱藏著一片液態(tài)海洋。

科學(xué)家們推測(cè)，在木衛(wèi)二的海洋中，存在著類似地球深海熱液噴口的環(huán)境，而今天的這項(xiàng)研究讓我們看到了在其他星球上發(fā)現(xiàn)生命的可能性。如果太陽(yáng)系中存在地外生命，它們很有可能不是靠陽(yáng)光維持生存的。

木衛(wèi)二影像，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及探測(cè)木衛(wèi)二海洋中可能存在的海底熱泉的藝術(shù)想象圖

（圖片來(lái)源：NASA，Kelvinsong）

此外，這項(xiàng)研究還引發(fā)了人們對(duì)生命起源的新思考。熱液噴口一直被認(rèn)為是地球早期生命可能的發(fā)源地之一。現(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)這里不僅有簡(jiǎn)單的微生物，還有復(fù)雜得多細(xì)胞大型生物，也許地球生命的“搖籃時(shí)期”都是在地下“秘密”進(jìn)行的。

現(xiàn)在，也許我們能夠回答文章開始的問(wèn)題。人類從一次次“征服”中學(xué)會(huì)了傲慢，但自然又在不厭其煩地教我們謙卑。生活在深海巖石之下的生命正在告訴我們：永遠(yuǎn)不要以為自己已經(jīng)足夠了解這顆星球，以及生活在其上的生命。

（注：文中拉丁文部分應(yīng)為斜體）

參考文獻(xiàn)：

[1]Bright, M., Gollner, S., de Oliveira, A.L. et al. Animal life in the shallow subseafloor crust at deep-sea hydrothermal vents. Nat Commun 15, 8466 (2024).

[2]García, María Colín et al. “Hydrothermal vents and prebiotic chemistry: a review.” (2016).

[3]http://www.nasa.gov/mission_pages/cassini/

[4]Peter Lonsdale,Clustering of suspension-feeding macrobenthos near abyssal hydrothermal vents at oceanic spreading centers,Deep Sea Research,Volume 24, Issue 9,(1977).