为什么深海热泉会聚集有大量生物？ 第1页

这个故事要从三十多年前说起。

为什么大家对热泉（Hydrothermal Vents）这么感兴趣呢？因为这一个『不久』以前的发现，改变了人类对生命的认知。在此之前，人类认为阳光是生命存在的必备要素，而光合作用是唯一的将无机物转换成有机物的形式。鉴于地球上绝大多数生物都是异养生物（是的，包括人类），意味着这些生物体无法自己合成生命所需的有机物，光合作用被认为是一切生命的基础。而可见光在海水中是指数递减的，如下图所示：

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不同海域光强递减的系数不一，所以光能穿透的深度也有所变化，但是大约都在二三百米以内（开阔大洋深于近海）。和全球大洋平均深度4000米相比，光能穿透的区域只是薄薄的一层水体。而绝大部分的海洋，是一片黑暗。所以在人类的认知中，这一片诺大的黑暗中，是无法存在自给自足的生态系统的。

『 深海必然是黑暗且低温，一片荒芜。』

但一直以来，地质学家们都存在着另一种猜想。大家知道，地球并不是一个完整的球，而是由不同板块拼接而成，而这些板块时刻都在移动。在各个板块边缘相接的地方，板块撞击会导致岩石堆起，而地壳内的熔浆从撞击的空隙中涌出，再顺着抬起的岩层流下，并在低温环境中迅速冷却，凝固。这一层层的岩浆堆积，形成了海洋中的『山体』，称作大洋中脊。地质学家们认为，在大洋中脊周围新地表形成过程中，岩石在遇冷收缩的时候，地表必然留下许多缝隙。冷海水流入缝隙，遇到地表内炽热的岩石，会被反喷回海底，形成后来被命名为『热泉』的区域(见下图）。许多实验和探索也逐渐给这一猜想提供了线索：例如发现海底『高温』的海水水团，某些海底丰富的矿藏等等。当载人潜水艇逐渐成为可靠的科考设备后，亲自去海底寻找热泉成为了一件势在必行，迫在眉睫的事。

然而在当时，大家的认知还是光=生命，所以当一群科学家（腼腆的地质学家）坐着科考船踏上寻找热泉的征途时，没有人想到要带一个生物学家。而1977这次去往Galápagos Rift的探索，成为科学史最重大的发现之一，它完全改变了人类对生命的认知。

在科学家们下潜之前，他们首先送下了名为ANGUS的探测仪器，它用于探测并实时返回温度，经纬度，深度等各个信息，用于定位，并以每10秒一次的频率拍摄照片。在12个小时的探测中，ANGUS一共拍摄下三千多张照片。科学家洗出照片，并一张张与其记录的水温等数据对比。在这12小时的数据中，反馈的水温一直维持在2摄氏度左右，而有短短的三分钟，ANGUS探测到了一段升高的水温。于此同时，ANGUS拍摄到的13张照片中，出现了大量的白蚌和棕色的贻贝。这是人类史上第一次发现生活在深海，不需要阳光的生物。

（WHOI档案库）

科学家们激动不已，无心入眠！

第二天 日出时分，Alvin驾驶员Jack Donnelly，带着两位地理学家 Jack Corliss and Tjeerd van Andel，直奔ANGUS记录的坐标点。当Alvin按计划降落海底，扬起的尘土回归平静后，Alvin的探测头记录下了水温，8摄氏度，人类第一次正式发现了海底热泉。

即便有之前的照片作铺垫，Alvin内的两位科学家加上驾驶员面对周围活着的各种生物，这种惊奇程度，应该不亚于发现外星生物。Alvin配备的采样器收集了一些生物样本，如下图。

(WHOI 档案）

然而问题来了，出海的这些科学家中没有一个生物学家，自然不会随身携带保存生物样品的化学试剂。幸好随行的一个研究生带了一小瓶甲醛，才得以保存了一些珍贵的样品。其实这些地质学家也不是没有努力，他们使用了能找到的最接近甲醛的东西：在巴拿马购买的战斗种族伏特加。然而这也并不足以保存所有的样品。但不管怎么样， 这是第一批生活在人类想象之外的生物。

这个改写教科书的故事，就从这儿开始了。

前面讲到光合作用将无机物转变为有机物，为世间大部分生物提供物质基础。那么在这样阳光无法到达的海底，存在着庞大的生态系统，起始的能量是从哪儿来的呢？当科学家们取出Alvin采集的海水样品，一股强烈的臭鸡蛋气味把所有人都熏了出去，不用分析也知道这独特的气味来自什么物质：硫化氢。生物的进化一般都有着『随遇而安』的特性，那么环境中如此丰富的硫化氢，对这个生态系统，到底有怎样的作用呢？

其实早在1890年，Winogradsky就提出了一种新的生命过程，化能自养（chemosynthesis）。直到快九十年后，这一构想才被得到证实。当时在哈佛读博的Colleen Cavanaugh提出了和热泉口常见的巨型管虫（(Riftia pachyptila）共生的一种细菌可以通过氧化硫化氢来获取能量从而将无机碳转化为有机碳。Cavanaugh后来也通过一系列培养实验证实了这一假设。而在之后的时间里，人们不断发现新的细菌以及古细菌具备这种化能自养的生存方式，而其所获取能量的渠道也不仅限于氧化硫化氢，二价铁，二价锰，氢气等还原性物质都可以成为他们获取能量的元素。这一不依赖于阳光的自养形式，为热泉生态系统提供了最重要的物质基础。而从地壳内喷出的海水（有些还夹杂着地壳的孔隙水）带来了丰富的硫化氢以及矿物质，支持着这些细菌和古细菌的生长和繁殖，作为生物链的底层，它们进而支撑了从简单的原生生物到大型鱼类的生物网。

（巨型管虫，wikipedia）

前面

提供了一张全球热泉分布的地图，这许许多多的热泉由于其深度，位置等不同，所富含的化学成分也不尽相同。例如夏威夷底下的Loihi Seamount的热泉液富含二价铁，二氧化碳，甲烷，铵盐。而位于大西洋中部中脊的Lost City(因大量碳酸钙为主的烟囱状热泉口而得名，如下图）则富含氢气和硫化氢。热泉液不同的化学成分组成决定了细菌和古菌以及一些简单真核生物多样性的不同。虽然对大型生物来说，流水的细菌，铁打的晚餐。但对全球物质地化循环来说，这些丰富的微生物多样性起到了十分重要的作用。许多深海生物/化学/地质学工作者，还在为此进行不断的探索研究。

（Lost City, NOAA)

海洋覆盖了地球71%的地表面积，而大洋深处的地表，对于我们来说，还是一片无限的未知。时至如今，人类对外太空的认知已然超越了对海洋的了解，地球的海洋。也许在这一片蔚蓝以下所蕴藏的秘密，将一次又一次，改写人类对自然的理解。

主要参考资料：