藏在海底深渊中的“微生物宝库”

南极、北极、青藏高原、马里亚纳海沟并称为地球四极。四极环境条件极端、人迹罕至，其中尤以地球深极——马里亚纳海沟最为隐秘，它代表了一类探索度最低的生态环境——海斗深渊。

海斗深渊一般指深度超过6000米的，具有极端高压、低温、高盐、低溶解氧、黑暗、陡峭闭合地形的深海沟。海斗深渊分布在大洋板块向大陆板块俯冲的地带上，是地球上最深的海洋区域，尽管深渊面积仅占全球海底总面积的1%-2%，但是在深度分布上却代表了45%的最深海洋区域。

深渊主要位于海沟中，目前世界上已知的主要海沟有37条，绝大多数位于太平洋，已知最深的深渊是位于西北太平洋马里亚纳海沟的“挑战者深渊”，其深度超过了10900米。

“可上九天揽月，可下五洋捉鳖”是人类长久以来的梦想，站在现代的技术角度去分析，下海的难度的确不亚于上天，深渊探索的进程彰显了一个国家科学与技术水平的最前沿。

看似荒芜的深渊环境却并非生命禁区，而是存在着多种生命形式。2012年，我国的深潜器“蛟龙”号在马里亚纳海沟潜下了7062米的中国载人潜水记录，由此也拉开我国深渊探索的大幕。我们的科研团队曾多次挺进海斗深渊，在8919米深的雅浦海沟底部，发现并捕获了海参、海星、海葵、海绵等宏生物；在马里亚纳海沟西坑底部，利用诱捕的方法，捕获了两种不同类型的钩虾，采集了海参等样本。这些宏生物的出现，意味着在深渊环境中必然存在丰富的微生物类群，以支撑宏生物在此繁衍生息。

我国的科研团队从马里亚纳海沟海水、沉积物以及宏生物样本体内分离出了细菌、古菌等微生物，并从样品中首次分离获得了耐压真菌，验证了耐压真菌在深渊碳代谢等方面的环境适应性演化。

此外，通过分析来自马里亚纳、雅浦、克马德克等三个海沟样本的19个宏基因组，我国成功构建了目前为止最大的海沟病毒基因组数据库，包含12710个非冗余的病毒基因组，其中99%以上显著区别于已知数据库中的病毒基因组，80%以上无法归到已知分类的病毒种属，证明了海沟病毒有极大地多样性和新颖性。

任何生态系统的运作都离不开物质和能量的流动，深渊系统中的微生物在这方面很可能起到了至关重要的作用。

陆地和海洋表层生态系统依靠光能驱动。植物以及蓝细菌能够吸收光能，利用光合作用固定二氧化碳，产生有机物，进而为其他生物提供能量和有机碳源。但深海缺乏光照，无法进行光合固碳，海洋上层通过光合作用产生的有机物只有不足1%达到1200米及更深的水域，因此深海生态系统中能量和碳源的供给很大程度上有赖于化能自养微生物。

化能自养微生物利用岩石、沉积物、水体中的硫化物、铁、锰等无机物以及从地壳释放出的甲烷这类一碳化合物，通过化学反应合成有机碳，在自身获得能量得以生存的同时，也为深海环境中的其他生命提供了食物。目前我们对深渊的微生物自养过程了解尚不多，不过我们可以参考一类研究较多的，相对较浅的典型深海环境——冷泉。

冷泉是一种典型的深海环境，海底沉积界面之下的以水、碳氢化合物、硫化氢、细粒沉积物为主要成分的流体，以喷涌或渗漏方式从海底溢出，即为冷泉。我国科研人员验证了厌氧甲烷氧化古菌（ANME）在高压下将甲烷厌氧氧化为无机碳的同时也能产生有机碳，为深海冷泉系统提供了碳源。厌氧甲烷氧化古菌介导的甲烷厌氧氧化过程每年消耗约4亿吨甲烷，屏蔽了海底约90%的甲烷释放，不仅深刻影响了深海的碳循环，也对全球气候变化有着不可忽视的作用。

近年来，深渊科学俨然已成为一门独立学科，是人类认识地球过程、了解全球气候变化、摸索生命多重极端环境生存边界的重要窗口。深渊微生物因其在揭示生命极限、元素及物质循环、海洋微生物演化等方面的独特贡献，也成为了深渊科学的热点之一。

深海环境被认为与早期地球有一定的相似性，是研究生命多样性、极端环境适应性和生命起源与演化的绝佳实验场。科研人员前期通过研究典型深海嗜热微生物菌株，提出了“多因子环境适应存在共同机制”的假说。此外，还发现了一个有趣的现象，该超嗜热菌株突变速率和有效种群大小的显著负相关，即有效种群越小，突变速率越高，由此说明基因的遗传漂变，也就是随机性的演化机制导致了深海嗜热极端微生物演变，这与常规环境中普遍遵循的自然选择的演化机制大相径庭。而深渊微生物又将为我们带来哪些颠覆性的发现，如何帮助科学家们去摘取生命科学王冠上的明珠——破解生命起源之谜，值得所有人拭目以待。

研究深渊微生物不仅能带来科学上的巨大突破，也能带来无法估量的现实应用价值。科学家们已经发现了部分具有临床应用前景的深渊微生物，譬如，一种深渊链霉菌产生的系列化合物具有较好的抗菌活性，是万古霉素的8倍。该系列化合物含有四氢吡喃环，因此还可作为化工或医药领域复杂化合物合成的前体或原料。长期的适应演化使得深渊微生物具备耐受高压和极端环境的特质，解析和挖掘相关的活性酶，为工业酶的开发和利用提供了宝贵的素材库。

（作者系上海交通大学教授）