万米深渊之下：中国科学家揭秘海底世界的基因奥秘与生命奇迹

·人类活动在几十年间就能影响到深海，那么是不是反过来，在这个“角落”里发生的事情也会影响到我们？

超深渊带（Hadal zone）是指海平面6000米以下的区域。如同它的英文词源、冥界之王“哈迪斯”（Hades，有“地狱”之意）所暗示的那样，这片冰冷漆黑的海底幽狱荒芜且贫瘠，水压超过1100标准大气压，相当于每平方米承受1万2100吨的压力。

即便在这样的绝境中，生机也并未断绝。这些神秘的生物能够适应深海的极端环境，但人们对它们所知甚少。近日，一系列由中国科学家完成的研究揭示了一个庞大且繁荣的深渊生态系统，分析了其中微生物与两种宏生物适应极端环境的基因策略。研究于2025年3月6日以专辑形式发表在《细胞》（Cell）杂志上，首批包含4篇论文，还有多篇等待发表。

深渊中存在庞大且繁荣的生态系统。图片由该研究的作者提供。

这些研究是一项名为“溟渊计划”（马里亚纳海沟环境与生态研究计划，英文简称“MEER计划”）的深海系统性研究的成果，由上海交通大学、中国科学院深海科学与工程研究所、华大集团等多家单位联合主导。在2021年10月至12月期间，研究团队利用我国自主研发生产的“奋斗者”号载人潜水器，在马里亚纳海沟、雅浦海沟和菲律宾海盆的145个站点进行了32次潜水，在6000-11000水深处采集了2000余份水体、沉积物、宏生物等样本。

通过基因测序与分析，研究者们发现了7000多种可能是新物种的深渊微生物，它们通过不同的基因策略共同在海底形成了一个繁荣的“社会”。稍大一些的深渊钩虾具备庞大且重复的基因组，是人类基因组数量的4倍。更大的鱼类为了适应深海，演化出多种抗压的基因策略。研究表明，存在超越物种边界的对深渊环境的趋同适应策略。

研究人员是如何深入海底并进行研究的？深海生物又是如何绝境求生和共存的？这些发现与我们人类有什么关系？为了回答这些问题，澎湃科技日前采访了“溟渊计划”的研究人员。

搭乘“奋斗者”号潜入深渊

深渊研究的特殊之处在于具有代表性的深海区域散落世界各地，而有条件进行下潜的国家也寥寥无几。做这样的研究往往是机遇在前，计划在后。

2020年2月，中国研发生产的“奋斗者”号载人潜水器完成了总装和陆上联调。2020年11月10日，“奋斗者”号在马里亚纳海沟成功达到最深处，坐底深度10909米。是目前唯一一个可以同时将三人带到水下万米深度的潜具，也成了“溟渊计划”成行的前提。

“对人类来说，对中国来说，都是一次很难得的机会。我们提交的申请一通过，就立即过去了。”上海交通大学生命科学技术学院/微生物代谢国家重点实验室、深部生命国际研究中心主任肖湘说。

登上科考船奔赴采样点时，他和同事们还没有一份完整的采样和研究方案。他们集思广益，现场确定了科考目标，并联系安排各单位的科研和技术团队来落实研究计划的细节。

“要在船带着深渊样本回到港口之前，明确样本保存、处理、分析等流程。我们这些在岸上的来自不同研究单位的研究者也是‘临危受命’，一起参与到了这个大项目中来。”华大生命科学研究院实验研发高级工程师韩默说。

当科考船到达采样目的地附近时，就会放下“奋斗者”号。科学家和工程师们搭乘它下潜到深海后，可以通过机械臂操作采样装置进行海底沉积物采样，也能通过诱捕装置、海水过滤系统等其它设备来采取不同类型的生物样本。机械臂采完之后，将这些样本放到旁边一个“托盘”上一起带回来。算上下潜和上浮的时间，下潜人员一次要在潜器内待10多个小时。

“奋斗者”号正在采样。图片由该研究的作者提供。

“‘奋斗者’号里面是一个直径1.8米的钛合金球形座舱，可以坐三个人。坐在中间的是主驾，左边是副驾，负责辅助主驾、观察环境和操作机械臂等电气设施。科研人员坐在右边，需要采样的时候就跟主驾和副驾进行沟通。”华大生命科学研究院生物技术副研究员孟亮说。

样本采集上来后，科学家们在海面的科考船上马不停蹄地进行检测或处理，因为这些样本会因周围环境的理化性质发生剧变而迅速死亡。比如深渊钩虾，孟亮介绍道，我们采集到的钩虾样本虽然外表看起来没有发生明显变化，但它们的细胞极有可能已经破裂，生物大分子开始降解，若不及时处理就很难进行后续分析。

在科考的两个月时间里，研究团队通过这种“连轴转”的方式采取到了大量深渊生物样本。几名作者都表示，这些样本是极其珍贵的。它们不仅反映了特定时期的深海生态，也是人类对深海影响的历史记录。

“这是2021年10月到12月，人类对马里亚纳海沟底部影响情况的一个描述。未来，我们不知道什么时候才会再去。”肖湘说，“过了100年甚至1000年，有人再去采样拿到样本，再看到的海沟情况就可以跟我们现在的数据对比，就知道人类活动又影响了什么。”

“这组研究数据我们会尽量地公开，完整地展示出来。”他说。

深海生物的基因秘密

船靠港后，样本被送到各个合作单位的实验室进行基因组测序等检测和分析。研究人员们在这些数据的基础上对这些深渊生命基因功能、群体分布、适应机制等方面做出了诸多探索。

“以前也有研究报道在马里亚纳海沟等深渊里面有一些生命的存在，但这些生命到底规模多大，多样性有多高，是不是普遍存在，这些大家都不确定。而这次，我们首次确认了在万米深渊当中确实有一个繁荣的生态系统，特别是微生物。”韩默说。

这种繁荣首先体现在多样性规模上。“我们鉴定出7564个物种水平的代表性微生物基因组，其中89.4%是新发现的。这个规模有多大呢？它跟全球已知的所有海洋微生物物种数量相当，直接将我们对深渊微生物的认知提升了一个数量级，这还仅仅是这一次研究的发现。”

研究者们还发现，微生物去适应深渊极端环境的策略并不单一。有一些微生物可能以一种“精简”的方式来面对极端环境，假如一个代谢功能不是跟维持最基本生存有关，一些微生物干脆就会“抛弃”掉相关的基因，来节约能量和营养。

还有一些微生物选择了截然相反的策略。一方面，它们也会保留一些耐压或者抗氧化相关的基因，但同时它们会想方设法丰富对环境中各种因素的感知能力，利用不同的物质来维持自身的生存。

“打个比方，这两种策略就像肉食动物和杂食动物一样。肉食动物获取能量很高效，而杂食动物什么都能吃。就算环境变化也能生存。”韩默介绍道，这些策略的形成可能与深渊的整体环境压力与局部环境变化有关。

深渊微生物们既相互依赖，也相互竞争，形成了一个繁荣的社会。“一些精简型的微生物连基础代谢途径都是不完整的，它们没办法单独生存，必须有不同物种配合，例如利用其它微生物的代谢废物。这样就形成了一个复杂的代谢网络，用‘集体’的方式榨干这个贫瘠环境中的每一点资源。”韩默提到，“另一些微生物则会分泌抗菌肽等物质，杀死其它的微生物来获得更好的生存环境。”

除了微生物之外，研究者们还首次对一种深渊典型物种——钩虾（Hirondellea gigas）进行了全基因组测序，探索了它适应高压环境的生物机制。

“这种钩虾属于端足目，而我们平常说的虾属于十足目，二者勉强能算作‘远房表亲’。”孟亮介绍道，“钩虾是食腐动物，可以吃从海面沉降下来的残渣，同时也是深海鱼类的主要食物，因此它在深渊生态系统中发挥‘承上启下’的关键作用”

深渊钩虾是研究深渊生态的“明星物种”，但它的完整基因组一直没有被破解。在这次的研究中，研究团队凭借完善的样本前处理和长读长基因测序技术，成功将钩虾基因组“拼”了出来。

研究发现，钩虾基因组大小达13.92 GB，是人类基因组（3.2 GB）的4倍多，刷新了端足目的基因组纪录。在它的基因序列中，更是存在高达71.98%的重复序列。研究推测这可能与适应深海环境有关，但还需要进一步研究。

孟亮说，钩虾身上的一个“谜团”是它对压力的适应有着很大的弹性。“它的幼体在较浅的水域长成成体之后，就可以去更深的地方。它的垂直分布非常广，在最深的接近11000米的地方我们采集到过，在6800米的地方也有。这之间的压力变化是非常大的。”

研究者们首先瞄准了一种已知的能够帮助深渊物种抗压的化合物TMAO（氧化三甲胺），它能够起到稳定细胞蛋白结构的作用，调节细胞内外的渗透压平衡以应对压力变化。然而在深渊钩虾的基因组中，并没有直接找到完整的合成代谢通路。

“我们通过前人的研究找到了灵感——人类是可以通过肠道微生物共同合成TMAO的，钩虾会不会也是这样？”孟亮说，他们果然在钩虾肠道中发现了一些优势菌种，能够与宿主配合去合成TMAO并调节含量，以更好地适应压力环境。

钩虾与微生物的“协作”不止于此。研究发现，钩虾还能与微生物共同作用，将难以消化的木质素分解。

“深海的整个物质能量是非常匮乏的，对于个体较大、需要摄食的动物来说就很困难。表层沉降下来的食物不仅少，还是上面不要吃的‘渣渣’。钩虾需要高效利用这些物质，将其转化为营养。”

以往的研究发现，钩虾以难以消化的木质素为食。而在这次的研究中，研究者们找到了基因中分泌这种消化酶的完整通路，“有一些是钩虾自身所具备的，有一些是肠道微生物提供的。微生物不仅从宿主身上获得‘好处’，也要提供一点帮助，一起在艰难环境中求生。”孟亮说。

深渊生物身上还存在太多未解之谜。该系列另一篇研究通过11种深海鱼类的基因组比较研究发现，鱼类体内的TMAO浓度与深度没有显著相关性，这意味着深海生物可能有其它抗高压机制。该研究指出，多不饱和脂肪酸的积累也能维持细胞膜流动性，助力鱼类对抗高压。

原位采样帮助研究者获得了更加准确的深海样本，但毕竟无法直接在海底长期观察和现场检测，许多信息无法掌握。虽然研究者们已经深入到基因层面，但想要从基因中得到深渊生物适应极端环境的全部秘密，还需要大量的研究。

“我们知道这是一段基因序列，但是它的功能是什么？在极端环境适应性中作用的分子机理是什么？我们现在还没有完全研究清楚。所以希望成果发表之后，能够吸引更多同行的兴趣与关注，大家合力攻关，让我们对深渊物种的认识能更加深入。”孟亮说。

深渊与人类

有理论认为生命在海洋中发端，人类的祖先也是从海洋走向陆地。早期地球环境非常极端，生命也很可能在类似的环境中诞生。要验证这样的猜想，就需要去极端环境中探索。

“在深渊微生物研究中，我们虽然没有找到直接的证据，但确实注意到一些线索。有些微生物在演化树上更靠近基干部位的一些分支，它们在深渊里的繁荣可能意味着这里比起常规环境保留了更多生命演化的早期证据，这是一个不错的消息。”韩默告诉澎湃科技，“如果在后续研究中能找到一些早期生命乃至于生命起源的更多线索，我觉得会是非常振奋人心的。”

除了回答科学问题，深渊生物的“生存秘诀”也可以为人类所借鉴。肖湘提到，一些芳香族化合物在地面上是持久性污染物，难以被降解。但在深海里，没有其他营养来源的微生物竟然以这些化合物为食。“深海生命能够对付这些污染物，我们是不是可以用这些微生物来照顾我们的自然环境，造福人类？”

在医疗领域，原有的抗生素已经出现耐药性问题，而新型抗生素的发现进展缓慢。“新发现的深渊微生物有些能够分泌抗菌肽等物质，丰富了我们的储备，或许能为药品开发提供新的选择。”韩默说。

“我们看到生命的一些特殊的规律在深渊里有普遍性。我们现在已经在跟一些医院的沟通，看看能不能服务于医疗，不仅仅是作为药物辅助，还有对生命策略的理解。”肖湘还提到，“比如，理解极端医疗环境下病原微生物，环境微生物与宿主的关系。”

深渊与人类社会最直接的关系，或许在于它们尽管相隔遥远，却同属一个生态系统。不仅人类的活动能影响深渊，深渊也可能反过来对我们的生存环境造成影响。

“我们曾经在一些深渊海底发现了不少人类废弃物污染，废弃物塑料、玻璃、金属制品什么的，给我们很大冲击。如果不做这些研究，一般人可能很难想到离你几千公里的万米深渊可能会被你抛弃的垃圾污染。”韩默说，“易拉罐出现才多少年？人类活动在几十年间就能影响到深海，那么是不是反过来，在这个‘角落’里发生的事情也会影响到我们？”

他举例道，当人类的污染给深海带来了不一样的化学物质时，微生物一定会想办法适应这个被改变的环境，但我们并不了解这些改变可能带来的效应。

“当然，我们可以乐观地认为这些微生物把塑料都降解了，分解成小分子有机物，重新回到生态循环中。但有没有可能它们代谢污染物时产生有毒有害的物质？会不会最终无法在污染中生存，从而影响地球的物质和能量循环？”

“人类对于深渊生命的了解还是很浅薄的，如果放任污染，谁都不知道结果是好是坏。作为科研工作者，我觉得人们应当更加谨慎，未雨绸缪。”韩默说。

澎湃新闻记者 吴跃伟 季敬杰