中国科学家在深海生命科学研究领域取得突破性进展
中国科学家在深海生命科学研究领域取得突破性进展
6000米之下的海洋是地球上最少被探索的区域，被称为海洋深渊。在2020年之前，只有九人到达过马里亚纳海沟的最深点。
2021年3月16日，由中国自主研发的"奋斗者"号全海深载人潜水器正式交付使用，同年10月，"奋斗者"号在马里亚纳海沟正式投入常规科考应用。上海交通大学、中国科学院深海与工程研究所、华大集团等单位的几十位科研人员参与深潜采样。截至到目前，MEER计划采集的沉积物样本生成了92TB的深渊微生物数据集，并宣布与全球科学家开放共享。
北京时间2025年3月7日，马里亚纳海沟生态环境科研计划（MEER）专题在Cell Press细胞出版社旗舰期刊Cell发表，本研究专题报道了深渊研究的重大进展。样本分析显示出较高的分类新颖性，为我们呈现了一个海洋深处极度繁荣的生态系统。该项目重点研究了深渊生态系统，包括深渊微生物、深渊无脊椎动物（钩虾）和深渊脊椎动物（鱼类）的特征与环境适应，从而描绘了深渊特殊的食物链：从微生物到钩虾再到鱼类。发现了深渊存在跨越物种边界的深渊环境"共适应"策略。
深渊区极端环境下的深渊生态系统繁荣机制（MEER）
深渊区（水深超6,000米，或根据联合国教科文组织定义为水深超过6500米）占海洋垂直深度的45%，以极端高压（110兆帕）、低温（接近冰点）、黑暗及有机质稀缺为特征。尽管环境严酷，这里却孕育了独特的生物群落，如凝胶状鱼类、端足类甲壳动物及依赖化能合成的微生物。这些生物通过基因和代谢途径的适应性进化，成为研究生命极限的范本。
从1960年起，人类对深渊的探索历程一直伴随着巨大的代价和牺牲，也为现代深渊研究奠定了基础。直至中国"奋斗者号"全海深载人潜水器的出现（2020年创下10,909米下潜纪录），深渊科考进入新阶段。其220公斤有效载荷、高速水声通信系统及高国产化率，显著提升了采样精度与效率。在2021年TS21航次中，"奋斗者号"采集了约1,700份分层沉积物和原位海水样本，覆盖6,000-10,900米深度。通过高通量测序，构建了全球首个深渊微生物宏基因组与生态分析流程框架，揭示了微生物群落的高新颖性与多样性及其成因。
研究还开发了高压培养装置与多组学分析技术，发现深渊微生物能够利用多种难降解有机物（如，芳香族化合物等），部分通过CO氧化生存，表现出与上层海洋截然不同的代谢偏好。在最新的多组学研究中证实深渊是深海碳循环的"热点"。此外，深渊微生物的环境修复潜力（如污染物降解）及生物医药应用前景（新型酶类）凸显其科学与社会价值。
未来需突破原位观测技术瓶颈，开发耐压传感器与长期监测系统，并加强跨学科整合，量化深渊对全球碳循环的贡献。深渊探索不仅拓展了生命科学边界，更为应对气候变化与资源可持续利用提供了新视角。
深渊沉积物微生物生态系统与生态驱动因素
通过马里亚纳海沟环境与生态研究项目（MEER），揭示了该极端环境中微生物群落的高分类学新颖性及其生态驱动机制。研究团队在马里亚纳海沟、雅浦海沟和菲律宾海盆采集了1648份沉积物样本，结合宏基因组测序和16S rRNA基因扩增子测序技术，构建了92 Tbp的MEER数据集，发现了7564种微生物。与全球海洋微生物组（OMD）、深海沉积物（通常深度小于4000 m）以及已报导的深渊样本相比，MEER微生物数据集中89.4%为未报道的新物种，表明深渊区微生物具有极高的分类学新颖性和未知多样性。
深渊是典型的极端环境，以极端高压（60-115 MPa）、低温（1-4°C）、寡营养和缺氧为特点。这些条件对生命构成严峻挑战，但研究显示微生物通过独特的代谢策略适应环境。以深渊生态系统为切入点，通过构建一种新的基于宏基因组的生态分析流程，将环境生态驱动过程与微生物基因组特征和代谢偏好结合起来，也拓展了微生物生态研究的深度。
研究发现，与已报道常规环境不同的是，属于确定性过程的同向选择（平均贡献达50.5%）为深渊生态系统的最主要驱动力，这表明深渊极端环境对微生物有着强烈的自然选择倾向。同向选择过程塑造了具有"精简型"适应策略的微生物，这些微生物通过简化基因组，聚焦在适应深渊的关键功能上，例如芳香族化合物利用（应对深渊寡营养环境）和抗氧化系统（应对深渊高压带来的过氧化）。这种由深渊环境直接选择的特殊代谢过程，与表层海洋和陆地截然不同，首次确认了深渊微生物在当前全球变化背景下具有不可忽视但长期被忽略的作用。
相反，随机过程促进了微生物"多能型"的适应策略，表现为具有更大的基因组和代谢全能性。此外，随沉积物深度的增加，另一种确定性过程——异向选择的贡献度也随之增加（最高贡献可达30%），其筛选的代谢功能与最终电子受体的利用有关，表明经典地球科学认知中的随沉积物深度而变化的氧还原梯度在局部对微生物群落塑造起到了重要作用。
此外，以深渊极端环境为例，本研究还对生态研究方法进行了拓展。与经典的16S rRNA基因扩增子为基础的生态学分析相比，本研究中建立的基于宏基因组的生态分析方法成功地将生态过程、代谢潜力、基因组特征和极端环境联系了起来，识别到了两种截然不同的微生物环境适应策略："精简型"与"多能型"。这为未来解决深渊土著微生物菌株分离培养难的瓶颈带来了全新的指导视角。而这种将生态分析方法与微生物代谢功能相结合的研究方法，也将推动微生物生态研究与经典微生物生理代谢研究相结合，特别是在极端环境或未充分研究的生态系统的探索中具有广泛应用的空间。
深海鱼类的进化与遗传适应
通过对11种代表性深海鱼类（涵盖所有深海区硬骨鱼类谱系）的基因组测序，研究团队重构了硬骨鱼类的深海殖民历史，并发现了一系列趋同进化特征。其中，rtf1基因在3000米以下深海鱼类中普遍存在氨基酸替换突变，体外实验证实该突变能显著影响转录效率，这可能是深海高压环境下的关键适应机制。有趣的是，传统认为三甲胺氧化物（TMAO）含量与深度呈线性正相关的假说被打破，研究发现TMAO积累机制比预期更为复杂，可能存在物种特异性调控。
研究还揭示了人类活动对深海生态系统的深远影响。在马里亚纳海沟采集的样本中检测到高浓度持久性有机污染物（POPs），包括多氯联苯（PCBs）和多溴联苯醚（PBDEs），其浓度甚至超过中国重污染河流生物体50倍。这些污染物通过塑料沉降和食物链富集进入深海，表明即使在地球最偏远的深海区，生物也无法逃脱人类工业活动的遗留影响。
从进化视角来看，深海鱼类的分化历史与地质气候变化紧密关联。化石记录和分子钟分析显示，现代深海鱼类谱系主要起源于中新世（约2,300万年前），其辐射进化与全球海洋冷却、氧含量上升等环境转变同步。系统发育研究进一步发现，深海鱼类的功能基因（如细胞骨架稳定相关基因TUBGCP3、能量代谢相关AMPK/mTOR通路基因）经历了加速进化，并通过基因家族扩张（如MLC1、ABCC12）和正选择（如ITGA、HARS）实现了对高压、低温和食物匮乏的多维度适应。
这些发现不仅深化了极端环境生物适应机制的理解，也警示了深海生态系统保护的紧迫性。研究证实深海并非与世隔绝的"净土"，其生物既承载着亿万年的进化智慧，也正承受着人类活动带来的新型威胁。
钩虾基因组揭示种群动态及其对超深海环境的适应性机制
作为栖息在6,800–11,000米深海的优势物种，深海钩虾Hirondellea gigas（H. gigas）的染色体级基因组规模达13.92 Gb，是目前已知最大的甲壳类基因组之一。对马里亚纳海沟510个样本的群体遗传分析显示，不同深度个体未出现种群分化，表明其具备广域水压耐受能力；而西菲律宾海盆种群与马里亚纳、雅浦海沟存在遗传隔离，提示地理分隔导致种群分化。该物种历史上曾经历有效种群规模急剧缩减，可能与更新世冰期-间冰期循环引发的深海环境剧变相关。
在极端环境适应方面，H. gigas演化出独特策略：其外骨骼通过分泌葡萄糖酸从沉积物富集铝离子，在碱性海水中形成氢氧化铝凝胶层，既能抵抗100 MPa高压（相当于手掌承受喷气客机重量），又能突破碳酸钙溶解深度限制（4,000–5,000米）维持外壳稳定性。消化系统则产生高压适应性酶系（如GH7纤维素酶HGcel），在100 MPa、2°C条件下活性增强，可将木质碎屑直接转化为葡萄糖，适应仅6 ppm/g的极低有机碳环境。
宿主-共生微生物互作是另一核心适应机制。宏基因组分析显示，马里亚纳海沟种群肠道菌群富含碳水化合物代谢基因，微生物互作网络复杂，可能与海沟间碳输入差异相关。共生菌群沿宿主消化道形成生化梯度：富氧区菌群参与碳固定，缺氧区则驱动反硝化，构建高效物质循环系统。比较基因组学揭示，62个涉及β-丙氨酸合成、能量代谢的基因受正向选择，冷诱导蛋白基因家族的扩张则强化了低温适应。线粒体单倍型网络差异进一步支持地理隔离驱动的遗传分化假说。
该研究系统揭示了深海物种适应高压、低温及营养匮乏的整合策略，为深海生态系统能量流动提供新认知。其特殊酶系和金属代谢机制在生物燃料开发、高压防护材料等领域具应用潜力，未来需深入解析宿主-微生物互作分子机制及气候变化对深海种群的潜在影响。
本文原文来自澎湃新闻