海底热泉、冷泉生态系统：化能细菌支撑起的深海秘境 - 海底生态系统研究

自然界的生物生存需要能量。科学界在很长时间内一直认为在阳光难以抵达的深海，没有能够通过光合作用来固定能量、合成有机质的生产者，生物也就不可能大量聚集。

3 R! f9 x" r, C' r+ [9 B

. z" m: l- N: Y& p/ G c5 U

热泉区的“白烟囱”

3 w1 F$ ] y2 y; M

直到1977年研究人员乘“阿尔文”号潜水器在加拉帕戈斯裂谷发现了海底热泉。这些热泉口貌如烟囱，源源不断地喷出黑色或白色的浓烟，当然并不是真正的烟而是富含矿物质的热水，有些喷发点的水温可高达400℃。围绕着热泉口方圆约50米的区域内，布满了鱼、蛤、蠕虫等海底生物。这里的生机勃勃与百米开外寒冷而贫瘠的深海场景形成了鲜明的对比。80年代中期开始，更大规模的海底调查和更多的洋底热泉及热泉生物被发现和研究，人们得以了解到它们的生物链组成和生态结构。

1983年研究者在美国墨西哥湾首次发现了海底冷泉系统，随后在其他大陆斜坡和大陆边缘均有发现，但是大多数分布在环太平洋的活动俯冲带。海底冷泉是继海底热泉之后的又一重大发现，二者都反映了海底的极端环境。

冷泉周围也是海底生命极度活跃的地方，科学家在热泉生态系统中已发现的生物种类达到500多种，冷泉生态系统中有200多种，因此热泉和冷泉生态系统并称为深海绿洲。

, k1 ^4 _3 M* Z& l' u

热泉区的“黑烟囱”

% q1 S+ _, n2 T0 {- ^; i; |) `

( ^4 D6 i0 P8 {6 u4 \

极端环境的形成

3 n1 e& X6 d8 C

热泉场一般呈方圆数千米大小的斑点状分布，大多形成于大洋中脊（贯穿四大洋的海底山脉）附近的板块交界处。板块交界的地方，会有裂谷或孔隙，海水沿着裂谷或孔隙渗入洋底地壳内部很深的地方，被地壳内的岩浆加热，同时与基底的玄武岩发生化学反应，形成了高温、酸性且富含矿物质的热液。

& G$ X8 {" [1 Z4 n0 U4 N3 x2 ^0 h

热泉形成示意图

" |! X& _( Q: T& e- U( M& S

! I9 h3 `$ T v+ s% N/ J9 f1 y' m4 i

海水层层渗入，直到岩层变得难以渗透便开始回流至海底，含矿的热液与冰冷的海水相遇，迅速冷却并析出各种硫化物。这些物质不断堆积，越堆越高，渐渐形成了烟囱状的地貌。当热泉温度为100℃～350℃时，形成主要由硫酸盐矿物(硬石膏、重晶石)、二氧化硅和白铁矿组成的白烟囱。当温度≥350℃时，形成由暗色硫化物如磁黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿等堆积而成的黑烟囱。

冷泉是以水、碳氢化合物（天然气和石油）、硫化氢、细粒沉积物为主要成分，主要集中在断层和裂隙较多的地区。虽然被称作冷泉，但是实际上冷泉的温度与周围海水温度相近，约2℃～4℃。

冷泉甲烷气体喷溢口

+ n0 z( h, N6 z g

人们发现，冷泉经常出现于天然气水合物矿藏的顶部。海底沉积物中的甲烷等气体在温压条件有利的地层中，会形成天然气或天然气水合物。当稳定条件被破坏时，天然气或天然气水合物分解后释放的甲烷、硫化氢和二氧化碳等气体会沿裂隙向上运移和排放，在近海底形成冷泉。

9 k- @1 s% W& \4 Y$ v

1 k; \& k& W4 ?. C

热泉生物群

( m% ^5 c, ~5 w: ~! p- j

能量的生产者

化能合成细菌是热泉/冷泉生物系统的初级生产者，形成了食物链的基础。

9 H$ X2 K. N1 X5 u& m% ^

生物体主要由碳、氢、氧元素构成，这些元素包含在水和二氧化碳中，但是氢和碳分别与氧强力地结合在一起，因此不能直接被生物利用。要切断这种化学结合并利用这些元素，就需要能量。多数植物就是利用阳光把这种结合切断，然后让元素重新结合形成必需的有机物，这个过程便是光合作用。化能合成细菌同样能生产有机物，它们不是用阳光，而是用无机物氧化时产生的能量来进行有机物合成。

" e. O @% o O2 F* n: d

热泉/冷泉口的环境较为极端，高压、黑暗、低氧，硫化物和重金属等有毒物质含量高。因此热泉/冷泉生态系统与以光合作用为基础的生命体系有根本区别，它们形成以化能合成细菌为基础生产力的食物链，构成一个自养自给的共生系统。这个系统环环衔接、完整又独立，伴随着热泉/冷泉的长消而出没。

" S8 v1 T' v! o% ~1 b0 @" q$ }% J

- i& b3 I$ P) A+ F x

嗜硫珠菌

, `. U5 `9 f, \+ f

热泉口生态系统的主要生产者是硫氧化细菌，这些菌类能够忍受来自热泉的高温，同样能够抵御深海的冰冷。它们利用二氧化碳和含氮化合物合成细胞物质，并通过氧化无机物获得能量，将热泉喷口处喷出的硫化氢等化为己用，生成有机物质供其他生物食用。

同时，热泉处的地热活动有时会释放出来微弱的光芒，一些能进行光合作用的菌类，如绿色硫细菌，会在微弱的光芒下进行光合作用，生成有机物。

3 q1 L1 Y3 ?6 ]- @7 E- x

冷泉生物群落获得营养的方式以及群落结构与热泉生物群落几乎没有差异。在冷泉喷口也存在多种化能合成菌群，由于冷泉溢出的流体富含甲烷、硫化氢和二氧化碳等，因此甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌是冷泉生态系统中的初级生产者。

1 e' l1 U, V' g8 S* c0 ?* R9 a& b

5 K( ?7 r, \3 A! J

冷泉区的白珊瑚

: `. V2 i! b: H" _ A9 ?

8 S% _+ ?8 Y1 M( e0 J8 ]

随之而来的消费者

6 K8 k- c$ x; `- h

有了生产者贡献的养分，自然会吸引众多消费者蜂拥而至。菌席（菌类贴附在沉积物表面形成微薄的层状）以及底栖双壳类和多毛类等低级消费者又吸引了捕食的蟹类和某些腹足生物，鱼也出现了。

5 {" @" x# u$ ]- o: z3 d4 ?) @5 v

巨型管状蠕虫

& r5 ~8 ~3 I' w

- Y$ m I5 |$ y- r, y' T

直径1米左右的巨型白蛤和长着红色触手、白色外壳的巨型管状蠕虫是热泉生态群落中的典型生物，它们都没有肾脏、心脏、嘴巴、胃等器官，体内住满了不同种类的共生细菌，细菌在转化硫化物的过程中会释放出能量，白蛤和管状蠕虫以这些能量为食。由于它们的软组织需要容纳足够多的细菌产生食物，导致了这些低级消费者生长速度非常快且个体大小相当可观。

甲壳类动物也是海底热泉的主要居民。雪人蟹是海底热泉的独特品种，它的视网膜已经完全退化，通体覆盖着黄色细菌群落，细菌群落帮助雪人蟹分解热泉喷发出的有毒物质，雪人蟹则以这些黄色菌落为食。

7 G* [) p3 T2 o8 d: c. d9 c$ w

雪人蟹

1 e4 c: J6 T2 V% D5 d

; @9 n, J |# b

视网膜同样已经退化的盲虾背部聚集着许多嗜硫细菌，积累到一定数量时，盲虾就会用它灵活的虾钳刮下来吃掉，同时还能利用自己的鳃和口器来培养这些附生细菌。

铠甲虾长得像龙虾，却是寄居蟹的亲戚。铠甲虾是群居动物，常常倾巢而出寻找食物。它们的食物是生物被膜（微生物将自身所生产的多糖包裹在身上，并附着在其他生物或非生物表面形成的微生物群落）。

( O/ T+ I- ~5 H0 C& n% {

深海章鱼是热泉生态系统食物链顶端的霸主，由于不需要释放墨汁逃生，这些章鱼都没有墨囊。

/ F$ ?2 U' E. ~2 x& q

冷泉生物系统的甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌提供了碳源和能量，在其基础上同样发育着菌席和深海双壳类（贻贝类和蛤类）及多毛类动物（管状群蠕虫和冰蠕虫）以及海星、海胆、海虾等一级消费者，二级消费者有鱼、螃蟹、扁形虫、冷水珊瑚等。

- c. Y: x# f$ u% C% t

清道夫最后登场

维持一个完整的生态系统，除了生产者和消费者，还少不了分解者。食腐动物是热泉生态系统的清道夫，也是最晚来到这儿的居民。海底热泉并不会永久存在，总有一个终止日期。由于这种生态系统直接依赖热泉/冷泉喷发所提供的物质，因此其发生和消亡完全取决于热泉/冷泉的活动周期。由于热泉/冷泉的活动期一般都在几十年左右，所以这种小型生态系统也只延续几十年的时间跨度。

1 o, a# y5 v7 w# o3 }5 t" T0 _

如果附近出现大量的食腐动物，预示着这里有大量的生物死亡，热泉/冷泉生态系统也濒临崩溃。这种崩溃可能是很突然的，海平面的升降、海底温度和压力的变化、微小的地壳运动都可能会引起海底构造的变化，导致热泉/冷泉停止喷发，从而使热泉/冷泉生态系统彻底失去原先的生命力，渐渐恢复成与其他地区无异的冰冷深海。

本文为中国大百科全书数据库原创，转载须授权。

6 Z4 ~5 \1 x2 J" f& ?# Q( P. v - N7 ^' d7 f- x# |4 U- ? 3 C& A p5 a* I9 v, S: K4 X2 d