在人类对地球海洋生态系统的认知中，最深处的海沟区域一直是科学探索的前沿阵地。2024年，科学家们借助能够潜入近1.1万米深海的载人潜水器“奋斗者号”，对位于西太平洋的千岛-堪察加海沟和阿留申海沟进行了深入探测，震惊地揭示了迄今为止发现的最深、面积最广的化能合成生态系统。化能合成生命以化学能作为能量来源，而非传统光合作用驱动的太阳能，这种依赖化学物质的能量转换机制让生命在远离阳光、极端高压和寒冷的海沟深处得以蓬勃繁衍。这一重大发现极大地丰富了对极端环境下生命适应性和深海生物多样性的理解，并揭示了深海碳循环中未曾察觉的关键环节。千岛-堪察加海沟和阿留申海沟作为太平洋板块与北美板块之间的活跃俯冲带，拥有复杂的地质构造和活跃的断裂系统，这为富含甲烷和硫化氢的流体从深层地层向海底迁移提供了通道。科学考察发现，生活在这里的化能合成群落主要由毛管虫（siboglinid Polychaeta）和双壳类（Bivalvia）构成，群落分布跨度长达2500公里，栖息深度从5800米到9533米不等。
毛管虫以带有血红蛋白的触手感知并摄取化学物质，而双壳类则通过体内共生的化能合成菌取得养分，这些生物成功适应了压力极端、无光和高毒的环境。通过稳定同位素分析，科学家确认海沟底部富含的甲烷主要来自深层沉积物中微生物通过碳酸盐还原途径产生，而非热解形成的热成因甲烷。这些甲烷与硫化氢通过断裂带渗透至海床，形成了独特的冷泉系统，支持了化能合成生物群落的生存。与已知深海热泉和冷泉系统相比，海沟中的冷泉不仅处于更大的深度，而且规模更为庞大，影响范围广泛。发现的生物群落密度极高，毛管虫种群甚至达到每平方米5800余个，展现了极端深海环境中生命的旺盛生命力。科学志愿探险中记录的“最深冷泉”点位达9533米，为世界迄今为止发现的最深的冷泉生态系统。
群落内除了化能合成的专属物种外，还伴随着多样的异养底栖生物，如海葵、海参和多毛类，这种共存关系暗示了化能合成有机物可能对整个深海生态系统提供了重要的能量补给。此外，黑色沉积物中发现的大量焦硫化铁及堆积的水合物钙碳酸盐（ikaite）矿物为冷泉环境提供了地球化学证据，进一步验证甲烷氧化和硫酸盐还原活动的存在。海沟底部的特殊地形使得大量有机物质通过重力流和地震诱发的滑坡被捕获沉积，这些有机质为深层微生物发酵和甲烷产生提供了丰富原料。岩石变形和俯冲过程催化了沉积物流体的迁移，上述断裂带成为甲烷及硫化氢向海底释出的导管，促成了冷泉系统的形成。此前，海沟区域因极端恶劣环境而被认为生命体稀少，主要能量来源依赖于表层有机颗粒沉降。新发现挑战了这一生态模型，表明化学能在深海极端生态系统中扮演了被低估的角色。
丰富的化能合成生物社区不仅为科学家研究极端高压对生物代谢和共生机制的影响提供了独特机会，同时也推动了对碳循环、甲烷地质储存及潜在温室气体释放机制的深入理解。甲烷作为强效温室气体，其在海底冷泉及水合物沉积中的稳定存在与释放，对全球气候变化的长期趋势具有重要影响。此次研究揭示的甲烷水合物稳定层位扩展了我们对深海甲烷储量的认识，也为未来评估海底甲烷资源潜力和风险管理提供了科学依据。未来在其他深海海沟和俯冲带开展类似的勘探有望发现更多化学能生态系统，这将有助于完善全球碳模型，推动生态与地质跨学科研究的融合。人类深海探测技术的进步，尤其是载人潜水器和遥控无人机的应用，极大提升了对极端深海环境的直接观测能力。千岛-堪察加和阿留申海沟的化能合成生命研究不仅丰富了深海生物多样性图谱，也为生物地球化学循环和行星生命适应机制研究提供了重要范例。
随着对海沟冷泉系统的持续研究，科学家们期待进一步揭示其生物群落动态、能量流转以及对全球生态系统服务的贡献。这一切见证了生命力的非凡顽强，展示了地球最深渊中神秘而活跃的化学能生命奇观，也鼓舞人类在不懈探索中不断扩展对生命边界的理解。
