地球上最深的海沟被称为哈达尔海沟，深度超过六千米，甚至达到近一万一千米的极限，是现代海洋科学探索的前沿阵地。长期以来，科学家们推测这些深邃的海底环境可能孕育着以化学合成为基础的生态系统，但真正的现场证据一直极为稀少。近期，通过中国深潜器“奋斗者”号对库页-堪察加海沟和西部阿留申海沟的潜航调查，揭开了海沟底部普遍存在、规模宏大的化能合成生命社区的神秘面纱，重新定义了深海生态极限和地球碳循环的复杂格局。研究展示出这些海沟底部的化能合成生命群落不仅数量庞大，生物多样性丰富，还展现出独特的生态结构和生存策略，成为海底生态系统中不可或缺的组成部分。位于太平洋板块与北美板块交界处的库页-堪察加海沟和阿留申海沟，是地壳板块活动极为频繁的地质带，拥有复杂的地形地貌和丰富的沉积物来源。海沟底部构造断裂带上的冷泉系统成为化学能源的释放点，提供了化能合成微生物赖以生存的硫化氢和甲烷等还原性化合物。
这些流体由深层沉积物通过断层迁移到海底，其中的甲烷主要来源于沉积有机质的微生物还原作用，形成了稳定的能量供应环境，使相关生物在无阳光照射和极端高压的环境中繁衍生息。从2024年7月至8月开展的23次潜航任务中，研究团队在海沟底部发现了一个横跨约2500公里长的化能合成生物带，深度范围介于5800米至9533米。该带内主要以管状虫（siboglinid Polychaeta）和双壳贝类（Bivalvia）为主导，密集分布，生物密度之高刷新了人类对深海生命丰盛度的认知。细分来看，库页-堪察加海沟深度较大的区域主要被多样化的管状虫群落所支配，这些管虫管长可达几十厘米，营造出庞大的微生境空间，为宿主微生物和其他附着生物提供栖息地。同时，发现了伴随管虫分布的多种游动性多毛类和腹足类，形成完整的生态链结构。与之对比，阿留申海沟较浅区的化能社区则以化能合成双壳贝类优势，如豆瓣蛤属等，形成贝类密集的“贝床”生态区域。
值得关注的是，这些社区并非孤立存在，而是在相似的地质结构中连续分布，显示出海洋深处的冷泉体系具有连通性，可能形成了北太平洋哈达尔带的生态网络，甚至与日本海沟和马里亚纳海沟的类似生态有所联系。生物群落的多样性背后，离不开甲烷和硫化氢等化学物质的有效供应。气体及沉积物化学分析显示，沉积物中甲烷含量极高，且稳定碳和氢同位素特征明确指向微生物通过碳酸盐还原途径生成的生物起源甲烷。这不仅验证了海沟深部环境中活跃的微生物合成代谢，也说明这些甲烷在沉积层中可能以溶解状态或甲烷水合物形式稳定存在。地质构造分析及模型提出，海沟底部遇到的冷泉流体主要并非来自板块俯冲带深部，而是源于海沟槽内未被俯冲的沉积物层。这些沉积物因海面高初级生产力沉积下来的有机遗体丰富，经过厌氧条件下微生物分解逐步产生甲烷。
生成的甲烷沿着板块弯曲形成的断层上升，抵达海底形成冷泉，支持了化能合成生态系统稳定营运。值得一提的是，在潜航记录中并未发现如气泡释放等甲烷逸出现象，符合热力学计算中甲烷随着压力和温度条件稳定形成水合物或者溶解态的预测。这种机制说明海沟底部不仅是生物多样生命的家园，同时可能是重要的深海甲烷水合物储存库，对全球碳循环和气候系统具有潜在调控作用。新发现的化能合成生命区的生态意义深远。它们为极端环境中的生命适应性和共生机制提供了宝贵范例，突出生命利用非光合作用能量源的多样化途径。同时揭示，海沟生态系统的能量供应不仅依赖于表层落下的有机颗粒和尸骸沉降，化学能通过冷泉系统作为重要能量输入，活跃了整个海沟底部生态层，可能对附近异养动物也形成重要营养支撑。
此外，甲烷的持续产生、积累与释放，提示这些深海生态位在全球碳库的平衡中发挥了未被充分认识的作用。若这种化能合成生态系统在全球范围的哈达尔海沟中普遍存在，全球海洋碳循环模型需重视深海甲烷及其生物群落的动态贡献。科研团队强调，未来的考察需进一步确认甲烷水合物的地质分布范围，通过更精细的沉积钻探与生物地球化学分析，揭示这些生态系统的生物地球化学循环细节及其对全球环境变化的响应。从技术层面来看，潜航器装备的多光谱高清摄像设备和高精度生物样本采集装置，为此次发现提供了强有力的技术保障。高通量测序与基因条形码技术，则帮助科学家准确鉴定了深海生物物种群落，推动了海洋生物多样性研究的前沿。总之，哈达尔海沟深处的化能合成生命群落不仅刷新了我们对海底生态极限的认识，更进一步揭示了生命多样性与地球深层碳循环的内在联系。
它们提醒我们，在地球末端的极端环境中依然孕育着丰富复杂的生态系统，科学探索的脚步需要不断向下、向深挺进，以揭示更多未知的深海奥秘。随着技术进步和全球合作加深，未来对哈达尔海沟及其他深海环境的综合研究，将为理解地球环境系统和生命演化机制贡献更多基础科学知识和应用价值。
