地球上最深的海沟，俗称“幽深海沟”或“地狱海沟”，一直是人类探索未知边界的前沿。最近在千岛－堪察加海沟与西部阿留申海沟的深度探险中，科学家们发现了地球上最深且分布最广泛的化学合成生命群落，这一发现重新定义了生命在极端环境中的极限，并为研究深海碳循环提供了全新视角。化学合成生命是指依靠无机化学物质作为能量来源，通过化学合成过程维持自身生存和繁衍的生物群落。长期以来，科学界认为这些生命主要存在于海底热液喷口和冷泉等相对浅层的海域，但此次在9000米以上的深度发现大规模化学合成社区，挑战了以往的认知。此次勘探行动使用具备全海深潜水能力的载人潜水器“奋斗者号”，历时一个多月，通过23次深潜调查，覆盖了长达2500公里的海沟底部区域，展现了有蠕虫类和双壳类生物主导的丰富生态系统。这些生物依靠海底地质构造导致的含硫氢和甲烷富集液体，形成了独特的生态位。
深部沉积物中的微生物通过分解沉积有机质，产生大量微生物甲烷，沿着伴随板块弯曲的断层上升至海底，形成冷泉环境，从而支持了这些化学合成生态系统的繁盛。该生态系统中，管虫类如Siboglinidae家族的多种物种在深达9000米以上的环境中生存，其生命管道从软泥中伸出数十厘米，内部通过血红蛋白运输硫化氢，与特定的甲烷氧化细菌形成共生关系。同时，双壳类软体动物如阿贝氏蛤蟆（Abyssogena phaseoliformis）和藤壶蛤（Isorropodon fossajaponicum）聚集在海底沉积物上，以化学合成产能为能量基础。生态系统的复杂性不仅体现在单一物种的适应，也体现在多样化的生态群落结构中，这些群落包括各种管状蠕虫、多种甲壳类、海葵和螺类，它们围绕冷泉点形成紧密的生物网络。关于海底环境的化学分析显示，甲烷主要来源于微生物的碳酸盐还原作用，甲烷分子中碳与氢的稳定同位素组成验证了其生物生成的特征。高浓度的甲烷与硫化氢促使沉积物中生成六水合碳酸钙（伊凯石），这不仅提供重要的矿物质信息，也反映了深层有机质分解及微生物氧化过程的交互作用。
此外，甲烷在超高压力低温环境下形成甲烷水合物，稳定存在于海底沉积层内，并且在某些区域可能表现出分布的层次性，成为深海碳库的重要组成部分。非常值得关注的是，这些深海冷泉的形成机制与较浅水深的断层渗流有显著差异。幽深海沟中的冷泉源头直接来自未被俯冲的沉积层，确保了甲烷以生物途径持续生成后，通过板块运动带来的压力推动沿着海沟断层向上喷发，为海底生物提供持续能量供应。地形学上，V型海沟结构成为有机质的汇集地，源自表层海洋高产能的浮游植物藻华，以及边坡滑坡和地震触发的重力流。这些有机质沉积经过长时间的无氧微生物还原作用转化为甲烷，在固体不可渗透层下累积，形成稳定的气体储藏，最终在断层处得到释放。此次发现的生态系统不仅扩展了人们对海洋生命深度范围的认识，也揭示了化学合成过程对深海生命维持的关键作用，远远超出传统观念中依赖表层有机颗粒沉降的能量模型。
各类异养生物如海葵、海参和各种甲壳类与化学合成的管虫及贝类共存，表明冷泉生态系统对更广泛海底生态网络的能量补给具有极大影响。此外，海沟内高浓度的微生物活动和甲烷循环强化了生物地球化学过程，暗示着深海内的地下生物圈可能对全球碳循环和温室气体排放有着未被充分认识的重要贡献。换言之，沉积物中的甲烷并非简单向深层俯冲，而是在海沟沉积层长期储存，并通过断层释放至海洋系统，这一过程对于理解板块俯冲带碳循环尤为关键。未来有待开展定点钻探和长期监测，以更深入揭晓甲烷水合物的形成和稳定性，以及对海洋气候系统潜在的反馈机制。从资源角度考虑，幽深海沟中丰厚的甲烷水合物质储藏代表了潜在的能源宝库，虽然开采技术尚未成熟，但其存在可能重新定位全球天然气水合物的储量和经济价值。技术发展方面，“奋斗者号”载人潜水器的成功应用展示了全深度载人探测的巨大潜力，为未来更大规模的深海生物与地球科学研究奠定基础。
整体而言，这些发现不仅丰富了深海科学，对认识地球生命极限环境、探索极致适应策略以及制定全球气候模型都具有重要意义。随着研究的进一步深入，幽深海沟深海生态系统将成为揭示生命原理和地球演化历史的重要窗口，也可能孕育未来海洋资源开发与保护的新方向。
