地球最深的海洋区域——哈达尔海沟，一直以来都是科学家探索生命极限和深海生态系统奥秘的前沿阵地。近年来，关于这些极端深度环境中化能合成生命的发现，彻底改变了我们对深海生态和地球碳循环的认知。由中国科学院深海科学与工程研究所牵头，于2024年夏季在库页-堪察加海沟和西部阿留申海沟进行的深海潜水器“奋斗者”号考察，首次报道了这些巨大海沟内广泛且丰富的化能合成生物群落，它们不仅突破了此前的极限记录，还展现出令人震惊的生态规模和多样性。这些生命通过利用断层输送的富含硫化氢和甲烷的流体维系自身生存，为极端环境生物学和地球化学研究提供了新的启示。哈达尔海沟的独特地质、生态环境和生物群落，为揭示极深海洋生命的生存机制及其对全球生态系统的贡献奠定了坚实基础。哈达尔区通常指的是6000米以下的极深海沟地带，由于其极端的压力、黑暗且寒冷的环境，长期以来被认为生物多样性相对贫乏。
然而，研究证实这些区域存在以化学合成为基础的生态系统，生物种类和数量均呈现惊人的繁盛。此次考察的主要发现是在库页-堪察加和阿留申两大海沟底部发现了长达2500公里的冷泉化能合成生物分布区域，深度从约5800米到近9533米不等，刷新了人类对海底生命极限的认识。化能合成社区以管足类(如siboglinid多毛类)和双壳类贝类为主，它们依赖于通过海底断层从深层沉积物中释放出的富含硫化氢和甲烷的流体。经同位素分析显示，这些甲烷主要来自沉积有机质微生物的生物产生过程，即通过通过二氧化碳还原产生甲烷，而非热解成因。这一发现不仅揭示了深海中微生物群落的活跃代谢和生态作用，也挑战了以往关于极深海区域能量来源主要依赖落下颗粒有机质的传统观点。深海海沟的地质构造极为活跃，是太平洋板块向北美板块俯冲的区域，诸多断层和变形带形成了独特的水文和生物地球化学环境。
库页-堪察加海沟可达9578米深，是潜水器实测的全球最深海沟之一。该区域丰富的浮游植物春季爆发和生产力，为海沟提供了充足的有机物质沉积，这些动植物残骸经过地震和滑坡等地质事件沉淀到海沟底部，形成了丰富的有机质氧化还原环境。化能合成生态系统正是依赖这一有机质分解产生的硫化氢和甲烷，通过微生物代谢途径转化为能量，支持管足类和贝类的生存。此次考察中发现的化能合成生物群落呈现明显的空间聚集和多样性，主要以siboglinid管足类多毛类占据主导地位，体长可达20至30厘米，其红色含血红蛋白的触手突出海底，表明其高度适应了极强氧运输需求。与这些管足类共存的还有各种自由生活的多毛类、多种类腹足类软体动物及其他异养底栖生物，如海百合、海参和一些甲壳类。阿留申海沟和库页-堪察加海沟连接区的生态环境稍有不同，以大量化能共生贝类为主，诸如vesicomyid双壳贝类聚集，体长可达20厘米以上，它们通过内部共生细菌进行化学合成代谢，形成密集的聚居群落。
此外，研究团队利用稳定同位素技术和地球化学分析揭示了这些化学物质的起源和迁移机制。甲烷的δ13C和δD同位素表明其来源于生物性二氧化碳还原过程，沉积物孔隙水中硫酸盐、硫化氢、溶解有机碳和无机碳的垂直分布模式符合典型的冷泉生态系统特征。模型预测海沟底部的甲烷以溶解态和甲烷水合物存在，且未观测到气泡排放，显示这些气体以稳定的水合物形式储存于沉积层，形成巨大潜在的天然气水合物库，这不仅有助于固碳，也对全球甲烷资源勘探具有重要意义。哈达尔冷泉形成机制与浅海区域有所不同，浅层冷泉多由俯冲板块沉积物流体穿越推覆断层形成，而哈达尔底部的冷泉则源自深层未俯冲的沟内沉积物中经微生物代谢产出的甲烷和硫化氢，通过板块弯曲形成的正断层上升逸出。海沟独特的V形地形和高生产力环境促成大量有机质汇聚，既有表层浮游植物残骸沉降，也有因地震引发的斜坡泥流带来物质，为微生物高活性代谢创造条件。板块挤压力促使甲烷流体沿断层迁移，最终形成海底冷泉系统，支撑丰富的化能合成生物群落。
深海化能合成生命的繁荣不仅丰富了深海生命学说，也揭示了极限环境下生物的适应策略。高密度的管足类、多毛类和贝类群落展示了海洋生态系统极端压力、低温和光照缺乏条件下的生态连锁反应。这种生物与微生物间的互利共生关系，有效实现了能量与物质的循环。同时，化能合成生态系统成为周边异养生物的丰厚食物源，形成复杂的食物网结构，其生态服务功能远超此前预估。此次研究重新定义了哈达尔生态系统的能量拓扑，提示化学能在深海碳循环中的贡献受到严重低估，须纳入全球生态气候模型。在全球气候变化的大背景下，对深海碳库特别是巨大且活跃的甲烷水合物资源的认识与监测，关乎碳排放与气候反馈的准确预测。
此外，该发现具有广泛的生物地理学意义。北太平洋海沟之间的相似物种分布暗示这些深海极端生态系统并非孤立，而是相互连接，形成跨纬度的生命带。这便于研究生物迁徙和适应进化，为深海生物多样性保护与资源管理提供科学支撑。展望未来，深入钻探和采样，结合先进的分子生态学技术和海洋地球化学模型，将有助于进一步揭示这些极端生态系统的功能特性及其对全球生态系统的调节作用。深海潜水器“奋斗者”号的成功应用为此类研究开辟了新途径，也彰显了中国在深海科学领域的国际领导力。总之，库页-堪察加与阿留申海沟最新发现的广泛化能合成生命群落，不仅是地球上最极端环境中生命的奇迹展现，也是深海碳循环和生态系统研究的重要里程碑。
它们揭示了生命适应极限的多样性和复杂性，强化了深海生态系统多元能量基础的科学认知，并为全球环境变化背景下的生态保护与资源利用提供了宝贵的科学依据。人类对这片神秘的深海领域的探索，必将持续拓宽自然科学的边界，激发人类对生命起源与演化的深入思考。
