地球深处的海洋之最——哈达尔海沟，是人类科学探索的前沿阵地。在超过五千米深甚至接近一万米的极端压力和低温环境下，生命依然繁盛，并依赖独特的化学能量系统维持生态循环。近年来通过载人深潜器“奋斗者号”在库页-堪察加海沟和阿留申海沟开展的一系列深潜考察，首次全面揭示了世界最深海沟中存在着广泛分布、繁盛且复杂的化学合成生命群落，颠覆了过去对深海极端环境生命稀少的传统认知。这些生物群落以管虫科多毛类和双壳类软体动物为主体，遍布超过两千五百公里的海沟海底，生存水深从五千八百米延伸至九千五百三十三米，成为迄今发现的最深化学合成生态群落。化学合成生态系统依赖的是海底地质活动中释放出的富含氢硫化物和甲烷的流体，这些流体通过海沟底部的断层沿深层沉积物迁移。其中，甲烷主要来源于微生物代谢沉积的有机质，经过化学还原过程释放，并通过断层向上输送至海底形成冷泉现象。
这一复杂的深层气体迁移机制促使海底形成了富含化学能的生境，支持无光环境下的生命维持。该区域地质活跃，由太平洋板块与北美板块的持续俯冲构造形成，造就了独特的海底地形与断层系统。库页-堪察加海沟全长约2100公里，最深点达9578米，曾被认为以异养生物为主，但近期调查发现了大量的化学合成生物群落，如纤维足管虫、蜷虫和拟海螂蛉等，这些物种适应了含甲烷和硫化氢的环境，且密度极高。阿留申海沟则以双壳类软体动物和多毛类管虫的群聚为特色，多个压制带断层为冷泉形成提供了通道。深潜过程中，探测团队拍摄了丰富的高清图像和视频，展示了完整生态链的生物多样性及其生境特征。从分子生物学角度看，这些物种展现出与浅海冷泉生物亲缘关系密切的特征，显示出统一的演化适应性和广泛的地理分布。
化学分析揭示了海沟沉积物中甲烷纯度高达100%，且其碳氢同位素比证实了微生物源性的甲烷生成过程，主要通过二氧化碳还原途径实现，区别于热成因和甲基基团发酵途径。微生物群体不仅合成甲烷，同时进行硫酸盐还原反应与甲烷厌氧氧化，构建了嵌套的生物地球化学循环。沉积物中的碳酸钙六水石（亦称 ikaite）结晶进一步佐证了有机物早期成岩作用与气体释放过程。热力学相图分析表明，海沟环境的高压低温条件有利于甲烷水合物的稳定存在，推测沉积物深层存在大量甲烷水合物库存，有望成为未来全球甲烷资源研究的新聚焦。地质构造模型描绘了板块俯冲引发的沉积物压缩与断层裂隙网络，在海沟V字形地形中促使有机质富集并为微生物甲烷释放提供能源。深层沉积物中甲烷富集通过正断层上升，形成海底冷泉，支撑着特有的化学合成生态系统。
这些生态系统不仅独特且广泛，成为深海生态多样性的重要组成部分。新发现的重要意义，不仅只是首次证实了更深层次、更大范围的化学合成生物群落存在，还改写了传统认知——深渊生命能量来源既非仅仅来自表层沉降的有机质，也包含了化学能驱动的生态系统。此发现揭示了深海生态系统的能量流动更为复杂，微生物驱动的甲烷生成和冷泉提供稳定能量来源，促进了多样性繁荣。化学合成生态系统与大量异养生物共存，暗示化学能量向更高营养级的传递，支持了完全独立且极具活力的生态链结构。深海冷泉还可能直接或间接影响整个海底生态系统的碳循环和能量预算，其地质生物交互过程可能对全球碳通量产生重要影响。特别是深沉积物中微生物碳固定与甲烷储存能力，对控制大气甲烷排放和地质时间尺度的碳循环极为关键。
科学家希望进一步研究这种深海生态系统的适应机制，例如极高压力、低温环境下的生物基因调控、代谢途径和物理结构。遗传分析和分子生态学方法将为揭示深海生命的起源和进化路径提供线索。此外，了解这些生物体如何应对极端环境有助于开发深海生物技术应用，如耐压酶、极端环境微生物代谢产物的利用。未来科学探索还将聚焦于全球其他深海海沟和俯冲带，检测类似的冷泉及化学合成生态系统是否普遍存在，进一步完善海洋生态学及地球系统科学的认识范畴。科技进步使得远程操控机器人及载人深潜器探索深渊成为可能，期待数十年内实现对深渊生物多样性更为细致的解码。综合来看，库页-堪察加海沟和阿留申海沟的化学合成生态系统展现了生物对极端环境的惊人适应力，彰显了深海生物圈作为地球生命重要枢纽的地位。
它们不仅延伸了生物生存的已知边界，也为全球碳循环模型注入了新的变量。深入理解这些生态系统将助推深海探测科技、海洋保护政策及气候变化研究的发展，彰显科学家不断探索地球极端边缘世界的决心与潜力。
