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深海中的黑暗生物群落——热液生物

2020-7-14 7:36:59 来源:中国矿业报 作者:李筱

热液生物是指生活于海底热液口,与化能自养细菌共生,利用硫化物和其他还原物通过化学合成作用进行初级生产,制造有机物的海洋生物群落。研究发现,在海底深处,黑暗的海山顶部存在着深入海底的裂隙,冒着滚滚黑烟,带来了地球内部的化学物质,其中富含硫或氮等元素,微生物通过将硫化氢等还原性物质氧化而产生能量,将二氧化碳转化为有机碳,形成有机物,为热液群落中的其他动物提供食物来源。热液生物群落中遍布着数十种红白色六英尺高的管状蠕虫,处于食物链顶端常以甲壳类动物为食的鱼类,依靠共生细菌获取营养的软体动物,以及一些虾、龙虾和螃蟹等,具有很高的生物多样性。

热液生态系统为生命能量的来源提供了一种新的方式,与光合作用不同,但又不是完全脱离光合作用。两种方式都将二氧化碳和水转化为糖,产生能量。热液生物不依赖来自太阳的光能,但却需要海水中的氧气参与,这些氧气最初也是由光合作用形成,所以某种程度上说热液生态系统不能完全脱离光合作用。

热液生物

热液生物

除了无尽的黑暗,这些热液生物还经受着其他的恶劣生存环境:

•致命性气体。热液喷口充满着致命的毒药,主要是来自深部的硫化氢,对于大多数生物而言,这种气体极具致命性,但微生物充分利用了这部分能量,使得它没有被浪费掉,并且为其他生物提供所需的有机物。

•重金属颗粒。热液喷口会喷出大量颗粒,不仅含有剧毒,更会堵塞热液生物器官,为了适应这种环境,一些动物进化出了具有结合金属功能的蛋白,还有一些动物将重金属以粘液的形式排出体外。

•极酸性环境。热液喷口处的pH值可低至2.8,因为酸性太高,喷口处的蜗牛的钙质壳都被溶解掉了。

•令人窒息的压力。热液喷口处在平均近2100米水深下,最深见于3800米下的海底,这里的生物承受着21个左右大气压甚至更多,纵然喷口处热液的温度可达400℃,这极限的压力也使得这些流体不会沸腾。为了适应压力,这些生物体内已经进化成体内器官不带任何气体,比如鱼鳔。(海水中,平均每下降10米,压力约增加1个大气压)

•极致的冷与热。喷口处的热液可达400℃,附近的微生物自身温度也可达到110℃,一些多头蠕虫尾部温度可达80℃,头部却保持在20℃左右,具有很高的低温梯度。海底洋流水温约为1.7℃,每当洋流掠过热液喷口,冷与寒的交替就不断发生,这些生物要经受双重的考验。

研究表明,热液喷口的生物已经生存了数百万年的时间,即使在地球大规模的物种灭绝期间,这些生物依然平静地生活着,几乎没受到任何影响。但这些生物依赖着热液喷口,一旦热液喷口关闭,因能量来源的终止,其附近的生物群落也就不复存在了。

热液形成示意图

这些热液喷口是如何产生的呢?

与陆地上的温泉和间歇泉类似,热液喷口通常形成于海底火山活动区。比如大洋中脊处,板块张裂开来,岩浆沿断裂带涌到地表或靠近海底,海水通过裂缝和多孔岩石渗入洋壳内部,并被深部上涌的岩浆加热。在高温条件下,海水中的氧气、镁元素、硫酸盐和其他化学物质通过化学反应被从海水中去除。与此同时,下渗的海水温度变得更高和酸性更强,从周围的岩石中淋虑出金属元素,例如铁、锌、铜、铅和钴等,就成为了我们所说的热液。随后,这些热液再带着这些元素沿着裂隙上浮回到海底,从热液喷口喷出。

喷出后的热液遇到冰冷的富含氧气的海水,迅速发生化学反应,其中溶解的硫元素和其他物质迅速析出,在喷口周边凝结聚集,就形成了富含各类金属元素的塔状沉积块体,也就是常说的海底“黑烟囱”,海底重要的矿产资源之一。

热液生态系统研究重新定义了我们对于生命的理解。在如此极端恶劣环境下,这些黑暗生物强大的生存繁衍能力让人惊叹,更让我们看到了地球的神秘莫测。在今天,热液生物是如何迁移的,新的喷口如何吸引来“新居民”的,这些问题仍有待研究解决。谈起海洋,我们滔滔不绝的往往是浅海,而对于深海我们却知之甚少,随着科学技术发展,穿过水层,走进深海,我们将一点点拨开地球的神秘面纱。□

(作者单位:中国自然资源航空物探遥感中心海洋航空物探室)

网站编辑:宫莉

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