中国科学家在万米海底看到了什么？《细胞》重磅4连发

2025-03-18 09:15:03 来源：京报网

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这里是凡尔纳笔下“鹦鹉螺号”未曾抵达的终极深渊——曾被视为“生命禁区”的马里亚纳海沟，高达1100个大气压的压强可将玻璃碾成齑粉，永恒的黑暗足以吞噬整座珠穆朗玛峰。

近日，《细胞》以封面专辑形式发表中国科学家团队4篇重磅论文——1篇旗舰文章勾勒项目全貌，3篇研究论文分别聚焦深渊中的原核微生物、无脊椎动物（钩虾）和脊椎动物（鱼类）。他们依托国产万米载人潜水器“奋斗者”号，首次向世界呈现海底万米深渊的系统生态图景：7564个物种水平的代表性基因组构建起“黑暗绿洲”；基因组大小达人类4倍的深渊钩虾编织起能量枢纽；深海鱼类用可追溯至白垩纪的演化智慧突破生存禁区……

这是人类首次系统性研究深渊生命。这项由上海交通大学、中国科学院深海科学与工程研究所、华大集团联合完成的“溟渊计划”（MEER）第一期成果，揭示了深渊生态系统的生命适应策略与资源潜能，拓展了人类对极端环境下生命过程的认知，推动科学研究不断突破人类认知边界。

深海科研：20年无突破性进展

“下潜万米深渊，就像倒着爬一次比珠峰还要高的山！”2021年10月至12月，中国科学家团队搭乘中国第一艘万米级载人潜水器“奋斗者”号，在马里亚纳、雅浦海沟等6000~11000米海底深渊区域完成33次下潜，取得人类首次到达雅浦海沟最深点、首次系统研究深渊生态等多项全球突破。

万米深渊压强高达1100个大气压，相当于“20头大象站在手掌心”。在水深超过6000米的深海里，生存面临的最大难题就是承受这超强的压力。

“我们前期做深海微生物研究时，主流方法是从海里捞样品回实验室培养。肖湘老师创新性地设计了一套模拟深海高压环境的设备，这种思路从上世纪90年代延续至今。”论文共同通讯作者、上海交通大学副研究员赵维殳回忆道，“但遇到一个根本性难题——找不到明确的嗜压基因。”

论文第一作者和通讯作者、上海交通大学教授肖湘团队发现，深海微生物高压适应与其他环境中的生物适应存在本质差异——通常生物可能通过关键基因突变就能适应一个环境条件，但微生物的适应找不到专性的嗜压基因，涉及成百上千个基因。

日本同行做过一个实验，把高压微生物的所有基因敲除一遍，结果发现几百个基因都与高压适应相关。这完全颠覆了传统生物学“一个基因对应一个功能”的认知。

自2004年《科学》发表首个深海细菌基因组研究后，该领域近20年未有突破性进展。国际学界甚至出现“深海不重要论”，认为浅海数据足以代表深海特征。

“当时我们陷入双重困境：实验技术无法突破，学界价值认同动摇。这促使肖湘老师产生了‘必须亲眼看看海底’的执念。”赵维殳说。

在2020年之前，只有9人曾到达过海洋最深点马里亚纳海沟底部，能成功下潜万米以上深度且重复使用的潜水器，全球寥寥无几。

为了打造中国全海深载人深潜“国之重器”，“十三五”期间，中国科学院作为业主单位、研制任务核心单位，组织10余家院属单位全面参与“奋斗者”号的研制，通过跨系统、跨单位、跨部门的大团队合作，艰苦攻关，突破了一系列关键核心技术。

2020年底，成功完成工程海试的“奋斗者”号，凭借其独特的采样能力和超长海底作业时间，成为全球唯一具备深渊系统调查采样能力的载人潜水器。

这一消息令肖湘感到振奋。他预感多年求索的深海微生物高压适应的答案，就藏在海洋最深处的万米深蓝之下。

就这样，他带领全球深海高压微生物领域极少数至今在研的科学团队，登上了搭载“奋斗者”号前往马里亚纳海沟的“探索一号”科考船。

颠覆认知的“黑暗绿洲”

每一次下潜，科学家都要在直径不到2米的钛合金载人舱内，经历12小时密闭作业。

“很难想象，在1100个大气压、完全无光和接近零度的环境中，竟然有这么欣欣向荣的生态系统。”论文共同通讯作者、华大生命科学研究院院长徐讯激动地说。2021年，他与肖湘团队一同前往马里亚纳海沟深潜。

利用先进的“奋斗者”号，他们能在深渊现场选择特征区域采样，比如，根据沉积物颜色判断氧化程度、通过岩石质地推测地质活动强度。这种“眼见为实”的采样方式，使样品数量和质量实现了质的飞跃。

样本采集回来后，科学家开始分头处理生物样本。“为了保证样本质量，我们下潜回来后第一时间就要对深海样本进行处理，每次处理样本至少需要连续工作三四个小时。”论文共同通讯作者、华大集团海洋领域科学家刘姗姗说。这要求研究人员能够长时间精细操作，还要有一定的生物组织识别能力，既考验技术，也考验毅力。

“当样本从深海转移至海面常压环境时，DNA会因环境剧变迅速降解。”青岛华大基因研究院副研究员、论文共同第一作者宋跃坦言，“我们面临的不仅是技术难题，也是一场与时间的赛跑——如何在样本损毁前‘抢救’出完整的遗传信息。”

为此，实验团队针对深海DNA特性反复优化提取方案，经过数十次尝试，最终摸索出在常规实验室环境下成功提取满足测序要求的DNA的实验条件，为后续高质量基因组解析奠定了基石。

通过对1648份沉积物、622个钩虾样本及11种深海鱼类的分析，科学家团队获取了7564个物种水平的代表性基因组数据，其中89.4%为未报道新发现物种。这些新物种的多样性规模与全球已知海洋微生物总多样性体量相当。

“原以为能有20%~30%的新物种就了不得了，结果发现将近90%都是未知物种！”赵维殳说，深渊微生物通过两种适应策略，支撑起深渊生态系统的繁荣。一种是“断舍离”——缩小基因组专注核心功能；另一种是“海纳百川”——吸纳外源基因增强环境适应力。

中国科学院深海科学与工程研究所科学家主要负责深渊钩虾和深渊狮子鱼的研究。作为深渊生态系统的关键物种，深渊钩虾有着双重角色：既是分解者——以海洋动物尸体等腐殖质为主要食物来源，又是能量传递者——是深渊狮子鱼等顶级掠食者的主要猎物。

研究发现，在马里亚纳海沟等区域，钩虾呈现显著的优势种群特征，生物量居生态系统主导地位。研究还揭示了钩虾适应极端环境的策略——13.1GB超大基因组包含大量重复序列，特异性基因能调控网络应对高压、低温、黑暗及食物匮乏环境，而代谢通路的优化则实现了能量的高效利用。

作为深渊鱼类代表，狮子鱼备受瞩目。传统理论认为，深海鱼依赖氧化三甲胺抗压，其机制类似腌菜防腐。但科学家研究发现，11种深渊鱼类通过多不饱和脂肪酸积累，实现了细胞膜重塑，其演化轨迹可追溯至白垩纪。

中国方案：向全球开放共享

MEER不仅实现了技术突破，也实现了协作模式的创新。上海交通大学、中国科学院深海科学与工程研究所、华大集团三方协同实现了载人深潜取样装置、低成本高通量基因测序平台、全海深环境模拟培养体系的全国产化，为深渊科学研究提供了自主可控的技术支撑。

这个平均年龄不足40岁的团队践行“只有岗位、没有单位”的理念，打破了传统科研边界。正如肖湘所言，“深海研究需要全球科学家共同解答生命起源、环境适应等终极命题”。

当“奋斗者”号触底，肖湘作为MEER的召集科学家，通过水声通信系统向海面科考船传输了一段音频。这段被永久存档的宣言，标志着《马里亚纳共识》的诞生——“向全球开放共享深渊生命数据，协力攻坚深渊环境与生命的重大科学问题”。

“我们建立了全球最大的深渊生物大数据库，包含微生物基因组、钩虾及鱼类基因组数据集。深渊微生物的超高新颖性和多样性，展示了深渊在新基因、新结构和新功能方面的巨大资源潜能。这些资源为打破全球生物资源枯竭困境提供了新选择，也为生物技术、医药、能源等领域的创新应用开拓了广阔前景。”肖湘说，这些宝贵的数据是人类不可复现的历史记录。他希望能够把这些数据用好，为全球深海科技发展贡献中国智慧。

《马里亚纳共识》为应对生物资源枯竭挑战提供了新思路，推动了全球深海生命研究从竞争走向协作，为全球深海科技发展提供了中国方案。

刘姗姗坦言：“我们计划对这些数据开展深度解析与系统性挖掘，重点围绕生命起源这一基础科学命题展开多维度探索，通过建立基于机器学习的功能预测模型，为后续科研提供更好的工具。未来，这些研究成果和技术突破将为生物经济产业发展提供新的可能性。”

正如肖湘所言，“深渊教会我们，真正的科学突破从不属于某个国家，而是人类共同跨越认知边界的里程碑”。这场始于万米海底的科研革命，正在将中国方案转化为全球探索深海的新范式。