Animal life in the shallow subseafloor crust at deep-sea hydrothermal vents

深海熱液噴口淺層海底地殼中的動(dòng)物生命

來(lái)源：Nature Communications

《自然通訊》

摘要內(nèi)容：

該研究首次報(bào)道在深海熱液噴口下方的淺層海底地殼中發(fā)現(xiàn)了成年管蟲（如Oasisia alvinae和Riftia pachyptila）及其他熱液噴口特有動(dòng)物。這些動(dòng)物通過(guò)地殼內(nèi)的流體循環(huán)系統(tǒng)擴(kuò)散，幼蟲可能通過(guò)海水與熱液混合的“補(bǔ)給區(qū)”進(jìn)入地下洞穴并定居。這一發(fā)現(xiàn)表明海底表面與地殼內(nèi)部的動(dòng)物群落是連通的，擴(kuò)展了已知的動(dòng)物棲息范圍，并對(duì)熱液噴口的化學(xué)通量測(cè)量和生態(tài)保護(hù)提出了新見(jiàn)解。

研究目的：

驗(yàn)證管蟲等熱液噴口動(dòng)物的幼蟲是否通過(guò)地殼內(nèi)的流體循環(huán)系統(tǒng)擴(kuò)散，而非傳統(tǒng)認(rèn)為的通過(guò)海水表層擴(kuò)散；探索淺層海底地殼中是否存在支持動(dòng)物生存的生態(tài)系統(tǒng)。

研究思路：

選址與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：在東太平洋海?。‥PR）9°50'N的熱液噴口區(qū)（Fava Flow Suburbs，2515米水深），選擇覆蓋管蟲和貝類群落的熔巖架。

現(xiàn)場(chǎng)操作：使用ROV（遙控水下機(jī)器人）撬開熔巖架，暴露地下洞穴，觀察和采集洞穴內(nèi)的動(dòng)物樣本。

數(shù)據(jù)采集：測(cè)量洞穴內(nèi)的溫度、鹽度、pH、硫化氫（H?S）和氧氣濃度，分析環(huán)境條件與動(dòng)物分布的關(guān)系。

生物學(xué)驗(yàn)證：通過(guò)解剖確認(rèn)成年管蟲的繁殖狀態(tài)（如卵子和精子存在），證明其在地下環(huán)境中可完成生命周期。

測(cè)量數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)圖表：

溫度：洞穴內(nèi)最高溫度24.9°C（表1，圖2c），與地表熱液噴口溫度相似，表明適宜動(dòng)物生存。

鹽度：33.3–34.4（表1），接近海水值，說(shuō)明海水與熱液的混合環(huán)境。

pH：5.5–6.5（表1），酸性環(huán)境符合熱液流體的典型特征。

硫化氫（H?S）：最低14 μmol/L，最高401 μmol/L（表1），為化能合成共生菌提供能量來(lái)源。

氧氣濃度：最高115 μmol/L（表1），顯示氧化環(huán)境，可能支持動(dòng)物呼吸需求。

數(shù)據(jù)的研究意義：

溫度與鹽度（表1）：證明地下洞穴的環(huán)境與地表熱液噴口相似，支持動(dòng)物跨棲息地遷移的假設(shè)。

硫化氫與氧氣（表1）：揭示化學(xué)梯度對(duì)化能合成共生系統(tǒng)的依賴，解釋動(dòng)物（如管蟲）如何通過(guò)共生菌在地下生存。

動(dòng)物分布數(shù)據(jù)（圖2d-h，圖3）：顯示O. alvinae和R. pachyptila在洞穴內(nèi)的密集分布，表明地殼內(nèi)部是幼蟲擴(kuò)散和成體棲息的關(guān)鍵區(qū)域。

結(jié)論：

淺層海底地殼中存在與地表熱液噴口連通的動(dòng)物群落，包括成年管蟲、多毛類、螺類等。

幼蟲可能通過(guò)地殼內(nèi)的流體循環(huán)系統(tǒng)（而非海水表層）擴(kuò)散，解釋了熱液噴口快速殖民化的機(jī)制。

地下動(dòng)物活動(dòng)通過(guò)共生菌的化能合成作用影響局部地球化學(xué)通量，需重新評(píng)估熱液系統(tǒng)的生物地球化學(xué)模型。

熱液噴口的保護(hù)范圍應(yīng)擴(kuò)展至海底地殼，目前其生態(tài)邊界尚未完全明確。

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀：

研究使用Unisense微電極測(cè)量了硫化氫（H?S）和氧氣濃度：

硫化氫濃度（表1）：

洞穴內(nèi)H?S濃度較低（最低14 μmol/L），但足以支持管蟲共生菌（Endoriftia persephone）的化能合成代謝。

濃度波動(dòng)反映流體混合程度，表明幼蟲可能通過(guò)低H?S區(qū)域進(jìn)入地殼，避免高毒性環(huán)境。

氧氣濃度（表1）：

最高115 μmol/L的氧氣水平遠(yuǎn)高于典型熱液噴口的缺氧環(huán)境，可能與海水注入有關(guān)，顯示氧化-還原界面的存在。

氧化環(huán)境支持多毛類（如Paralvinella spp.）等需氧動(dòng)物的生存，表明地下洞穴是化能合成與異養(yǎng)生物共存的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。

研究意義：

這些數(shù)據(jù)首次量化了淺層海底地殼中的化學(xué)梯度，證明其具備支持動(dòng)物群落的條件，挑戰(zhàn)了“僅微生物生存”的傳統(tǒng)認(rèn)知，并為幼蟲擴(kuò)散路徑提供了化學(xué)證據(jù)。