1977年，美国伍兹霍尔海洋研究所组建了一个顶尖的科研团队，乘坐载人深潜器“阿尔文”号去探索加拉帕格斯裂谷的热液口区。这个团队里有地质学家、地球化学家，还有地球物理学家，却没有人考虑过，这次任务是否需要用上生物学家。


深潜器阿尔文号的早期版本 | Wikimedia Commons

水下一英里深的发现

的确，在那时有谁会想到黑暗、高压、寒冷而贫瘠的深海，会存在丰富的生物群落呢。因此，当研究人员乘坐“阿尔文”号抵达热液口时，都被眼前的场景给惊呆了。热液口貌如烟囱，正源源不断地喷出黑色的物质。围绕着“烟囱”方圆约50米的区域内，布满了白色的蛤蜊、褐色的贻贝以及紫色的章鱼等等，其中不少个体的体型已超出常规尺寸。这里就像是一座海底城市，生机勃勃，与百米开外寒冷而贫瘠的深海常规场景形成了鲜明对比。


热液口处竟有生机勃勃的生命世界 | MARUM  / Wikimedia Commons

在没有阳光的地方，如此多的生命显然无法只靠水体上层偶尔掉下来的“馅饼”维系。那么，它们依靠什么存活呢？当“阿尔文”号采回来的水样被打开时，研究人员闻到了一股臭鸡蛋的气味——那是硫化氢的气味。
热液口主要分布在地壳运动活跃的洋中脊。在那里，当海水渗入地壳裂缝，被灼热的岩浆加热之后，会经由热液口向上喷射，再次回到海里被冷却。当海水在地壳内被加热时，海水中的硫酸盐被还原成硫化氢，这就是热液口水样中富含硫化氢的原因。


热液口喷出由硫、铁的氧化物和硫氧化细菌构成的白色碎屑，因此俗称“吹雪”（snowblower）| Oregon State University / Flickr

热液口生态系统简直就是科学界的新大陆。在那之前，人们都以为在没有阳光的深海，不会有通过光合作用来固定能量、合成有机质的生产者，生物自然也就不可能大量聚集。热液口生态系统以自身的存在驳斥了人们的这种观点。热液口生态系统的主要生产者——硫氧化细菌，通过硫化物的氧化，来固定能量、合成有机质。离开太阳，在深海，生命也能旺盛生长。


热液口附近的表面被蟹类和其他生物覆盖 | A. D. Rogers / Wikimedia Commons

相比于一开始就要探索的热液口，生物群落的发现令研究人员感到更加惊奇。在一处新的热液口，他们见到了一种从未见过的生物。这些生物约有40~50厘米长，上端呈现鲜艳的红色，而下端是白色。它们密密麻麻地排列在热液口“烟囱”的周围，随着海浪轻盈摆动，就像花朵一般。研究人员因此把这处热液口称为“伊甸园”。这些奇妙的生物，其实是一种巨型管虫（Riftia pachyptila），和我们熟悉的蚯蚓同属于环节动物。


红白两色的巨型管虫 | NOAA / Wikimedia Commons

伊甸园里的花朵

在热液口，硫氧化细菌作为主要的生产者，有一部分会直接被消费者吃掉，另一部分则以共生的形式为消费者供给营养。那些随着海浪摇摆的巨型管虫，就是这样获益的。


巨型管虫如同海底的花朵 | NOAA / Wikimedia Commons

巨型管虫的身体构造十分简单，它们没有口腔，没有胃，没有肠道，没有任何消化器官，因为它们不需要。这与它们的共生行为有极大的关系。在虫体内有一处被称为“营养体”的结构，与它们共生的硫氧化细菌就居住在此。这些细菌进行化能合成所产生的有机物，有一部分就被巨型管虫直接吸收了。硫氧化细菌和巨型管虫之间大体上是平等互惠的关系，细菌供给巨型管虫营养，自己也有了相对安稳的住所。


巨型管虫的内部结构和获取营养的方式 | Alf Håkon Hoel / Wikimedia Commons

硫氧化细菌进行化能合成，需要有氧气、二氧化碳和硫化氢作为原材料，可是它们居住在巨型管虫体内，无法“外出采购”。因此，巨型管虫需要一个结构来为细菌捕获“居家做饭的”原材料，那就是它那红彤彤的羽状鳃冠。


巨型管虫的羽状鳃冠 | Oregon State University / Wikimedia Commons

羽状鳃冠的鲜红色来源于巨型管虫血液中的血红蛋白，它就跟我们人类的血红蛋白一样，能够运输氧气。巨型管虫的血液在鳃冠内流动，从海水中吸收氧气、二氧化碳和硫化氢，运送到营养体，交给硫氧化细菌。
除了虫体本身，白色的虫管也是巨型管虫非常重要的一部分。巨型管虫的虫管是由甲壳素（几丁质）构成的，就和螃蟹壳、虾壳一样，它为虫体提供了非常重要的保护。除了负责吸收原材料的羽状鳃冠，虫体的其他结构都蜷缩在虫管里。每当巨型管虫感到有危险靠近时，鳃冠也会快速缩回虫管里，只剩下一根光秃秃的白色管子。


鳃冠快速缩回虫管 | Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI)/ Youtube

记得多带点甲醛溶液和酒精

1977年的考察发现，着实让“阿尔文”号和母船上的地质科学家们震惊不已。大家既兴奋又发愁：他们没有携带任何用于保存生物样品的化学试剂，除了一位学生携带的少量甲醛溶液，还有他们顺道从巴拿马买来的伏特加酒。不仅如此，若是保存常规的海洋无脊椎动物样品，少量试剂也就够了。偏偏大部分热液口生物的个体极大，一个贻贝能有20~30厘米长，需要消耗不少试剂。真是令人哭笑不得。最后，依靠这些甲醛溶液和伏特加酒，研究人员仅带回了少量的生物样品。


胡安德富卡洋中脊（Juan de Fuca Ridge）的海底热液口，周围聚集着另一种巨型管虫Ridgeia piscesae | Ocean Networks Canada / Flickr

受经费制约等多方面因素的影响，直到1979年，“阿尔文”号才满载生物学家，重回加拉帕格斯裂谷的热液口区。在这里，生物学家们采集到了更多的热液口生物样品，他们甚至还见到了高达2米的巨型管虫！也正是由于这些生物学家的积极参与，人类对热液口生物的营养特征有了更充分的了解。


“毕比的热液口”（Beebe Hydrothermal Vent Field），位于大开曼岛（Grand Cayman）南部 | Wünderbrot / Wikimedia Commons

在热液口生态系统被发现以后，潜入深海的研究人员依然孜孜不倦地探索着水下的未知世界。迄今为止，研究人员已经在深海发现了700多个热液口区，采集了超过590个新物种。而远在陆地的研究人员，也正在为分析深潜器采集而来的生物样品努力钻研。那些生活在高温、高压，乃至剧毒（富含硫化物）环境的生物是否能为揭示生命的起源提供参考，让我们拭目以待。


全球海底热液口的分布 | vents-data.interridge.org