破譯溟淵深處的生命密碼

科研團(tuán)隊透過萬米載人潛水器“奮斗者”號舷窗看到雅浦海溝最深區(qū)域的奇特水母。

工作中的“奮斗者”號。 本文資料圖片均由上海交通大學(xué)提供

　　中國科學(xué)家在馬里亞納海溝、雅浦海溝6000-11000米水深區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)采集

　　深入分析1648份沉積物 622個鉤蝦樣本 11種深海魚類

　　研究鑒定出7564種深淵原核微生物

　　其中89.4%為未報道的新物種

　　3月7日，由上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所、華大集團(tuán)聯(lián)合發(fā)起并執(zhí)行的“溟淵計劃”（馬里亞納海溝環(huán)境與生態(tài)研究計劃，英文簡稱“MEER計劃”）在海南三亞發(fā)布第一階段成果。

　　研究團(tuán)隊通過系統(tǒng)性科考，首次闡明深淵生態(tài)系統(tǒng)的生命適應(yīng)策略和資源潛能，為極端環(huán)境生命及其資源潛能研究建立了關(guān)鍵科學(xué)基準(zhǔn)。

　　2021年，該團(tuán)隊跟隨我國自主研發(fā)的萬米載人潛水器“奮斗者”號，首次深潛馬里亞納海溝進(jìn)行科考。3年多來，團(tuán)隊在溟淵深處破譯生命密碼，一系列成果實現(xiàn)了多項全球突破：人類首次到達(dá)雅浦海溝最深點、首次對深淵生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)研究、首次建立全球深淵生物大數(shù)據(jù)庫并開放共享。這些成果的取得，標(biāo)志著我國深海生命科學(xué)研究已邁入國際前沿。

　　日前，中國教育報記者采訪了該團(tuán)隊師生，與他們共同探尋萬米深淵中蘊(yùn)藏的生命演化和生命健康的奧秘。

　　從未知到繁榮——

　　探尋“人類禁區(qū)”的生命蹤跡

　　10909米！這是中國科學(xué)家測得的馬里亞納海溝最深處，也是地球上最少被探索的極端環(huán)境之一。這里的壓力高達(dá)1100個大氣壓，常年冰冷、黑暗，被視為高等生命的“禁區(qū)”。

　　上世紀(jì)以來，不少科學(xué)家投身于深淵研究，但受限于苛刻條件，人類對深淵生物的了解如同盲人摸象，以實驗室培養(yǎng)為基礎(chǔ)的生命高壓適應(yīng)研究也“已經(jīng)努力到無能為力”。

　　2020年，這一困境迎來了轉(zhuǎn)機(jī)。年底，中國第一艘萬米級載人潛水器“奮斗者”號憑借其獨特的采樣能力和超長的海底作業(yè)時間，成為全球唯一具備深淵系統(tǒng)調(diào)查采樣能力的載人潛水器。

　　這一消息，讓上海交通大學(xué)教授肖湘異常振奮。他帶領(lǐng)的團(tuán)隊，是全球深海高壓微生物領(lǐng)域極少數(shù)堅守至今的科研團(tuán)隊之一。

　　肖湘強(qiáng)烈預(yù)感到，多年求索的深海微生物如何適應(yīng)高壓的未解之謎，就藏在這萬米深藍(lán)之下。

　　2021年10月，他作為召集科學(xué)家，聯(lián)合上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所、華大集團(tuán)等多家科研單位，共同發(fā)起了馬里亞納海溝環(huán)境與生態(tài)研究計劃。

　　“起航前，我們甚至想不到會有這樣一個項目?！毙は婊貞洝５蠹覒汛е粋€信念：一定要揭開深淵生命的神秘面紗。于是，團(tuán)隊在甲板上臨時給項目起名為“MEER計劃”。

　　在深淵的極端環(huán)境里，每下潛一米都是對設(shè)備性能的巨大考驗，每停留一秒都是用生命極限上演生死競速。

　　“誰都不知道潛水器下到萬米深淵時，會遇到什么樣的狀況。我們那個航次幾乎每一次下潛回來，都有部件需要更換?！表椖砍蓡T之一、上海交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、深部生命國際研究中心副研究員趙維殳介紹，當(dāng)潛水器到達(dá)萬米深淵時，能夠清晰看到采樣機(jī)械手上有油滴滲出，說明深淵環(huán)境對采樣裝置的極限挑戰(zhàn)。

　　“我們經(jīng)歷了至少5個臺風(fēng)，是當(dāng)時海區(qū)唯一的作業(yè)船只?！毙は婊貞浀?，大家顧不得風(fēng)險，爭分奪秒地想要多進(jìn)行幾次深潛。

　　50多天的科考中，團(tuán)隊攻克了深淵極端高壓環(huán)境下的采樣與實驗技術(shù)難題，對馬里亞納海溝、雅浦海溝等6000至11000米水深區(qū)域進(jìn)行了系統(tǒng)采集，共獲得水體、沉積物、宏生物等樣本2000余份，并建立了“深海采樣—基因測序—數(shù)據(jù)分析—實驗室驗證”的全鏈條科研模式。

　　不久前，“溟淵計劃”團(tuán)隊公布了全球首張海洋最深生態(tài)系統(tǒng)圖景。通過深入分析1648份沉積物、622個鉤蝦樣本及11種深海魚類，團(tuán)隊研究鑒定出了7564種深淵原核微生物，其中89.4%為未報道的新物種，其多樣性指數(shù)與全球已知海洋微生物總量相當(dāng)。

　　原來，深淵中并非一片寂靜的生命荒漠。

　　從競爭到協(xié)作——

　　開放全球唯一深淵生物大數(shù)據(jù)庫

　　“我們就像闖入了一個陌生的生態(tài)圈?！蓖高^“奮斗者”號觀察窗看到的景象，徹底顛覆了趙維殳的認(rèn)知：許許多多發(fā)著紅色、黃色光芒的浮游生物，如星辰般從舷窗邊掠過。

　　上世紀(jì)70年代，美國科學(xué)家首次成功分離出一株來源于深海的嗜壓微生物。此后大約幾十年間，全球僅分離出300株嗜壓菌，其中來自深淵極端環(huán)境的更是寥寥無幾。直到不久前，“溟淵計劃”建立了全球唯一的深淵生物大數(shù)據(jù)庫，并向全球開放共享，這才揭開了深淵生態(tài)系統(tǒng)的神秘面紗。

　　通過對采集樣本的深入分析，團(tuán)隊不僅研究鑒定出7564種深淵原核微生物，還發(fā)現(xiàn)深淵微生物通過采用“精簡型”和“多能型”兩種適應(yīng)策略，在深淵的高壓、低溫、寡營養(yǎng)環(huán)境中異常繁盛，從而支撐了深淵生態(tài)系統(tǒng)的繁榮。此外，團(tuán)隊還首次系統(tǒng)研究了深淵生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈，從微生物到無脊椎動物（鉤蝦）再到脊椎動物（魚類），闡明了極端環(huán)境下生命協(xié)同演化的科學(xué)規(guī)律。

　　“這些成果將拓展人類對海洋生態(tài)的認(rèn)知。”肖湘自豪地介紹，研究團(tuán)隊建立的全球唯一深淵生物大數(shù)據(jù)庫，包含微生物基因組、鉤蝦及魚類基因組數(shù)據(jù)集。“深淵微生物的宏基因組數(shù)據(jù)規(guī)模與過去全球海洋微生物研究的總量相當(dāng)?！?/p>

　　深淵微生物的極高新穎性和多樣性，展現(xiàn)了深淵在新基因、新結(jié)構(gòu)和新功能方面的巨大資源潛力。這些資源為解決全球生物資源枯竭問題提供了新的選擇，同時也為生物技術(shù)、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用開辟了廣闊前景。

　　肖湘告訴記者：“這些寶貴的數(shù)據(jù)是人類不可復(fù)現(xiàn)的歷史記錄，它們代表著2021年10至12月間地球深淵生命的真實情況，應(yīng)該保留下來并與全人類共享。我們也希望能夠把這些數(shù)據(jù)用好，為全球深?？萍及l(fā)展貢獻(xiàn)中國智慧。”

　　為此，2021年下潛至馬里亞納海溝最深點完成采樣任務(wù)后，肖湘在深淵底部通過水聲通訊對外發(fā)布了《馬里亞納共識》倡議，承諾向全球開放共享深淵生命數(shù)據(jù)，呼吁國際科研力量攜手共同攻克深淵環(huán)境與生命科學(xué)難題。該倡議為應(yīng)對生物資源枯竭的挑戰(zhàn)提供了新思路，促進(jìn)了全球深海生命研究從競爭走向協(xié)作。

　　以顛覆謀超越——

　　構(gòu)建中國原創(chuàng)的理論體系

　　今年春季新學(xué)期伊始，上海交通大學(xué)的“從深淵到太空：探索極端生命”課上，趙維殳被一群學(xué)生圍在中間，熱烈討論著極端環(huán)境下的生命形式。

　　從馬里亞納海溝到珠峰登山大本營，從南海冷泉到青藏高原的熱泉……這是師生們的課程內(nèi)容，也是“溟淵計劃”團(tuán)隊真實的科考見聞。該課程的內(nèi)容均來自團(tuán)隊的一線科研實踐。

　　3年多來，這支平均年齡不到40歲的科研團(tuán)隊不僅探尋極端環(huán)境下的生命奧秘，還把無數(shù)“默默無聞”的科研成果帶進(jìn)課堂，讓研究“后有來者”。

　　“常有人詬病中國科學(xué)家的研究往往缺乏原創(chuàng)的理論體系。我們想打破這一認(rèn)知?！壁w維殳堅定地說。

　　采訪中記者發(fā)現(xiàn)，36歲的年輕科學(xué)家趙維殳身上有一股執(zhí)著勁。也正是這種“死磕”精神，讓團(tuán)隊在“無人區(qū)”越走越遠(yuǎn)。如今，團(tuán)隊的研究已被業(yè)內(nèi)一些專家認(rèn)為是“顛覆了經(jīng)典環(huán)境適應(yīng)的研究方式”。

　　生物如何“扛住”超高水壓等深淵極端環(huán)境，一直是科學(xué)界的難題。對此，團(tuán)隊提出了一種“共適應(yīng)”理論，即不同生命類型在同一種極端環(huán)境下會采取相似的應(yīng)對策略。無論是微生物、無脊椎動物還是脊椎動物，比如鉤蝦和魚，它們適應(yīng)高壓的策略是一致的，抗氧化的策略也是一致的，都擁有相似功能的細(xì)胞保護(hù)劑。

　　肖湘介紹，“共適應(yīng)”理論過去已在實驗室中得到驗證，但此次是在自然界中首次觀察到并證實了這一機(jī)制的普遍存在。目前，相關(guān)合作正在上海交通大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院等醫(yī)療場景中嘗試，將有望更深入地理解人類與微生物的關(guān)系，從而解決一些與人類相關(guān)的難題，最終造福人類。

　?。ㄍㄓ崋T江倩倩、馮碩對本文亦有貢獻(xiàn)）

《中國教育報》2025年03月12日 第06版