[第3集] 深海中的生命－大卫.盖罗

现在你可以看到这样一个令人难以置信、景色独特的峡谷，到处是支柱、热泉、喷发的火山和地震。这些奇异的的动物就生活在这里靠地里冒出来的化学能量为生，他们毫不需要阳光。所有这些都发生在40,000英尺长的山脊周围，我们称之为生命带。即使是今天，此时此刻，生命正诞生与火山活动中。

 ——David Gallo

 源自TED：

观看1998年一场经典的TED演讲“David Gallo ：深海中的生命”。伍兹霍尔海洋研究所的David Gallo打开一扇舷窗，让我们看到了地球上最奇特的生态系统：深海热液喷口生物群落。从单细胞细菌到两米长的管状蠕虫，Gallo让我看到了这些惊人生物在温度极高、布满硫化物、压力为4,000 psi且漆黑一片的环境下是如何茁壮成长的。

主要讨论：

我们一直在探索着太阳系其他地方有生命存在的可能性，当我们看到各种大量的生物体生活在深海热液喷口群落，科学家们开始重新思考什么样的环境是生命存活的极限。此外，深海热液喷口生态系统中化学环境的丰富性使得一些科学家认为这种生态系统也许就是地球生命的起源。

关键术语:
 
大洋中脊
 大洋中脊是在全球海底形成的线状、高峻、具有海洋规模的山脉。大洋中脊围绕地球，总长64,370公里，就像棒球的接缝。中大西洋海脊长16,000公里，是最长的海底山脉。洋中脊位于构造板块之间的分界线上。当岩浆沿着海洋地壳的线状薄弱处上升，而后熔岩涌出，就形成了洋中脊。在这个过程中形成了新的大洋板块构成，当深一层的熔岩喷发冷却，这些构成就会被推离洋中脊轴。整个过程被称为海地扩张，洋中脊也被认为是扩张中心。各处洋中脊以每年不到20mm到多于100mm的速度形成新板块（离散） 。
 
海底山
 一种海底地形上升，高度在100米以上（网上查到的是1000米）， 峰顶有限范围内有所延伸。海底山具有重大的生物学意义，因为他们是海洋中生物活动的热点地区。沿着洋中脊可发现海底山，一般位于板内热点（如夏威夷 - 天皇海山链），或者是沿着俯冲带的岛弧（例如马里亚纳群岛海山）。
 
热液喷口
 这是一种深海地貌，海水穿透海底并向下流动，接触到逐渐变热的岩石。海水和滚烫的岩石之间发生复杂的化学置换，前者变得富含硫化氢（H 2 S）、甲烷（CH4）、以及各种其他化合物和重金属。这使得海水的温度升高、浮力上涨、氧气脱离。由于浮力上涨，这些液体冲出海底，或成为高温的黑烟柱（300℃以上）和白烟柱(100到300℃之间)，或成为低温扩散流。当富含金属（如铁，铜，锌等）和硫化物的高温酸性液体与周围的海水混合时，金属硫化物便会沉淀，形成了喷口区特有的烟柱。白烟柱则由二氧化硅沉淀、硬石膏和重晶石形成。
 
化学合成
 化学合成是一些生物体制造能量的过程，可以说是植物光合作用的必然结果。化学合成过程中，无机化学材料或甲烷氧化反应的化学能量常用来推动固态作用。这种形式的初级生产不同于光合作用，它并不通过太阳光来制造固态作用所需的能量。深海热液喷口最常见的化学合成形式是使用硫化氢作为能量源和电子给体，氧作为电子受体，二氧化碳(CO2)作为碳源，过程：CO2+ H2S + O2+ H2O → [CH2O] + HSO4- + H+ 在喷口环境中，甲烷（CH4）通常是碳源和电子给体。这种环境下也发生其他形式的化学合成，使用各种各样的化学物质作为电子给体和电子受体。化学合成可能是有氧的（需要氧气），也可能是厌氧的（没有氧气）。像细菌和古生菌这些微生物都是通过化学合成来制造能量。
 
极端微生物
 极端微生物是最适合生活在极端环境中的微生物的总称，这种环境接近微生物存活的极限。这些极端条件可以是物理方面的（辐射、温度、压力等）或地球化学方面的（干燥度、盐度、pH值、氧、金属或其他化学品）。大部分极端环境在的参数条件都非常恶劣。极端嗜热微生物生存在高温环境中，并被归类为最适宜生活在80℃以上（最多至122℃）的生物体。喷口微生物也具有嗜压性，他们最适宜生活在高压环境下。
 
共生关系
 两个或两个以上物种之间长期的交互关系，这种关系可以是互利共生、偏利共生或者偏害共生。热液喷口一些重要的生物会与一个或者多个共生化合细菌互相依存。
 
同源群落
 在其他以化学合成为初级产物为主要来源的环境中栖息的生物群落，并与生活在热液喷口的物种有着一定关联。同源群落的栖息地点通常位于碳氢化合物渗出之处（靠近大路边缘，海底会渗出甲烷和其他碳氢化合物），鲸鱼尸体，甚至沉降的木材。在热液喷口群落的进化过程中，同源群落或起到了“垫脚石”的重要作用，使得化合共生物种能在喷口以外的地方存活，有助于生物扩散至更广阔的地区。 
 
作业：

1) Gallo讲话过程中，最不可思议的统计数据、微生物或者地理特征是什么？

2) 热液喷口经常被认为是极端环境。与喷口有关的极端物理条件是什么？找出在喷口生存的三种主要物种是如何适应这种环境的，并用信息图表举例说明适应过程。比较这三种物种的适应能力：他们有哪些方面相似或相异？参考以下资源：

• BBC Nature: Hydrothermal Vents

http://www.bbc.co.uk/nature/habitats/Hydrothermal_vent  
• Smithsonian: Hydrothermal Vent Species [Excerpt from IMAX film “Volcanoes of the Deep”]

http://ocean.si.edu/ocean-videos/hydrothermal-vent-creatures  
• National Geographic (2012). Ghostly Yeti Crab Swarms Discovered Near Antarctica [Video].

• NOAA (2011). NOAA Ship Okeanos Explorer: Mid-Cayman Rise [Video].

• Van Dover (2000) Van Dover, C. (2000) The Ecology of Deep-Sea Hydrothermal Vents. New Jersey: Princeton University Press.

3) 为一次有关探索地球生命起源的博物馆展览或其他公共信息展示想一些主意，以生命起源于深海热液喷口为重点。注意考虑到这一理论是如何与其他有关地球生命起源的理论竞争的。参考以下资源：

• Martin, W., Baross, J., Kelley, D., Russell, M.J. (2008) Hydrothermal vents and the origin of life. Nature Reviews Microbiology 6: 805-814.

• Lane, N., and Martin, W.F. (2012.) The origin of membrane bioenergetics. Cell 151: 1407-1416.

• Ghose, T. (2013, January 10). Origin of life: Did a simple pump drive the process? [Blog post] LiveScience. (Discussion of Lane & Martin, 2012).

• Fields, H. (2010). The origins of life. Smithsonian.

• Choi, C. (2011, March 22). 7 theories on the origin of life[Blog post]. LiveScience.

4) 建立两个不同生物地理区域的热液喷口食物链（例如，东太平洋脊与大西洋中脊）。两条食物链的相似点和差异点是什么？参考以下资源：

 NOAA Ocean Explorer: Chemosynthetic Food Web http://oceanexplorer.noaa.gov/edu/learning/5_chemosynthesis/activities/hydrothermal.html

• Bamfield Marine Sciences Centre: Endeavor Ridge Food Web

http://oceanlink.island.net/SOLE/vents/End_foodweb.html  
• Marsh. L. et al. (2012). Microdistribution of faunal assemblages at deep-sea hydrothermal vents in the Southern Ocean. PLoS ONE 7: e48348.

• Govenar, B. 2012. Energy transfer through food webs at hydrothermal vents: Linking the lithosphere to the biosphere. Oceanography 25(1):246–255.

• Van Dover (2000) Van Dover, C. (2000) The Ecology of Deep-Sea Hydrothermal Vents. New Jersey: Princeton University Press.

深入阅读与相关资源:

• Gallo, D. (Presenter) and TED (Producer). (2008). Underwater astonishments[Video].

• Gallo, D. (Presenter) and TED-Ed (Producer). (2012). Deep ocean mysteries and wonders[Video].

• Kaiser, E. (Producer) and Gallo, D. (Interviewee). (2012, October 1). David Gallo on the mysteries of the ocean floor. [Radio program segment]. The Daily Circuit, Minnesota Public Radio.

• Gallo, D. (Presenter) and American Association for the Advancement of Science (Producer). (2012). Cutting Edge: Exploring the deep with WHOI’s David Gallo[Video].

• Woods Hole Oceanographic Institution National Deep Submergence Facility

http://www.whoi.edu/main/ndsf  
• Cameron, J. (Director) (2005). Aliens of the Deep[Motion picture]. Walt Disney Pictures and Walden Media.

• Monterey Bay Aquarium Research Institute: Mission to the Deep

http://www.montereybayaquarium.org/efc/efc_mbari/mbari_home.aspx  
• NOAA: Underwater Vents and Volcanoes

http://oceantoday.noaa.gov/underwatervolcanoes/welcome.html  
• Rogers, A.D. et al. (2012). The discovery of new deep-sea hydrothermal vent communities in the Southern Ocean and implications for biogeography. PLoS Biology. PLoS Biol 10(1): e1001234.

• Connelly, D.P. et al. (2011). Hydrothermal vent fields and chemosynthetic biota on the world’s deepest seafloor spreading centre. Nature Communications 3: 620.

• Dubilier, N., Bergin, C., and Lott, C. (2008). Symbiotic diversity in marine animals: the art of harnessing chemosynthesis. Nature Reviews Microbiology 6: 725-740

• Vrijenhoek, R.C. (2010) Genetic diversity and connectivity of deep-sea hydrothermal vent metapopulations. Molecular Ecology 19: 4391-4411.

经典实验、研究与文章

Corliss, J., Dymond, J., Gordon, L., Edmond, J., von Herzen, R., Ballard, R., et. al. (1979). Submarine thermal springs on the Galápagos rift. Science (203)4385, pp. 1073-1083. 这篇具有里程碑意义的文章描述的是在加拉帕戈斯裂谷热液喷口区的考察。考察期间，科学家首次观察到海洋最深处的生物体。作者们称，在热液喷口群落的发现解释了洋中脊的“失踪热量”，他们同时推测，化合作用是喷口区初级产物的基础。

接下来：

Edith Widder在其TED演讲“奇妙的生物发光世界”讲述了她如何因潜水器的局限性（Gallo、 deGruy、 Earle等其他人使用的潜水器）而开发出新的途径，去近距离接触那些在海洋最黑暗的地方自己制造光源的生物。

关于作者：Alex Rogers是一名海洋生物学家，主要研究深海生态系统，包括热液喷口，冷水珊瑚的栖息地和海丘。Rogers也是牛津大学保护生物学的教授。

引导性文章由：深海科学的出现、深海多样性——是过高估计还是超乎想象、深海环境的形成：“漂移说”与“固定论”、没有太阳也能存活的生命、海洋自然资产消耗殆尽和海洋的未来，这6部分展开，详尽的展示和海洋相关的专业权威的生物学知识。

水中探险家们在TED的舞台上分享他们所见所闻，描述地球最边缘处的鸿沟——深海。那里有着庞大的海底山脉和峡谷，巨大的烟囱，众多令人称奇的动物。本系列演讲展示有关地球生命起源的线索。概况环节将向你展示本系列演讲的主要演讲者、涉及的学科内容和整个课程的结构组织。