探秘馬里亞納深海生物

2018-06-09 11:08:24丁佑

大自然探索 2018年6期

丁佑

最近，科學(xué)家將一種深海獅子魚(yú)正式定名為Pseudoliparis swirei，并確定這是迄今為止人類(lèi)已知的生活在最深海域的魚(yú)類(lèi)。這種生活在馬里亞納海溝深處的小魚(yú)只有約10厘米長(zhǎng)，小小的身軀卻能承受住相當(dāng)于1600頭大象重量的強(qiáng)大壓力，實(shí)在令人驚嘆。

許多深海生物都擁有某些令人驚訝的“超能力”，才能在嚴(yán)酷的環(huán)境中生存。而人類(lèi)對(duì)這些生物卻知之甚少。由于深海特殊的環(huán)境，探索深海的難度幾乎不亞于探索外星球，地球上最深的海溝——馬里亞納海溝更是最為神秘的海洋生物棲息地。

馬里亞納獅子魚(yú)及其身體結(jié)構(gòu)（CT圖像）。

馬里亞納海溝位于日本以南，菲律賓以東的海域。在那里，太平洋板塊和馬里亞納板塊發(fā)生了碰撞，密度更高的太平洋板塊向地球深處俯沖，消失在地幔中，留下一道深深的溝壑，同時(shí)，一部分地殼被抬高，形成了馬里亞納群島。

馬里亞納海溝的最深處是位于其南端的“挑戰(zhàn)者深淵”，根據(jù)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAh）的探測(cè)結(jié)果，它的深度約為10，994米。海洋第二深的地方也在馬里亞納海溝，位于挑戰(zhàn)者深淵東面約200千米處的“塞麗娜深淵”，深度為10，809米。相比之下，地面上的最高峰珠穆朗瑪峰的海拔高度約為8848米，如果能把它移到馬里亞納海溝中，它將被淹沒(méi)在海洋深處。因此，也有人將馬里亞納海溝稱為“海中珠穆朗瑪”。

在馬里亞納海溝底部，海水冰冷，黑暗無(wú)光，巨大的壓力能把很多動(dòng)物壓成“肉干”。然而在這樣的惡劣環(huán)境下，仍有不少生物頑強(qiáng)地生存著，它們是怎樣存活下來(lái)的呢？

探尋海底樂(lè)園

長(zhǎng)久以來(lái)，人們一直以為海底是一片沒(méi)有生命的泥沼。古希臘哲學(xué)家蘇格拉底曾斷言，海底“只有洞穴和沙子，無(wú)盡的泥土，還有大片的黏液”。直到19世紀(jì)晚期，人們對(duì)深海的了解還很少，當(dāng)時(shí)大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，黑暗和寒冷會(huì)使深海變得不適宜生物生存。1864年，挪威博物學(xué)家薩爾斯在3000米深的水下找到了一些活的海百合。這一發(fā)現(xiàn)震驚了世界，因?yàn)榇饲翱茖W(xué)家們都認(rèn)為這種動(dòng)物在幾百萬(wàn)年前就滅絕了。一些科學(xué)家不禁想到，海洋深處是否存在著更多遠(yuǎn)古的生命形式呢？

薩爾斯的發(fā)現(xiàn)在全世界掀起了一波探索深海的熱潮，而當(dāng)時(shí)走在潮流前端的是英國(guó)科學(xué)家。在1872年到1876年間，為了探索地球上所有海洋和海洋中的生命，英國(guó)科學(xué)家乘坐“挑戰(zhàn)者號(hào)”遠(yuǎn)洋科考船進(jìn)行了一次大規(guī)模海洋科學(xué)考察，這就是科學(xué)史上著名的“挑戰(zhàn)者號(hào)遠(yuǎn)征”。在長(zhǎng)達(dá)1606天的“遠(yuǎn)征”中，“挑戰(zhàn)者號(hào)”航行了超過(guò)1.27萬(wàn)千米，考察隊(duì)總共發(fā)現(xiàn)了4700多種海洋動(dòng)物，并第一次記錄了一批深海生物。探險(xiǎn)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了海洋的最深處：在馬里亞納海溝的南端，海床如斷崖般“消失”，形成一個(gè)“無(wú)底洞”。這個(gè)“無(wú)底洞”就是“挑戰(zhàn)者深淵”，其名字就來(lái)自于“挑戰(zhàn)者號(hào)”。

近一個(gè)世紀(jì)后，人類(lèi)第一次來(lái)到了挑戰(zhàn)者深淵的底部。1960年1月23日，瑞士探險(xiǎn)家雅克·皮卡爾和美國(guó)海軍中尉唐納德·沃爾什駕駛“的里雅斯特號(hào)”潛水器潛入深海，他們?cè)谔魬?zhàn)者深淵的底部停留了20分鐘，測(cè)得其深度為10916米。潛水器的主體部分由調(diào)節(jié)浮力的壓載水艙所占據(jù)，所以，皮卡爾和沃爾什只能擠在一個(gè)直徑2米多的球形艙里，通過(guò)一個(gè)很小的有機(jī)玻璃窗戶觀察外界。當(dāng)他們經(jīng)過(guò)4小時(shí)47分鐘的漫長(zhǎng)下潛終于到達(dá)海底時(shí)，卻因?yàn)榇翱谡成狭擞倌喽鵁o(wú)法拍攝清晰的照片。無(wú)論如何，關(guān)于生命是否存在于底部的爭(zhēng)論已經(jīng)塵埃落定，因?yàn)槠たǖ略谟邢薜囊曇皟?nèi)看到了類(lèi)似比目魚(yú)的生物（但現(xiàn)在科學(xué)家們認(rèn)為那可能是海參）。

活體海百合的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了科學(xué)家對(duì)海洋生物的興趣。圖為一只紅色海百合，它形似植物，但實(shí)際上屬于棘皮動(dòng)物，是海星、海參的近親。

正被吊裝上船的“的里雅斯特號(hào)”，其下方的圓球就是載人艙。

剛?cè)胨摹吧詈Ｌ魬?zhàn)者號(hào)”潛水器，卡梅隆乘坐它潛到了挑戰(zhàn)者深淵底部。

2012年，著名電影制作人、海洋探險(xiǎn)家卡梅隆獨(dú)自駕駛著名為“深海挑戰(zhàn)者號(hào)”的潛水器潛入馬里亞納海溝深處。他用高清3D攝像機(jī)拍攝了水下10898米的景色和各種生物，海底豐富的生物多樣性令人大為驚嘆。

2014年底，美國(guó)科學(xué)家利用遙控深海探索車(chē)對(duì)馬里亞納海溝進(jìn)行了進(jìn)一步的探索，并采集了很多深海生物和巖石的樣本。最近被定名的馬里亞納獅子魚(yú)也是在這次科考中被首次發(fā)現(xiàn)的。

極限生境

盡管科學(xué)家們?cè)缫阎篮系撞坎⒎且黄氖?，但?jīng)過(guò)深入考察之后，海溝中的生命的數(shù)量和多樣性還是讓他們感到十分驚訝。因?yàn)楹仙钐幍纳姝h(huán)境十分特殊，生活在這里的生物無(wú)時(shí)無(wú)刻不在挑戰(zhàn)著極限。

深海生物遇到的第一個(gè)挑戰(zhàn)就是黑暗。陽(yáng)光能穿透的海水大約只有200米深，馬里亞納海溝底部幾乎是漆黑一片。為了在黑暗中生存，深海動(dòng)物各出奇招：短吻擬深海鮭有著巨大的眼睛，能夠捕捉到微弱的光;深海狗母魚(yú)放棄了視覺(jué)，僅僅依靠觸覺(jué)和振動(dòng)來(lái)感知獵物：燈籠魚(yú)自身能發(fā)光，自帶“車(chē)前燈”照亮前方，還能利用這些“燈光”來(lái)吸引配偶或獵物。

黑暗對(duì)視覺(jué)的影響只是最微不足道的障礙，缺乏光照還意味著深海沒(méi)有能進(jìn)行光合作用的藻類(lèi)生存。海洋中的食物鏈主要建立在大量浮游藻類(lèi)之上，那么，在一片漆黑的海底，生物靠什么生存呢？一些微生物能利用海底噴出的甲烷或硫進(jìn)行自養(yǎng)作用，其他一些生物則會(huì)以它為食。海底另一類(lèi)食物來(lái)源是上層海水中生物的尸體，尸體腐敗的碎屑會(huì)逐漸下沉，經(jīng)過(guò)“漫漫長(zhǎng)路”，最終到達(dá)海底。馬里亞納海溝底部的腐屑含量較為豐富，科學(xué)家推測(cè)，可能是海溝漏斗狀的構(gòu)造使這些物質(zhì)富集在海底。有時(shí)，海底的“清道夫”們也能享受到一頓大餐——比如一頭死鯨。盲鰻會(huì)鉆入鯨的尸體，從里到外吃掉柔軟的組織;與此同時(shí)，食骨蠕蟲(chóng)會(huì)在鯨骨上鉆孔，吸食其中的脂質(zhì);在之后的數(shù)年到數(shù)十年，大量微生物依靠鯨骨殘存的有機(jī)質(zhì)及其釋放的硫化物生存，并引來(lái)以它們?yōu)槭车母鞣N無(wú)脊椎動(dòng)物。

深海狗母魚(yú)視力極差，主要依靠觸覺(jué)感受外界。

死去的鯨會(huì)沉入很深的海底，為深海生物提供了豐富的食物。

燈籠魚(yú)自帶“燈光”，并且能用巨大的眼睛捕捉到微弱的光。

盡管有了食物來(lái)源，但深海生物還要面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：低溫和高壓。馬里亞納海溝深處的溫度為-1～4℃，比冰箱冷藏室的溫度還低。而深海的壓強(qiáng)更是海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的1000倍以上，如果一個(gè)人身處海溝底部，他受到的壓力將等同于50架大型噴氣式飛機(jī)同時(shí)壓在身上。

低溫和高壓對(duì)動(dòng)物的身體會(huì)產(chǎn)生特別的影響，在這種環(huán)境下，生物細(xì)胞膜中的脂質(zhì)會(huì)變?yōu)楣虘B(tài)，細(xì)胞膜失去了流動(dòng)性就無(wú)法行使正常生理功能。為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，深海生物的對(duì)策是增加細(xì)胞膜中不飽和脂肪的比例，這些脂肪在低溫下呈液態(tài)，能夠保持細(xì)胞膜的流動(dòng)性。壓力還會(huì)對(duì)蛋白質(zhì)造成嚴(yán)重的影響。蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)承擔(dān)了多種生理功能，為了發(fā)揮其作用，蛋白質(zhì)分子必須能夠自由地改變它們的大小和形狀，但這在高壓之下是很困難的。我們可以用吹氣球作類(lèi)比，在空氣中吹氣球很容易，但如果你在游泳池底部試著吹氣球，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這要困難得多，因?yàn)闅怏w分子都被壓縮了。

深海魚(yú)的秘密武器

為了防止體內(nèi)的蛋白質(zhì)被“壓扁”，深海動(dòng)物在它們的細(xì)胞中生成了一類(lèi)特殊的有機(jī)小分子。這些分子與水分子緊密結(jié)合，使蛋白質(zhì)具有更大的空間，并阻止水進(jìn)入蛋白質(zhì)內(nèi)部造成擠壓。深海魚(yú)體內(nèi)就存在一種叫“氧化三甲胺（TMAO）”的分子。這種物質(zhì)使深海魚(yú)能抵抗強(qiáng)大的壓力，其分解產(chǎn)物“三甲胺”是魚(yú)腥味的來(lái)源。TMAO的含量會(huì)隨著魚(yú)類(lèi)生活的深度的加深而增加，所以深海魚(yú)的腥味更濃。

深海中占主導(dǎo)地位的魚(yú)類(lèi)主要是鉆光魚(yú)。

深海中占主導(dǎo)地位的魚(yú)類(lèi)主要是琵琶魚(yú)。

但是，魚(yú)類(lèi)細(xì)胞內(nèi)TMAO含量的增也會(huì)造成細(xì)胞液濃度增加，從而升高細(xì)胞滲透壓。海魚(yú)的細(xì)胞具有比海水低的滲透壓，這意味著它們需要主動(dòng)從海水中吸收水分子。對(duì)于深海魚(yú)來(lái)說(shuō)，保持低滲透壓極為重要，因?yàn)樗鼈儽仨毾拗扑肿舆M(jìn)入細(xì)胞，以維持細(xì)胞功能。而根據(jù)魚(yú)類(lèi)TMAO含量隨海水深度增加的規(guī)律來(lái)推算，在8200米左右的深度，魚(yú)類(lèi)細(xì)胞滲透壓和海水的滲透壓就達(dá)到一致了，超過(guò)這一深度，海水將不受控制地進(jìn)入魚(yú)的細(xì)胞，使其破裂。

那么，8200米就是魚(yú)類(lèi)生活的極限深度了嗎？那也未必。1970年，科學(xué)家在波多黎各海溝水下8370米捕捉到了一條“神女底鼬鰣”（Abyssobrotulagalatheae），這是迄今為止魚(yú)類(lèi)最深的捕獲記錄。然而，這次捕撈采用了開(kāi)放式的網(wǎng)籠，因此這條魚(yú)可能是在網(wǎng)籠上拉的過(guò)程中被捉到的，也就是說(shuō)其生活的海域并沒(méi)有那么深。此外，其他的捕撈記錄也顯示，神女底鼬鰣主要是在深海帶（4000～6000米深）被捕捉到。

除去這一不太可靠的記錄，目前的最高深度紀(jì)錄保持者是馬里亞納獅子魚(yú)。最近，它在海底8178米被拍攝到，這一深度已經(jīng)十分接近理論上魚(yú)類(lèi)生活的極限深度。它還會(huì)再創(chuàng)紀(jì)錄嗎？還有沒(méi)有什么魚(yú)能憑借某種我們不知道的生理機(jī)制，突破理論極限呢？讓我們拭目以待。

超強(qiáng)抗壓的沙子城堡

雖然魚(yú)類(lèi)可能無(wú)法挑戰(zhàn)更深的深度，但在海溝更深處，還有一些其他種類(lèi)的生物頑強(qiáng)生存著。越來(lái)越多的深海影像記錄顯示，馬里亞納海溝底部存在著一些令人驚奇的生物。

2012年，卡梅隆在挑戰(zhàn)者深淵拍攝到了一堆被埋在沙子里的棍子狀的東西?？茖W(xué)家在查看這段視頻時(shí)差點(diǎn)忽略掉這些與沙子的顏色渾然一體的“棍子”，但他們很快就意識(shí)到，這是海參：形似蠕蟲(chóng)，有著皮革質(zhì)地的身體和嘴邊簇生的觸須。挑戰(zhàn)者深淵中的海參都頭朝同一方向，這可能是為了確保它們能從洋流中獲取盡可能多的食物。

普通端足類(lèi)動(dòng)物和深?！熬逕o(wú)霸”（Alicella gigantea）的對(duì)比

有孔蟲(chóng)通常具有形態(tài)多樣的碳酸鈣外殼。

馬里亞納海溝的大型有孔蟲(chóng)，擁有以二氧化硅為主要成分的外殼。

用海底砂石偽裝自己的海參。

海底影像還記錄到了一種巨大的端足類(lèi)動(dòng)物（也稱片腳類(lèi)，一類(lèi)外形像蝦的甲殼類(lèi)動(dòng)物）。大多數(shù)淺海端足類(lèi)動(dòng)物僅幾厘米長(zhǎng)，而挑戰(zhàn)者深淵里的“巨人”的長(zhǎng)度卻超過(guò)了30厘米。這種“巨無(wú)霸”有著慘白的蠟質(zhì)外殼，看上去像是某種樹(shù)脂制品。

海溝底部最常見(jiàn)的生物之一是單細(xì)胞的有孔蟲(chóng)。有孔蟲(chóng)生活在世界各地海床上的沉積物中。通常情況下，有孔蟲(chóng)會(huì)形成堅(jiān)硬的碳酸鈣外殼來(lái)保護(hù)自己，并從外殼上的孔洞中伸出細(xì)絲狀的偽足來(lái)捕食。然而，馬里亞納海溝底部的巨大壓力會(huì)令碳酸鈣等礦物溶解，所以生活在這里的有孔蟲(chóng)無(wú)法像淺海同類(lèi)那樣制造碳酸鈣外殼。取而代之的是，它們用蛋白質(zhì)、有機(jī)聚合物和沙子制造更抗壓的外殼。沙子的主要成分是二氧化硅，其分子結(jié)構(gòu)緊密牢固，能承受極大的壓力。海溝深處的有孔蟲(chóng)將海洋沉積物中的沙子、死亡微生物的骨骼（也含有二氧化硅）用自己的分泌物黏合，制造出堅(jiān)固的“沙子城堡”。

目前，關(guān)于這些超級(jí)深海生物的研究還很少，一方面是因?yàn)樯詈Ｓ^測(cè)和捕撈投入極高，而收獲較少（海溝底部生物密度很低）：另一方面，深海生物離開(kāi)其生存的極限環(huán)境之后很快就會(huì)死亡，其生理結(jié)構(gòu)也可能因捕撈中的壓力變化而受到損傷，在這種情況下，想要研究它們正常生理功能和生活習(xí)性幾乎是不可能的。因此，深海生物的生存方式還是一個(gè)巨大的未解之謎。這些生物是如何在如此嚴(yán)酷的條件下生存下來(lái)的呢？生命的極限在哪里呢？或許有一天，我們能知道答案。

無(wú)處不在的污染

隨著越來(lái)越多的深海生物被發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們既驚喜又擔(dān)憂，驚喜的是生命有無(wú)限可能，擔(dān)憂的是人類(lèi)造成的污染已經(jīng)影響到這些生物生存。

研究人員在馬里亞納海溝取樣的端足類(lèi)動(dòng)物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了極高水平的持久性有機(jī)污染物（POP），包括多氯聯(lián)苯（PCB）和多溴二苯醚（PBDE）。這些化學(xué)物質(zhì)通常被用作電子絕緣體和阻燃劑，它們通過(guò)工業(yè)事故和垃圾填埋場(chǎng)的泄漏被釋放到環(huán)境中，直到20世紀(jì)70年代它們最終被禁止。

研究發(fā)現(xiàn)，這些深海端足類(lèi)動(dòng)物受污染的程度與蘇加灣（西北太平洋污染最嚴(yán)重的工業(yè)園區(qū)之一）中的污染程度相當(dāng)。由于POP不能自然降解，它們通過(guò)污染的塑料碎片和動(dòng)物尸體到達(dá)海底。然后，污染物通過(guò)海洋食物鏈從一種生物傳播到另一種生物，經(jīng)過(guò)了幾十年時(shí)間，最終導(dǎo)致海底化學(xué)物質(zhì)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地表的污染。

人類(lèi)對(duì)深海的影響可能遠(yuǎn)超我們的想象。圖為深海探測(cè)器在馬里亞納海溝3700多米深處拍攝到的垃圾。

科學(xué)家心痛地說(shuō)：“我們?cè)诘厍蛏献钇h(yuǎn)、最偏遠(yuǎn)的棲息地發(fā)現(xiàn)了如此驚人的污染物，這一事實(shí)讓我們看到了人類(lèi)對(duì)地球的長(zhǎng)期、毀滅性的影響?！?h3>獅子魚(yú)

獅子魚(yú)是鲉形目獅子魚(yú)科所有物種的總稱，目前已被發(fā)現(xiàn)和命名的獅子魚(yú)超過(guò)400種。獅子魚(yú)沒(méi)有鱗片，頭大，尾尖，身體細(xì)長(zhǎng)，看上去有些像蝌蚪。獅子魚(yú)是底棲魚(yú)類(lèi)，它們的腹鰭特化成的吸盤(pán)狀結(jié)構(gòu)，能很好地吸附在海底。這類(lèi)小魚(yú)看上去有些嬌弱，卻常常生活在嚴(yán)酷的環(huán)境中：獅子魚(yú)主要分布于寒冷的海水中，尤其是冰冷幽暗的深海。盡管獅子魚(yú)在世界各地的海洋都有分布，但人們對(duì)它們的生活習(xí)性知之甚少。

獅子魚(yú)是魚(yú)類(lèi)中的“深潛冠軍”。2008年，一個(gè)研究小組在日本海溝約7700米的深度發(fā)現(xiàn)了一種獅子魚(yú)——“鈍口擬獅子魚(yú)”，它創(chuàng)下了魚(yú)類(lèi)生存深度的紀(jì)錄。但這一紀(jì)錄在2014年就被打破了，打破紀(jì)錄的正是馬里亞納獅子魚(yú)（Pseudoliparisswirei），科學(xué)家在水下7966米捕捉到了這種魚(yú)。在這次考察中，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了另一種獅子魚(yú)，水下攝影機(jī)在8145米拍攝到了這種被稱為“縹緲獅子魚(yú)”的生物，但并未捕撈到樣本。2017年，日本科學(xué)家在水下8178米拍攝到了馬里亞納獅子魚(yú)，再一次刷新了魚(yú)類(lèi)生活水深的紀(jì)錄。

日本科考隊(duì)在水下8178米拍攝到一群馬里亞納獅子魚(yú)。

海溝奇景

2016年4月20日至7月10日，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）聯(lián)合多家研究機(jī)構(gòu)對(duì)馬里亞納海溝及附近海域進(jìn)行了一次大規(guī)模科學(xué)考察。在此次考察中，研究人員通過(guò)遙控探測(cè)器拍攝到了許多珍貴的圖像，海溝中奇特的地質(zhì)景觀和多姿多彩的生物令人大開(kāi)眼界。以上所有圖片均來(lái)自NOAA海洋勘探和研究辦公室。