深海热液喷口生物群落研究进展

深海热液喷口生物群落研究进展

1深水热液生物群落的研究进展海底热液活动是一种独特的地质活动。热液口主要集中在洋中脊，并形成一个温暖、高压和高重金属浓度的极端环境。1977年,阿尔文号深潜器在对东太平洋加拉帕斯裂谷进行海底地热异常调查时,在水深2500m的现代热液喷口处发现了人们从未见过的生物群落,这一重大发现震惊了全球生物界和地学界。科学家们随之开展了大量的研究工作,对热液生物群落生存的环境、群落的营养结构、种群结构与组成等问题有了较为深入的认识。近年来随着分子生物学、系统发育学、基因组学等学科的发展,科学家们对热液生物问题进行了更深层次的研究,如生物群落的演化机制、影响生物群落分布的因素、热液微生物的代谢途径[10,11,12,13,14,15]、热液生物基因组序列和功能的研究,热液环境中病毒存在的情况等,提出了生命可能起源于热液环境的假说并尝试加以论证。对深海热液生物群落的研究,不仅有利于基础生物学的发展,有利于拓宽探索生命起源的思路,有利于探索地球形成之初的环境,而且在矿产资源的形成、开发和利用,生物基因工程,药物开发等领域也具有重大的经济价值,是近年来科学家们研究的热点之一,取得了大量的成果。本文对这一领域近年来的研究进展做一简单综述。2海底热液系统2.1热液对“黑烟”的经皮世界各大洋洋中脊和弧后盆地以及陆内裂谷广泛发育热液活动。深海热液喷口一般产于800~3500m海深处,压力大约为80~350MPa。在热液喷出地点,海水沿着洋壳冷却过程中形成的裂隙下渗并与热的围岩或岩浆接触,在这个过程中海水被加热,化学成分发生改变形成了成分复杂的热液,温度可高达350~400℃。由于热液的密度较小,从而穿过海底岩层上涌并与冰冷的海水混合,导致了多种黑色金属硫化物的沉积,并在喷口处形成以硫酸盐结构为主的“黑烟囱”。当热液中钙和硅离子含量较高时,形成的是碳酸盐结构为主的“白烟囱”。海底热液也可能在到达海底岩层之前就与海水混合,其温度迅速降低,喷出海底时仅为10~20℃。2.2海底热液的组成热液的化学成分主要取决于热液喷口的年龄及其所处的地理位置,影响因素有温度、压力、围岩成分、蚀变程度及海底沉积物的性质等。热液喷口环境的物理和化学参数常随着时间和空间的变化而剧烈波动。一些突发事件如岩浆侵入、火山喷发等往往会造成热液流体成分的剧烈变化。海底热液的组成一般有如下特征:pH值低(2~3);可溶气体如H2、CH4、H2S、CO2等浓度大,铁、锰、锌化合物等可溶金属元素及硅的含量高,与海水相比严重亏损Mg;盐度变化范围大,温度一般在200~400℃之间。喷出的热液与周围的海水混合后形成一个350~0℃的陡变温度带和一个急剧变化的化学梯度带,为热液生物提供了生存环境和能量来源。2000年在大西洋中脊发现的洛斯特城(LostCity)热液喷口区是一类例外,该处喷口群为典型碳酸盐沉积型的“白烟囱”,其热液流体的pH值高达9,温度为40~90℃,缺乏CO2,但H2和CH4浓度很高。3生态系统在深度热液喷口深海热液生物主要包括细菌、古菌、病毒、底栖生物和浮游动物,浮游植物缺乏。3.1热液喷口的生物地理分布由于温度梯度带和化学梯度带的存在,使得热液喷口生物群落的分布有一定的规律,在单个喷口区不同种群的分布主要受水温控制,一般围绕喷口呈环带状分布:60~110℃:细菌类和古细菌。一般在50~90℃的环境下,细菌类的生长占优势,大于90℃的环境下则古细菌占优势。20~40℃:主要分布多毛纲蠕虫动物,其代表物种是Alvineltapompejan。2~15℃:代表物种管状蠕虫类如Riftiapachyptila,常见共生生物为双壳类,如蛤类、贻贝类等,腹足类也十分丰富。此外还有管水母类,腕足动物,肠鳃动物,海蛇尾类及鱼、虾和蟹等。在热液生态系统中不同的物种占据着不同的生态位,它们之间的界限并不明显,这种分布也并非一成不变,物种间的竞争关系及热液喷口随时间的变化会导致群落内某些物种的消失或被其它物种逐渐代替。化学成分对热液喷口生物群落分布的影响也很显著。Luther等研究发现在高pH值,高H2S/HS-浓度和低FeT(总铁)、低AUS(酸性可挥发性硫化物)浓度的环境中,Riftiapachyptila是主要物种,而在以Alvineltapompejan为优势种群的生境正好相反,其AUS浓度和FeS、Fe2+的含量均较高。在洛斯特城喷口区发现的生物很少,且与动物共生的化能自养微生物也不多,推测是与其热液流体独特的物理化学性质有关。对于地理位置不同的热液喷口,其生物群落有一定的生物地理分布模式。由Alvinocarididae、Mytildae和Vesicomyidae占支配地位的群落在全世界范围内广泛分布,然而各大洋的海底热液喷口其优势物种分布情况并不完全相同。在西太平洋喷口区,主要优势种群为Provannidae、Lamellibrachiidae和Mytildae,在印度洋主要为Provannidae、Alvinocarididae和Mytildae,而在大西洋中脊却是AlvinocarididshrimpsRimicaris,或由Rimicaris与Bathymodiolus共同组成。Tunnlcllffe等对比东太平洋海隆和大西洋洋中脊的之间的物种分布情况发现,喷口群落的分布在种、属、目,甚至在更高的分类水平上几乎是独有的,认为动物区系在热液喷口的分布与板块构造历史有关,迁移途径主要是沿着洋中脊迁移,推测热液喷口的生物地理分布模式与洋中脊的发展有关。Dover等对位于印度洋的Kairei(25°19.23′S,70°02.42′E)和埃德蒙(Edmond)(23°52.68′S,69°35.80′E)喷口群落的研究表明,虽然两个群落的主要优势种群均为群居的虾类和海葵,但在Kairei喷口广泛存在的藤壶类(stalkedneolepadinebarnacles)、腹足类软体动物(scaly-footgastropods)、多毛类蠕虫(archinomidpolychaetes)和纽虫(nemerteans)等在埃德蒙仅有少量存在甚至不存在,这种动物区系分布的不同可能并非是由于地理隔绝引起的,而主要与当时小环境的性质和可利用率有关。深海热液的活动对生物群落的存亡有着重大影响。海底热液活动呈现出阶段性,同时具有相当的不稳定性和突变性,可能在短时间内经历喷发或消亡的过程。当某处热液口的热液活动随地质运动的变化逐渐减慢乃至消亡,生态系统中靠热液维持的底栖生物会死亡或迁移至别处。热液生物群落在短时间内经历着从发展到消亡的群落演替过程,推动这种演替的不仅是地质和化学因子的变化,生物内在的因素也很重要。Suzuki等对印度洋和西太平洋两处熄灭的黑烟囱样品进行了研究,发现热液停止喷发后,构成黑烟囱结构的硫化物能提供足够的能量供一些化能自养微生物生长,形成一个与先前黑烟囱活动时期不同的微生物群落,推测深海热液喷口黑烟囱的细菌和古细菌群落结构在热液喷发停止后发生了明显改变。3.2热液喷口动物的食性在深海热液口,常密集栖息着一些个体巨大,身体结构极其特殊的无脊椎动物,其中多数是以前未发现过的种。至2000年为止在深海热液喷口发现的生物种类已有10个门,500多个种属,其特有种超过400个,特有的科为11个,新发现的物种数量仍在不断增加。与深海其他生境相比,深海热液生物群落物种具有多样性低、种群密度和生物量高、生长速度快等特点,其区域性分布水平很高,在种和种以上分类(如科、目、门)水平上包含着显著的新的分类,82%的种具有区域性。无脊椎动物群落是深海热液喷口生物群落中的初级消费者,包括管状蠕虫类、双壳贝类、腹足动物、环节动物或虾类等,其中软体动物、多毛类和节肢动物占了种群的93%。底栖动物群落的营养结构建立在独立生存或共生的化能自养细菌基础上。多毛类和软体动物等一般与细菌存在内共生关系,如管状蠕虫和蛤类。一些热液喷口周围的温水区中的双壳贝类,如贻贝,其体内有共生的细菌提供养分,但它们也滤食水中的细菌。虾和环节动物无内共生菌,靠摄食细菌为生,体表面有寄生细菌。在虾类口腔内发现的寄生细菌在一些热液黑烟囱表面也存在。管状蠕虫是热液喷口区一个很有代表性的物种,对管状蠕虫的早期研究主要集中于描述其生物化学、生理学和生态学特性。最近的研究主要关注其基因的表达,对共生生物和宿主之间代谢关系的定量研究等。Rau于1980年测定了蠕虫组织的13C/12C,发现比值高于开放海洋区生物的比值,推测热液喷口动物在营养方式上,存在多种非浮游生物及非光合作用来源的非常重要的碳固定途径。随后在管状蠕虫体内和蛤类的软体组织或鳃中都发现存在有共生的化能自养细菌,证实了这些生物体内C和N的非光合作用来源。利用原位杂交技术对管状蠕虫类的卵细胞进行检测,并未发现共生微生物,证明共生细菌是在管状蠕虫固定生长后才获得的。由于这些细菌尚无法在实验室培养,Marker等应用基因组学和蛋白组学技术对共生细菌进行了分析,发现部分细菌蛋白质组中存在3种涉及到连接能量产生和硫化物氧化的蛋白质,这3种蛋白质强调了共生细菌利用硫化物产生能量提供营养物质给宿主的关键作用。在管状蠕虫萃取液中还存在大量涉及三羧酸循环的酶,从而推测这是共生细菌固定C的一个重要途径。蛤类在一些热液喷口环境中广泛存在。Kuwahara等对分离自深海蛤类Calyptogenaokutanii的内共生细菌基因组进行了研究,发现了这些内共生细菌基因组长度变小的现象,一些负责运动性、压力响应、DNA重组和修复的基因缺失,这些基因的缺失使得它们无法在环境中独立生存。Calyptogenaokutanii与内共生细菌形成了协调的共生关系,共生细菌基因组中存在着能编译不同辅助因子、脂肪酸和核苷的基因,这些产物对于摄食系统极大退化和消化系统发育不全的宿主来说至关重要。而宿主则为共生细菌提供了庇护场所及它们新陈代谢所需的硫化物、氧气等物质。此外,与管状蠕虫不同,Calyptogenaokutanii的共生细菌属于细胞内共生,并且是通过蛤类的卵来传播下一代。深海热液喷口还分布有小型底栖生物,但丰度和种类多样性极低,类群组成与其它深海环境一样,主要由线虫、底栖桡足类、介形类和螨类组成,其中线虫和底栖桡足类是2个最占优势的类群。热液口浮游生物量和丰度要明显高于非热液口深海区,但相对于上层浮游动物群落来说其生物量又是很低的,其种类组成随不同热液口而不同。3.3海底热液热液环境可减少微生物多样性深海热液喷口存在着大量微生物,主要包括细菌和古菌及近年来发现的病毒;这些微生物主要以3种形式存在:(1)在微小生物、动物体内或体表寄生的微生物,与宿主形成共生关系。(2)大量的独立生存的微生物,以颗粒的形态聚集在生物和非生物物体的表面上。(3)以悬浮颗粒物形式存在,随热液流体喷出的“细菌汤”。由于深海的许多微生物仍不可培养,对深海热液微生物群落物种多样性和系统发育分析的研究主要是依赖于分子生物学方法。基于16SrRNA基因的分析发现了大量新种属,其中一些菌株所具有的生理特征是第一次被发现,如在东太平洋海隆分离到的超嗜热古细菌Ignicoccuspacificus,是首次发现的具有外细胞膜的古细菌,其基质空间里含有功能未知的小颗粒。Kashefi等2003年从海底热液黑烟囱样品中分离到的一种菌株,其生长温度达到了121℃。好氧微生物和微量好氧微生物在深海热液环境中均有发现。Marteinsson等首次在深海热液喷口样品中分离出了嗜热好氧异养细菌。属于Thermus和Bacillus的好氧细菌则是从多孔矿物结构中分离出的,在大西洋中脊热液口广泛分布。科学家们推测在矿物结构孔隙中还原性的热液流体与充氧的海水相遇可能产生一个很窄的有氧带,为这些好氧微生物提供了一个合适的生存环境。Aeropyrumcamini则是首次被分离的专性好氧古细菌,属于超嗜热异养微生物。大量的研究表明,许多细菌和古细菌不仅生长在深海热液喷口,它们也广泛分布于其他热环境中,如地下水和陆地热液喷口。迄今为止,发现只有Nautiliaceae科是深海热液喷口环境中特有的科,代表着一个新的目:Nautiliales。在种属水平上,物种存在的区域性会较为显著,如代表深海热液古细菌的4个属:Methanopyrus,Geoglobus,Palaeococcus和Pyrolobus只能在深海热液喷口环境中存在。对于细菌类,具有这样的区域性分布特征、仅能在深海热液环境中存在的属共有14种。ε-变形杆菌在深海热液喷口环境中占支配地位,其rRNA占了不同热液栖息地中总rRNA的90%以上。某些ε-变形杆菌具有致病性,深海喷口环境中的ε-变形杆菌虽然不是病原菌,但基因组中含有许多与致病性ε-变形杆菌一样的毒性基因,包括毒性因子MviN、溶菌素、侵入抗原CiaB、N-联接糖基化基因簇(NLG)等,显示了它们与致病性ε-变形杆菌之间存在着进化联系。所有的深海热液喷口ε-变形杆菌都缺少许多DNA修复基因,导致了经常性的基因重组、突变、缺失和基因的水平转移,这种基因可塑性对于提高生物的多样性,增强生物对极端环境的适应性及维持物种在群落中的支配地位都很有帮助。宏基因组技术的发展为更全面地研究未培养微生物的生理特征、遗传多样性、种群结构和生态功能提供了帮助。Huber等采用标签序列方法,利用亚单位(SSU)rRNA中的V6高变异度扩增子作为探针结合大量平行测序,研究了东北太平洋深海火山AxialSeamount处两个热液喷口环境中细菌和古细菌的多样性及种群结构。分类学和统计学的分析表明这两个喷口间群落成员有很大的差异性,这种差异性可能是由于地球化学环境不同造成的。在建立的古细菌V6扩增子标签数据库中将近6000种不同的序列定义了超过1900种种系型,非参数统计分析估测最终的多样性达2700种;观测了超过30000种不同的细菌序列形成18500种种系型,非参数的估计预测应存在有37000种。将每一个不同的序列与V6参考数据库相比得出了特征性很好的分类结果和大量未知的微生物种系。病毒是微生物家族一个重要的成员,近年来,在深海热液喷口许多病毒新科被发现,它们大部分来自泉古菌(Crenarchaeota)和广古菌(Euryarchaeota)。这些病毒通常与宿主保持一种稳定的带菌状态,而不是裂解状态或溶原状态。Geslin等对东太平洋海隆和大西洋洋中脊采集到的样品进行富营养培养,利用高倍数电子显微镜对培养产物中病毒状颗粒的多样性进行了研究,鉴别出9种不同形态的病毒标本并归纳为两大类,一类是刚性或柔性的杆状病毒颗粒,另一类则是在热液微生物研究中首次发现的柠檬状病毒颗粒,观察发现这些病毒的宿主可能属于Thermococcales。此外,勺状、纺锤状等形态的感染原核生物的病毒颗粒近年来在热液环境中也有发现。病毒对原核生物的致命性可能影响深海热液喷口环境碳循环及生物的群落组成。病毒的溶菌作用将细胞的成分转化为可溶性有机物质,使得它们不可被浮游动物所捕食,但可能增加异养原核生物的生产力。Ortmann等对来自因代沃(Endeavour)洋中脊段内3个热液活动喷口的病毒和原核生物丰度进行了研究,发现在活动的热液喷口区病毒丰度要远远高于周围深海,表明热液喷口区能产生病毒而且病毒对原核微生物具有致命性,使得流向更高营养水平上的能量减少。相对高的微生物生物量和生产力可能是导致深海热液喷口环境中裂解性病毒产生的原因。上升热液羽流样品中观察到病毒丰度较低,可能是由于羽流扩散引起的病毒的高流失率或病毒本身的低生产力造成的。Ortmann等同时指出,前人的研究对于热液喷口环境中病毒丰度的估计偏低,病毒对于深海生态和地球化学过程的作用应该更强烈。热液微生物对热液极端环境有着很强的适应能力。与Alvinella相关的许多细菌具有对铜、镉、锌、银及砷的抗性;从Alvinellidpolychaetes中分离出的许多异养菌株表现出对砒霜、镉、银的抗性及对高浓度铜的耐受性,通过杂交实验得到的数据表明热液环境中带有相关基因的质粒有可能在深海环境中的微生物间转移。由于深海热液喷口微生物生存环境与地球形成早期的环境十分相似,具有高温,高压,氧气稀少,含有丰富的还原性物质等特点,科学家们由此提出了生命有可能起源于热液环境的假说,认为最初的生物有机质的合成和生命的出现有可能就在热液喷口附近发生。4地球化学能量来源的多样性科学家们对深海热液微生物能量合成途径的研究彻底改变了以往“万物生长靠太阳”的传统观点。在没有阳光的深海,生命通过氧化还原反应转而利用不同来源的地球化学能量。深海热液微生物存在着多种不同的代谢途径以适应地球化学能量来源的多样化,因此可以认为基因组的多样性是与地球化学能量来源的多样性相关的。对深海热液微生物进行的大量研究表明其能量合成与代谢途径可以归纳为3种基本类型:4.1含硫化合物在热液中的代谢热液喷口环境中的无机化能自养微生物是热液生物群落食物链中的主要生产者,它们利用热液成分合成的大量有机物质保证了整个热液喷口生物群落的高生产力。无机化能自养微生物通过氧化或还原热液中的无机物获得能量,再利用这些能量把CO2转化为可供生物利用的简单的糖类和其他有机物。许多代谢反应都是基于利用岩浆气体中含有的H2进行的(H2还是高温下H2O进行地球化学还原的产物),无论是古细菌还是细菌都能通过氧化H2来还原S,这种获得能量的反应被认为是地球上最古老的代谢途径之一,在深海热液喷口的微生物群落中广泛存在。S是深海热液成分中一个重要的元素,热液成分中富含硫化物,如S0、FeS、H2S等,这些含硫化合物是许多细菌进行化学能量合成的原料,在微量含氧或厌氧条件下通过氧化还原反应获得能量。硫氧化作用是深海热液活动区最基本的化学合成过程,在热液喷口附近生存的大部分细菌是硫氧化菌,如Thiobacillus、Thiomicrospira、Thiothrix等。古细菌是唯一能进行甲烷生成反应的微生物,能将无机或有机化合物厌氧发酵转化成甲烷。在热液口发现的产甲烷菌,如Methanopyrus,生长的最佳温度为85~90℃,利用CO2和H2进行的反应是它们合成甲烷的唯一途径。在自然界甲烷的生物合成中以乙酸为底物的甲烷合成占60%以上,在东太平洋海隆深海热液口利用放射性同位素方法检测到了从乙酸钠合成甲烷的反应,其反应温度达到80℃。在东太平洋海隆分离到的AM-4菌株,属于古细菌的Thermococcus属,能将CO氧化为CO2,同时将H2转化为H2O。这种代谢方式在大量的嗜热原核生物中存在。CO是热液流体中普遍存在的成分,具有利用CO作为能量来源能力的微生物无疑在热液喷口环境中占据一定的生存优势。H2的好氧氧化也是值得关注的,对Persephonella属而言O2和H2作用生成H2O是一个重要的能量合成反应。在深海热液系统,O2的供应取决于含氧的海水与热液流体(提供H2)的混合比例。理想的情况下,如果在混合过程中没有反应产生或消耗氧气,深海海水中氧气含量可以被热液流体从0.076mmol/L稀释到0.055mmol/L。在反应过程中每一摩尔的电子转移可以获得超过100kJ的能量,这些能量足够固定CO2和合成ATP。此外,无机化能自养这类代谢途径还包括微生物对Fe3+、Mn2+、Fe2+等其它无机物的氧化还原反应。深海热液微生物的代谢活动不仅为生物提供了能量,还促进了热液矿物的沉淀,喷口周围的黄铁矿叠层石与块状硫化物矿床的成矿过程就与微生物的代谢活动密切相关。4.2甲烷氧化菌在环境循环的应用Foustoukos和Seyfried在实验室的模拟实验证明了在富含H的热液喷口的水岩反应过程中,H2和CO2反应可以产生非生物合成的短链碳水化合物如甲烷、乙烷、丙烷等。这些有机物有可能被微生物作为能量来源和碳源。热液成分中含有的大量甲烷气体,可以被甲烷氧化菌所利用,通过氧化甲烷固定碳或生成CO2获得生长所需的能量。在反应的一系列过程中甲烷氧化菌参与了甲烷循环并为环境中别的微生物区系提供碳中间物和各种代谢底物。甲烷氧化菌还是主要的内共生细菌之一。许多有机营养型微生物通过发酵直接利用环境中已存在的较复杂的大分子有机物。这些微生物包括广泛存在于热液喷口的古细菌。它们所需的底物一般是肽、氨基酸和蛋白质,一些古细菌还可以利用其他的底物如几丁质。古细菌对这些底物的发酵作用导致了环境中醋酸盐、丙酸盐、异丁盐酸、戊酸盐,CO2和H2等物质的生成。细菌也能进行该种营养代谢方式,如Deferribacter细菌,能氧化不同的有机底物如肽、挥发性脂肪酸和有机酸等。一般细菌生存的温度要比古细菌低10~20℃,同时生长要求的底物也不一样,因此与古细菌不存在竞争关系并且占据不同的生境。4.3有机溶剂代谢许多新近从深海热液口分离的嗜热细菌具有混合的营养类型和代谢方式的特征,它们兼有无机化能自养和有机营养代谢两种生长方式。如Caldithrixabyssi,能发酵蛋白质类底物,还能利用N作为电子受体氧化H2和醋酸。在以前认为仅依靠有机营养代谢的微生物中也发现了一些菌株具有利用H2或CO作为能量底物的能力,如Thermaceae,Thermococcus和Caldanaerobacter。微生物的这种能力被认为是对深海热液中的C的浓度和能量