Animal life in the shallow subseafloor crust at deep-sea hydrothermal vents

深海热液喷口浅层海底地壳中的动物生命

来源：Nature Communications

《自然通讯》


摘要内容：

该研究首次报道在深海热液喷口下方的浅层海底地壳中发现了成年管虫（如Oasisia alvinae和Riftia pachyptila）及其他热液喷口特有动物。这些动物通过地壳内的流体循环系统扩散，幼虫可能通过海水与热液混合的“补给区”进入地下洞穴并定居。这一发现表明海底表面与地壳内部的动物群落是连通的，扩展了已知的动物栖息范围，并对热液喷口的化学通量测量和生态保护提出了新见解。


研究目的：

验证管虫等热液喷口动物的幼虫是否通过地壳内的流体循环系统扩散，而非传统认为的通过海水表层扩散；探索浅层海底地壳中是否存在支持动物生存的生态系统。


研究思路：

选址与实验设计：在东太平洋海隆（EPR）9°50'N的热液喷口区（Fava Flow Suburbs，2515米水深），选择覆盖管虫和贝类群落的熔岩架。


现场操作：使用ROV（遥控水下机器人）撬开熔岩架，暴露地下洞穴，观察和采集洞穴内的动物样本。


数据采集：测量洞穴内的温度、盐度、pH、硫化氢（H₂S）和氧气浓度，分析环境条件与动物分布的关系。


生物学验证：通过解剖确认成年管虫的繁殖状态（如卵子和精子存在），证明其在地下环境中可完成生命周期。


测量数据及对应图表：

温度：洞穴内最高温度24.9°C（表1，图2c），与地表热液喷口温度相似，表明适宜动物生存。


盐度：33.3–34.4（表1），接近海水值，说明海水与热液的混合环境。


pH：5.5–6.5（表1），酸性环境符合热液流体的典型特征。

硫化氢（H₂S）：最低14 μmol/L，最高401 μmol/L（表1），为化能合成共生菌提供能量来源。


氧气浓度：最高115 μmol/L（表1），显示氧化环境，可能支持动物呼吸需求。


数据的研究意义：

温度与盐度（表1）：证明地下洞穴的环境与地表热液喷口相似，支持动物跨栖息地迁移的假设。


硫化氢与氧气（表1）：揭示化学梯度对化能合成共生系统的依赖，解释动物（如管虫）如何通过共生菌在地下生存。


动物分布数据（图2d-h，图3）：显示O. alvinae和R. pachyptila在洞穴内的密集分布，表明地壳内部是幼虫扩散和成体栖息的关键区域。



结论：

浅层海底地壳中存在与地表热液喷口连通的动物群落，包括成年管虫、多毛类、螺类等。


幼虫可能通过地壳内的流体循环系统（而非海水表层）扩散，解释了热液喷口快速殖民化的机制。


地下动物活动通过共生菌的化能合成作用影响局部地球化学通量，需重新评估热液系统的生物地球化学模型。


热液喷口的保护范围应扩展至海底地壳，目前其生态边界尚未完全明确。


丹麦Unisense电极数据的详细解读：

研究使用Unisense微电极测量了硫化氢（H₂S）和氧气浓度：

硫化氢浓度（表1）：


洞穴内H₂S浓度较低（最低14 μmol/L），但足以支持管虫共生菌（Endoriftia persephone）的化能合成代谢。


浓度波动反映流体混合程度，表明幼虫可能通过低H₂S区域进入地壳，避免高毒性环境。

氧气浓度（表1）：


最高115 μmol/L的氧气水平远高于典型热液喷口的缺氧环境，可能与海水注入有关，显示氧化-还原界面的存在。


氧化环境支持多毛类（如Paralvinella spp.）等需氧动物的生存，表明地下洞穴是化能合成与异养生物共存的复杂生态系统。


研究意义：

这些数据首次量化了浅层海底地壳中的化学梯度，证明其具备支持动物群落的条件，挑战了“仅微生物生存”的传统认知，并为幼虫扩散路径提供了化学证据。