這個(gè)夏天，世界多地都經(jīng)歷了創(chuàng)紀(jì)錄的高溫和熱浪，全球氣候變暖的現(xiàn)實(shí)正在變得愈發(fā)清晰。我們知道，二氧化碳等溫室氣體在大氣中的積累，是導(dǎo)致地球不斷升溫的重要原因。很多人也都知道，大氣中的二氧化碳也會(huì)源源不斷被植物吸收，它們會(huì)通過光合作用把二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物?？茖W(xué)家們將能夠大量吸收二氧化碳的地方形象地稱之為碳庫。

研究地球的碳儲(chǔ)存，是應(yīng)對(duì)氣候變化的關(guān)鍵.植物充裕的森林是我們最容易想到的碳庫之一。但除了森林之外，海洋其實(shí)才是最大的碳庫，海洋中巨量的浮游植物在吸收二氧化碳之后會(huì)把它們以不同形式儲(chǔ)存起來：有的進(jìn)入浮游植物和海洋生物體內(nèi)，隨食物網(wǎng)循環(huán)；有的以溶解有機(jī)碳的形式溶解在水中；還有一部分會(huì)隨著生物死亡而下沉，深埋在海底之下。

事實(shí)上，在我們腳下深處，遠(yuǎn)離陽光和空氣的地方——深層沉積物便是地球最大的碳“保險(xiǎn)箱”。因?yàn)樗鼈冊诮?jīng)歷數(shù)百萬年乃至數(shù)千萬年之后就會(huì)逐漸固結(jié)變成巖石——我們在野外見到的某些黑乎乎的巖石就是由這種海底沉積物形成的。

野外的這些黑色巖石，一般都是海底富含有機(jī)物的沉積物固結(jié)后形成的，碳被固鎖在巖石中，極難被分解變成氣體

（圖片來源：Wikipedia）

長期以來，人們認(rèn)為有機(jī)質(zhì)在經(jīng)歷降解后結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以被生物利用，一旦埋藏便長期“沉睡”。但新的研究卻發(fā)現(xiàn)，這個(gè)保險(xiǎn)箱并沒有我們想象中的那么安全。

完全無光的黑暗海底一向被認(rèn)為是生命的禁區(qū)，而海底再向下數(shù)百米就更不可能有生命存在了。然而科學(xué)家在過去幾十年的鉆探和觀測中，卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的事實(shí)：在深海沉積物里，居然存在著數(shù)量龐大的微生物群落，被稱為深部生物圈（Deep Biosphere），就像地球隱藏的“暗物質(zhì)”生命世界。

這些微生物與我們熟悉的海洋生物完全不同。它們生活在數(shù)百米甚至上千米深的沉積物里，那里沒有陽光、氧氣稀少，溫度卻隨著深度升高，可以達(dá)到 100攝氏度以上。有人稱它為地球的“第二個(gè)生物圈”，其生物總數(shù)量甚至與地表所有原核生物數(shù)量的總和在同一數(shù)量級(jí)，是生命在高溫、黑暗等極端環(huán)境下適應(yīng)和存活的奇跡。

然而，深部生物圈始終是個(gè)謎。科學(xué)家已經(jīng)知道，這些微生物大多是異養(yǎng)生物，需要依靠有機(jī)碳來維持生命。但問題在于：沉積物中的有機(jī)碳大多極其難以分解。那么，這些微生物到底靠什么獲得能量？

在尋找答案的過程中，科學(xué)家們將目光投向了溫度這一因素。隨著沉積物不斷被新的沉積層覆蓋，它們會(huì)逐漸下沉到更深處，溫度也會(huì)越來越高。會(huì)不會(huì)正是升溫過程，讓那些原本難以利用的有機(jī)碳分解，重新變成可以被微生物使用的能量？

為了驗(yàn)證這一假設(shè)，我們團(tuán)隊(duì)（中國科學(xué)院華南植物園），2025年8月20日發(fā)表在《Science Advances》的研究發(fā)現(xiàn)，深海沉積物中的碳循環(huán)機(jī)制會(huì)隨溫度升高發(fā)生根本性逆轉(zhuǎn)，這完美解釋了微生物在高溫環(huán)境下的存活之謎。

我們團(tuán)隊(duì)選取了來自日本南海海槽的7.8百萬年前沉積物樣品。研究人員在實(shí)驗(yàn)室里模擬了沉積物埋藏過程中可能經(jīng)歷的溫度環(huán)境：

20攝氏度：作為自然狀態(tài)的對(duì)照；

35攝氏度：中溫環(huán)境；

55攝氏度：高溫環(huán)境；

85攝氏度：極端高溫環(huán)境。

我們利用先進(jìn)的分析方法，包括三維熒光光譜和超高分辨質(zhì)譜，追蹤沉積物中溶解有機(jī)碳（DOC）的數(shù)量和分子組成，并檢測乙酸、氫氣等小分子的變化。通過這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，我們團(tuán)隊(duì)希望回答一個(gè)關(guān)鍵問題：沉積物中的碳，是否會(huì)因溫度升高而被重新激活，從而成為深部微生物賴以生存的能量來源？

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，溫度確實(shí)扮演了重要角色：

當(dāng)溫度超過35攝氏度，原本儲(chǔ)存碳的“礦物碳泵”開始反向釋放有機(jī)碳，便于生物水解利用；

達(dá)到55攝氏度時(shí)，“微生物碳泵”也發(fā)生逆轉(zhuǎn)，原本被微生物固定并埋藏的難降解有機(jī)碳被重新活化；

而當(dāng)溫度突破85攝氏度，難降解的有機(jī)碳會(huì)在非生物過程主導(dǎo)下“再加速”降解，分解為乙酸、氫氣等小分子產(chǎn)物。

也就是說，這些微生物不再依賴傳統(tǒng)的復(fù)雜共生關(guān)系，而是直接利用這些非生物過程產(chǎn)生的簡單分子維持獨(dú)立生存，重構(gòu)出一條簡化卻高效的新型碳降解鏈條。這一“碳反轉(zhuǎn)”機(jī)制揭示了深部生物圈的能量來源，闡明了一個(gè)曾被認(rèn)為“不可能存在生命”的高溫世界是如何通過地球化學(xué)過程與生命過程的耦合，最終支撐起一個(gè)頑強(qiáng)而神秘的深層生態(tài)系統(tǒng)。

我們團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步估算，這部分碳的活化所產(chǎn)生的生物可以利用碳比例可超過總有機(jī)碳的0.25%（包括非生物釋放、生物代謝及已代謝礦化過程的總和）。盡管這一比例看似微小，但考慮到次表層沉積物中的有機(jī)碳總量高達(dá)15000000Gt（相比之下，全球海水的總碳量僅39000 Gt），因升溫過程而轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫糜袡C(jī)碳的量依然可觀。

深部碳庫在加熱作用下的非生物與生物耦合分解模型示意圖

（圖片來源：中國科學(xué)院華南植物園）

這項(xiàng)研究的重要發(fā)現(xiàn)之一，是為深部生物圈的存活之謎提供了答案。過去，科學(xué)家一直困惑：既然深埋的有機(jī)碳幾乎難以降解，那這些生活在數(shù)百萬年沉積物中的微生物是靠什么活下去的？現(xiàn)在我們知道，隨著沉積物溫度逐漸升高，難降解的有機(jī)碳會(huì)被逐步分解，釋放出乙酸、氫氣等簡單分子，成為微生物的直接能量來源。也就是說，微生物的生命活動(dòng)并不是憑空發(fā)生的，而是與沉積物中碳的溫度驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化緊密聯(lián)系。

另一方面，這一發(fā)現(xiàn)也改變了我們對(duì)全球碳循環(huán)的理解。長期以來，海底沉積物被視作一個(gè)穩(wěn)定的“碳保險(xiǎn)箱”，似乎可以把碳牢牢封存在地球深處。然而，這項(xiàng)研究表明，當(dāng)溫度超過一定閾值，這個(gè)保險(xiǎn)箱并非絕對(duì)安全，部分碳會(huì)被重新釋放并進(jìn)入生物利用鏈條。這種溫度觸發(fā)的“碳逆轉(zhuǎn)”，可能在全球范圍內(nèi)影響深部碳的長期儲(chǔ)存和釋放。

出品：科普中國

作者：甘淑釵 王法明（中國科學(xué)院華南植物園）

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