深海下的生命能量來源——如何喚醒“沉睡”的碳庫？

這個夏天，世界多地都經歷了創紀錄的高溫和熱浪，全球氣候變暖的現實正在變得愈發清晰。我們知道，二氧化碳等溫室氣體在大氣中的積累，是導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源源不斷被植物吸收，它們會通過光合作用把二氧化碳轉化為有機物。科學家們將能夠大量吸收二氧化碳的地方形象地稱之為碳庫。

研究地球的碳儲存，是應對氣候變化的關鍵.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把它們以不同形式儲存起來：有的進入浮游植物和海洋生物體內，隨食物網循環；有的以溶解有機碳的形式溶解在水中；還有一部分會隨著生物死亡而下沉，深埋在海底之下。

事實上，在我們腳下深處，遠離陽光和空氣的地方——深層沉積物便是地球最大的碳“保險箱”。因為它們在經歷數百萬年乃至數千萬年之后就會逐漸固結變成巖石——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物的沉積物固結后形成的，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，人們認為有機質在經歷降解后結構復雜難以被生物利用，一旦埋藏便長期“沉睡”。但新的研究卻發現，這個保險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為是生命的禁區，而海底再向下數百米就更不可能有生命存在了。然而科學家在過去幾十年的鉆探和觀測中，卻發現了一個驚人的事實：在深海沉積物里，居然存在著數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”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，可以達到 100攝氏度以上。有人稱它為地球的“第二個生物圈”，其生物總數量甚至與地表所有原核生物數量的總和在同一數量級，是生命在高溫、黑暗等極端環境下適應和存活的奇跡。

然而，深部生物圈始終是個謎。科學家已經知道，這些微生物大多是異養生物，需要依靠有機碳來維持生命。但問題在于：沉積物中的有機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，它們會逐漸下沉到更深處，溫度也會越來越高。會不會正是升溫過程，讓那些原本難以利用的有機碳分解，重新變成可以被微生物使用的能量？

為了驗證這一假設，我們團隊（中國科學院華南植物園），2025年8月20日發表在《Science Advances》的研究發現，深海沉積物中的碳循環機制會隨溫度升高發生根本性逆轉，這完美解釋了微生物在高溫環境下的存活之謎。

我們團隊選取了來自日本南海海槽的7.8百萬年前沉積物樣品。研究人員在實驗室里模擬了沉積物埋藏過程中可能經歷的溫度環境：

20攝氏度：作為自然狀態的對照；

35攝氏度：中溫環境；

55攝氏度：高溫環境；

85攝氏度：極端高溫環境。

我們利用先進的分析方法，包括三維熒光光譜和超高分辨質譜，追蹤沉積物中溶解有機碳（DOC）的數量和分子組成，并檢測乙酸、氫氣等小分子的變化。通過這樣的實驗設計，我們團隊希望回答一個關鍵問題：沉積物中的碳，是否會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？

實驗結果顯示，溫度確實扮演了重要角色：

當溫度超過35攝氏度，原本儲存碳的“礦物碳泵”開始反向釋放有機碳，便于生物水解利用；

達到55攝氏度時，“微生物碳泵”也發生逆轉，原本被微生物固定并埋藏的難降解有機碳被重新活化；

而當溫度突破85攝氏度，難降解的有機碳會在非生物過程主導下“再加速”降解，分解為乙酸、氫氣等小分子產物。

也就是說，這些微生物不再依賴傳統的復雜共生關系，而是直接利用這些非生物過程產生的簡單分子維持獨立生存，重構出一條簡化卻高效的新型碳降解鏈條。這一“碳反轉”機制揭示了深部生物圈的能量來源，闡明了一個曾被認為“不可能存在生命”的高溫世界是如何通過地球化學過程與生命過程的耦合，最終支撐起一個頑強而神秘的深層生態系統。

我們團隊進一步估算，這部分碳的活化所產生的生物可以利用碳比例可超過總有機碳的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碳總量高達15000000Gt（相比之下，全球海水的總碳量僅39000 Gt），因升溫過程而轉變為可利用有機碳的量依然可觀。

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：中國科學院華南植物園）

這項研究的重要發現之一，是為深部生物圈的存活之謎提供了答案。過去，科學家一直困惑：既然深埋的有機碳幾乎難以降解，那這些生活在數百萬年沉積物中的微生物是靠什么活下去的？現在我們知道，隨著沉積物溫度逐漸升高，難降解的有機碳會被逐步分解，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，微生物的生命活動并不是憑空發生的，而是與沉積物中碳的溫度驅動轉化緊密聯系。

另一方面，這一發現也改變了我們對全球碳循環的理解。長期以來，海底沉積物被視作一個穩定的“碳保險箱”，似乎可以把碳牢牢封存在地球深處。然而，這項研究表明，當溫度超過一定閾值，這個保險箱并非絕對安全，部分碳會被重新釋放并進入生物利用鏈條。這種溫度觸發的“碳逆轉”，可能在全球范圍內影響深部碳的長期儲存和釋放。

出品：科普中國

作者：甘淑釵 王法明（中國科學院華南植物園）

監制：中國科普博覽