深海下的生命能量来源——如何唤醒“沉睡”的碳库？

这个夏天，世界多地都经历了创纪录的高温和热浪，全球气候变暖的现实正在变得愈发清晰。我们知道，二氧化碳等温室气体在大气中的积累，是导致地球不断升温的重要原因。很多人也都知道，大气中的二氧化碳也会源源不断被植物吸收，它们会通过光合作用把二氧化碳转化为有机物。科学家们将能够大量吸收二氧化碳的地方形象地称之为碳库。

研究地球的碳储存，是应对气候变化的关键.植物充裕的森林是我们最容易想到的碳库之一。但除了森林之外，海洋其实才是最大的碳库，海洋中巨量的浮游植物在吸收二氧化碳之后会把它们以不同形式储存起来：有的进入浮游植物和海洋生物体内，随食物网循环；有的以溶解有机碳的形式溶解在水中；还有一部分会随着生物死亡而下沉，深埋在海底之下。

事实上，在我们脚下深处，远离阳光和空气的地方——深层沉积物便是地球最大的碳“保险箱”。因为它们在经历数百万年乃至数千万年之后就会逐渐固结变成岩石——我们在野外见到的某些黑乎乎的岩石就是由这种海底沉积物形成的。

野外的这些黑色岩石，一般都是海底富含有机物的沉积物固结后形成的，碳被固锁在岩石中，极难被分解变成气体

（图片来源：Wikipedia）

长期以来，人们认为有机质在经历降解后结构复杂难以被生物利用，一旦埋藏便长期“沉睡”。但新的研究却发现，这个保险箱并没有我们想象中的那么安全。

完全无光的黑暗海底一向被认为是生命的禁区，而海底再向下数百米就更不可能有生命存在了。然而科学家在过去几十年的钻探和观测中，却发现了一个惊人的事实：在深海沉积物里，居然存在着数量庞大的微生物群落，被称为深部生物圈（Deep Biosphere），就像地球隐藏的“暗物质”生命世界。

这些微生物与我们熟悉的海洋生物完全不同。它们生活在数百米甚至上千米深的沉积物里，那里没有阳光、氧气稀少，温度却随着深度升高，可以达到 100摄氏度以上。有人称它为地球的“第二个生物圈”，其生物总数量甚至与地表所有原核生物数量的总和在同一数量级，是生命在高温、黑暗等极端环境下适应和存活的奇迹。

然而，深部生物圈始终是个谜。科学家已经知道，这些微生物大多是异养生物，需要依靠有机碳来维持生命。但问题在于：沉积物中的有机碳大多极其难以分解。那么，这些微生物到底靠什么获得能量？

在寻找答案的过程中，科学家们将目光投向了温度这一因素。随着沉积物不断被新的沉积层覆盖，它们会逐渐下沉到更深处，温度也会越来越高。会不会正是升温过程，让那些原本难以利用的有机碳分解，重新变成可以被微生物使用的能量？

为了验证这一假设，我们团队（中国科学院华南植物园），2025年8月20日发表在《Science Advances》的研究发现，深海沉积物中的碳循环机制会随温度升高发生根本性逆转，这完美解释了微生物在高温环境下的存活之谜。

我们团队选取了来自日本南海海槽的7.8百万年前沉积物样品。研究人员在实验室里模拟了沉积物埋藏过程中可能经历的温度环境：

20摄氏度：作为自然状态的对照；

35摄氏度：中温环境；

55摄氏度：高温环境；

85摄氏度：极端高温环境。

我们利用先进的分析方法，包括三维荧光光谱和超高分辨质谱，追踪沉积物中溶解有机碳（DOC）的数量和分子组成，并检测乙酸、氢气等小分子的变化。通过这样的实验设计，我们团队希望回答一个关键问题：沉积物中的碳，是否会因温度升高而被重新激活，从而成为深部微生物赖以生存的能量来源？

实验结果显示，温度确实扮演了重要角色：

当温度超过35摄氏度，原本储存碳的“矿物碳泵”开始反向释放有机碳，便于生物水解利用；

达到55摄氏度时，“微生物碳泵”也发生逆转，原本被微生物固定并埋藏的难降解有机碳被重新活化；

而当温度突破85摄氏度，难降解的有机碳会在非生物过程主导下“再加速”降解，分解为乙酸、氢气等小分子产物。

也就是说，这些微生物不再依赖传统的复杂共生关系，而是直接利用这些非生物过程产生的简单分子维持独立生存，重构出一条简化却高效的新型碳降解链条。这一“碳反转”机制揭示了深部生物圈的能量来源，阐明了一个曾被认为“不可能存在生命”的高温世界是如何通过地球化学过程与生命过程的耦合，最终支撑起一个顽强而神秘的深层生态系统。

我们团队进一步估算，这部分碳的活化所产生的生物可以利用碳比例可超过总有机碳的0.25%（包括非生物释放、生物代谢及已代谢矿化过程的总和）。尽管这一比例看似微小，但考虑到次表层沉积物中的有机碳总量高达15000000Gt（相比之下，全球海水的总碳量仅39000 Gt），因升温过程而转变为可利用有机碳的量依然可观。

深部碳库在加热作用下的非生物与生物耦合分解模型示意图

（图片来源：中国科学院华南植物园）

这项研究的重要发现之一，是为深部生物圈的存活之谜提供了答案。过去，科学家一直困惑：既然深埋的有机碳几乎难以降解，那这些生活在数百万年沉积物中的微生物是靠什么活下去的？现在我们知道，随着沉积物温度逐渐升高，难降解的有机碳会被逐步分解，释放出乙酸、氢气等简单分子，成为微生物的直接能量来源。也就是说，微生物的生命活动并不是凭空发生的，而是与沉积物中碳的温度驱动转化紧密联系。

另一方面，这一发现也改变了我们对全球碳循环的理解。长期以来，海底沉积物被视作一个稳定的“碳保险箱”，似乎可以把碳牢牢封存在地球深处。然而，这项研究表明，当温度超过一定阈值，这个保险箱并非绝对安全，部分碳会被重新释放并进入生物利用链条。这种温度触发的“碳逆转”，可能在全球范围内影响深部碳的长期储存和释放。

出品：科普中国

作者：甘淑钗 王法明（中国科学院华南植物园）

监制：中国科普博览