5°C升温，海洋氨氧化古菌铁需求锐减80%，效率却大增！海潮天下

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▲上图：研究团队发现，一种适应性极强的海洋古菌在气候变化背景下展现出惊人的生存韧性，未来将在重塑全球海洋生物多样性中扮演关键角色。©Fred Zwicky

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随着气候变化的持续加剧，海洋表层的升温正在悄然向深海扩展。这一变化为深层水域的生物带来了巨大挑战，同时也催生了新的适应机制。2026年3月2日，《美国国家科学院院刊》发表的一项研究揭示了一个有趣的现象：海洋中的氨氧化古菌（Nitrosopumilus maritimus）在面对变暖且营养匮乏的环境时，竟然展现出了令人惊叹的生存能力。这些微小的生物占据了海洋微生物浮游生物的30%，是维持海洋氮循环的核心力量。这个研究团队由伊利诺伊大学的微生物学教授秦玮（Wei Qin，音译）领导，他们发现，这些古菌通过一种“节能模式”在高温和资源匮乏的环境中成功生存。

长期以来，科学家认为深海水域相对封闭，受表层变暖的影响有限。但秦玮指出，海水升温的效应其实已经渗透到了1000米、甚至更深的海域，这对深海古菌的生存方式产生了深远影响。尤其是在铁元素的使用上，海洋氨氧化古菌依赖铁这一关键金属来维持生命活动，而铁在开放大洋中本就稀缺。

研究人员模拟了不同温度和铁浓度的环境，发现当铁元素极度匮乏时，温度升高反而促使古菌减少对铁的总需求、提升了铁的生理利用效率。这种机制意味着，未来温暖的海洋将让这些古菌以更低的能耗维持其重要的生化功能。

利物浦大学的亚历山德罗·塔利亚布（Alessandro Tagliabue）运用全球海洋生物地球化学模型，进一步验证了这一发现。他的模拟结果显示，在全球气候变暖的大背景下，分布在缺铁海域的深海古菌群体不仅不会退缩，反而可能在氮循环和支持初级生产力方面发挥更大的作用。这一发现具有重要意义，因为这些微生物在维持海洋食物链底层稳定方面起着决定性作用，它们调节着海水中的氮元素形式，直接影响浮游生物的生长、繁殖。

据报道，为了将这些实验室中的发现与复杂的自然海洋环境相结合，秦玮教授与南加州大学的戴维·哈钦斯（David Hutchins）计划在2026年夏天进行一项规模庞大的海上考察。

他们将担任西库里亚克号（Sikuliaq）科考船的首席科学家，带领一支20人的科研团队，从西雅图出发，横跨阿拉斯加湾前往北太平洋的副热带环流区。此次考察的主要目标是验证温度变化与金属元素限制如何在自然海域中影响古菌群落的生存和功能。研究团队将在不同水域采样，并开展现场实验，进一步评估深海微生物在全球变化中的弹性。这将为未来的气候预测模型提供宝贵的实测数据，帮助科学家更精准地预测海洋生态系统的未来变化。

▲上图：这艘船配备了精密的多波束测深系统和全海深探测设备。2026年夏季，Wei Qin将担任“西库里亚克”号（Sikuliaq）科考船的首席科学家。他将带领20名研究人员深入大洋，在真实的海洋环境中验证有关海洋古菌适应性的实验发现。图源：Wei Qin/illinois.edu

海潮天下（Marine Biodiversity）小编查阅资料了解到，公开信息显示，“西库里亚克”号（R/V Sikuliaq）是一艘由美国国家科学基金会（NSF）出资建造、阿拉斯加大学运营的高级极地级科考船，全长80米，其加固的船体具备在0.76米厚的新生冰层中连续破冰航行的能力。该船的主要母港位于阿拉斯加的苏厄德（Seward）。这艘船配备了Kongsberg EM 302和EM 710等高端多波束测深系统，能够进行深海地形测绘和全海深采样，支持深海微生物等高精度研究。可搭载24名科学家在北极及全球偏远海域执行长达数周的复杂任务，是研究气候变化、深海微生物及海洋生态演变的核心科研平台。

感兴趣的海潮天下（Marine Biodiversity）读者可以参看该研究的全文：
Qin W, Tagliabue A, Hou L, et al. Ocean warming enhances iron use efficiencies of marine ammonia-oxidizing archaea[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026, 123(10): e2531032123.

什么是海洋氨氧化古菌?

海洋氨氧化古菌（Nitrosopumilus maritimus）是海洋中最微小的生命形式之一，虽然直到2005年才被华盛顿大学的大卫·斯塔尔（David Stahl）团队从西雅图水族馆的底泥中分离出来、并命名，成为人类已知的首个纯培养海洋氨氧化古菌。

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▲上图：在电子显微镜下，海洋氨氧化古菌细胞表面附着着数个纺锤形的病毒颗粒。这些被称为“海洋氨氧化古菌纺锤形病毒1型”（NSV1）的个体属于梭状古菌病毒科（Thaspiviridae）。这类病毒专门感染海洋氨氧化古菌，通过裂解宿主细胞或改变其代谢，在调节深海微生物群落结构和全球氮循环中发挥着微妙而关键的作用。图中比例尺为200纳米。图源：Jong-Geol Kim, Khaled S. Gazi, Mart Krupovic, Sung-Keun Rhee - Family: Thaspiviridae. ICTV Virus Taxonomy Profile: Thaspiviridae 2021 J Gen Virol. 2021 102(7):001631 (cropped, digitally enhanced)

它在地球化学循环中的角色至关重要。这些古菌隶属于古菌界（Archaea），是海洋中最为庞大的微生物群体之一。估计它们占全球海洋微生物总数的20%~30%。即使阳光永远无法到达的深海中，它们依然是那里的“常住居民”。虽然它们的体型微小，直径通常只有几百纳米，但它们以惊人的数量影响着海洋的生态和生产力。

海洋氨氧化古菌的核心生存技能，就是“氨氧化”。它们能将海水中的氨（NH₃）转化为亚硝酸盐（NO₂⁻）。这个过程不仅为它们提供了能量来源，更是海洋氮循环中的关键环节。通过这个转化过程，它们主宰着海洋中氮元素的不同形态，间接影响了浮游植物的生长和繁殖。

研究发现，这类古菌即使在无光的缺氧环境下也能产生氧气，这种罕见的“黑暗产氧”能力可能与其独特的氨氧化路径有关。这种古菌在碳固定方面表现出极高的能效。不同于许多细菌使用的卡尔文循环，海洋氨氧化古菌利用一种名为3-羟基丙酸/4-羟基丁酸的代谢途径来同化无机碳。

这些古菌在资源贫乏的深海环境中展现了惊人的适应能力。深海的氨浓度通常低得几乎无法察觉，往往低于百万分之一摩尔；但海洋氨氧化古菌却有着极强的底物亲和力，能够在几乎没有氨的环境中高效地捕捉能量，并完成碳固定。这种卓越的生存技巧，使得它们在艰难的海洋环境中得以生存并发挥重要作用。

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信息源 | 伊利诺伊大学

编译 | 卢晓雨

编辑 | 海潮君

排版 | LXY

时间 | 2026年3月10日

【参考资料】
https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2531032123
http://journals.im.ac.cn/html/wswxtbcn/2015/4/tb15040774.htm
https://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/2022/1/2022192155748769208.shtm

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