海底热泉生态系统

1978年，美国阿尔文号载人深潜器上的地质学家们首次在东太平阳洋中脊的轴部采得由黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿组成的硫化物。1979年，阿尔文号在同一地点深度约2610~1650米的海底岩石上发现了数十个冒着黑色和白色烟雾的烟囱，以及附近的铜、铁、锌硫化物堆积形成的山丘。由此拉开了对海底热泉的研究热潮。2012年5月23日约下午6时，我和刘洋、牛宝东、孙泽宇四位同学经不知道多长时间的讨论，确定以深海热泉作为我们今天的PPT主题。我们四人使用当代网络最先进的两大主流搜索引擎-百度、谷歌-收集资料，呕心沥血制作了这个PPT，与大家共享。

任何生物都是生活在特定的无机环境中，所以是先有无机环境，后有生物。我们依照由先到后的顺序来介绍。所以，首先我们来了解深海热泉的运行机制。深海底层水沿地壳缝隙深入地下，遭遇1200摄氏度的岩浆后膨胀沸腾，沿缝隙快速上升到达洋底喷涌而出。同时底层水在经历岩浆加热的过程中，从岩浆中获取了大量矿物质，在到达洋底后，与大约2摄氏度的底层水相遇后急速冷却，其中矿物质凝结成矿物颗粒，形成白烟或者黑烟。矿物颗粒在热泉周围沉积，形成烟囱状的堆积。由此可见，深海热泉的运行机制与陆地上的温泉没有太大区别，但是由于它身处大洋底部，巨大的压力使得热泉水在400摄氏度时依旧不沸腾。同时由于周边冰冷的底层水，热泉四周产生了奇特的地理景观，那就是烟和烟囱。下面我们先来介绍烟。

热泉中冒出来的烟是裹挟着矿物颗粒的、炽热的深海热泉水。它的颜色主要有两种，黑色和白色。烟的颜色与热泉水的矿物成分密切相关，黑色的烟中含有铁、铜、硫、锌等矿物元素，遇海水结晶形成褐色或黑色的金属硫化物，从而令烟显示黑色。而白色的烟中主要含有钙、镁、钡、硅以及硫酸盐的成分，形成白色的重晶石、二氧化硅，从而令烟显示白色。同时，烟的矿物成分又与热液温度有关，在320~400摄氏度之间的通常是黑烟囱，100~320摄氏度之间的通常是白烟囱。喷发物中大多含有硫化物，对现在的绝大多数陆地生物是剧毒，但是这些硫化物是构成深海热泉生态系统最重要的物质基础，是这个生态系统中生物的主要能量来源，这一点在深海热泉生态系统中将详细介绍。

热泉喷发物在遭遇冰冷的海水后，其中的矿物质很快结晶沉淀，同时由于大洋底层水流速缓慢而稳定（0.1cm/s），矿物颗粒就在热泉周围形成了烟囱状的堆积。烟囱的颜色与烟的颜色相关，黑烟的堆积物通常是黄褐色的，其中含有大量灰色磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿和铜铁硫化物。问题一…………。白色的烟主要形成白色的堆积物，主要含闪锌矿、黄铁矿以及硫酸钙等矿物，所以呈现白色。热泉喷发时间从数年到数百年不等，大部分沉积物随着上升的热液流扩散到大洋底层水中，对大洋的化学成分有着巨大的影响。小部分的沉积物在热

泉附近堆积，形成具有巨大开发价值的热液矿床。这些沉积物中含有大量金属元素，除了较多的铜、锌、锰、钴、镍外，还有金、银、铂等贵重金属。虽然沉积下来的矿藏只是喷发物的一小部分，但是它的储量绝对不小，国际大洋钻探计划对美国西北岸外的胡安德富卡海脊北部被沉积物覆盖的中谷矿床的钻探显示有800至900万吨的硫化矿。在对位于北纬26度太平洋中脊水深3，650米处的TAG活动热液丘钻进125米后发现，海底表面约有硫化矿270万吨，表层内矿床约有120万吨，海底最大的已知硫化物矿床为红海的阿特兰蒂斯II海渊。阿特兰蒂斯II海渊的矿化物主要是金属软泥，不是块状硫化物。对面积40平方公里的矿床所作的详细评价显示，矿床有9，400万吨的贫铅银矿石，贵金属的总含量约为银4，000吨和金50吨。在经济利益的驱动下，深海热泉的研究才能如此势不可挡。当然，深海热泉的价值不仅在于它巨大的热液矿床，它独特的生态系统也是热泉能吸引科学工作者前仆后继的一大原因。

热泉生态系统由于身处大洋底部，阳关不可能照射到哪里，热泉也就处在永恒的黑暗之中。由于热液中大量存在的硫元素，热泉附近形成了不同于陆地和大洋表层的生态系统。这个生态系统的特立独行是由它的生产者决定的。热泉生态系统的生产者是硫细菌。硫细菌并非一个特定的物种，而是一类能够通过氧化硫化物获取能量的原核生物的总称。生活在热泉附近的生物，绝大部分直接或间接地以硫细菌为食。由于热泉独特的生活环境，热泉周围的生物更是千奇百怪，打破了人们对于生物的一般认识。下面我们将介绍几种典型的深海热泉动物。

巨型管虫，直径5-8厘米，身长3米，生活在巨大的白色管状结构内，前端暴露在水中，环绕生长着血红色的触手，血红色来自于血红色素。血红色素在管虫体内的功能在于吸收氧气和硫化氢，然后将氧气运输到管虫身体各部位，供呼吸作用所需。同时将硫化氢运输给生活在管虫体内的硫细菌，以供硫细菌生长繁殖。管虫与硫细菌形成了共生体，长期共生的过程中，管虫进化出了专门供细菌生活的结构，叫做营养体。

接下来是罗希虾，罗希虾又叫盲虾，视觉退化，以硫细菌为食。在罗希虾的背部有适宜硫细菌附着生长的地方，当硫细菌长到一定厚度的时候，罗希虾就用钳子将硫细菌从背部刮下来。罗希虾虽然视觉退化，但是在它的背部有感官组织，可以感知红外线。由于热泉的喷发强度不稳定，罗希虾借助这一热感受器保持与热泉适当的距离，避免被炽热的泉水灼伤。

多毛雪蟹是生活在热泉周围的甲壳类群居动物，常成群结队在热泉附近爬行，绒毛是它的感觉器官，用以感知微小的振动，捕捉小动物。同时，绒毛还是硫细菌的生活场所，当绒毛蟹饥饿时，会从绒毛上刮取硫细菌充饥。巨型蛤体长可达23厘米，它的口和消化系统退

化，足和鳃异常发达。由于退化的口和消化系统，巨型蛤并不摄食，在它的鳃上生长着大量的硫细菌，为巨型蛤提供养料。巨型蛤通过鳃的运动为硫细菌提供新鲜的热泉水，满足细菌对硫化氢的需求。发达的足也有巨大的实用价值，蛤将足插进热泉周围的岩石缝隙中，通过足的摆动调整与热泉的距离。

当然，热泉中最有名的是一种极限生物——庞贝蠕虫。它的靠近热泉的一端可以生活在81摄氏度的高温之下，而远离热泉的一端则处于20摄氏度的海水中，它偶尔也会离开寄居的几丁质外壳，到周围2摄氏度的大洋底层水中游动，是现今发现的最耐高温和最耐温差的动物。庞贝蠕虫同样不摄食，靠寄居于体内的丝状细菌的分泌物为生。

另外，热泉附近还有粉色的海葵、章鱼、海百合、七角的海星等众多奇特的底层生物，这里不再一一介绍。我们可以归纳出热泉动物的几个共同点：1、体表不含色素，通常是白色或粉红色。1、视觉退化，但是有感受红外线的能力。3、热泉动物绝大多数直接或间接地以硫细菌为生。

研究海底热泉具有重大的经济和科学价值。首先，热泉喷发物沉积形成的热液矿床富含金属元素，可以作为新的矿石来源。热泉周边环境与地球早期环境非常类似。而且，海底热泉不受地表气候影响，也就可以躲过地质历史上多次的全球性物种大灭绝，那么，热泉生物应该非常接近于生物界的祖先，研究热泉生态对于解密生命起源意义巨大。热泉向我们展示生命的另一种可能形式，开阔了人们的思维，为寻找地外生命提供了重要参考。所以，才形成了如火如荼的研究热潮。这也是我们选择这一主题的原因。