為什麼深海熱泉會聚集有大量生物？

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這個故事要從三十多年前說起。

為什麼大家對熱泉（Hydrothermal Vents）這麼感興趣呢？因為這一個『不久』以前的發現，改變了人類對生命的認知。在此之前，人類認為陽光是生命存在的必備要素，而光合作用是唯一的將無機物轉換成有機物的形式。鑒於地球上絕大多數生物都是異養生物（是的，包括人類），意味著這些生物體無法自己合成生命所需的有機物，光合作用被認為是一切生命的基礎。而可見光在海水中是指數遞減的，如下圖所示：

（http://oceanographyclay1987.blogspot.com/2010/10/light-attenuation-in-ocean.html）
不同海域光強遞減的係數不一，所以光能穿透的深度也有所變化，但是大約都在二三百米以內（開闊大洋深於近海）。和全球大洋平均深度4000米相比，光能穿透的區域只是薄薄的一層水體。而絕大部分的海洋，是一片黑暗。所以在人類的認知中，這一片諾大的黑暗中，是無法存在自給自足的生態系統的。

『深海必然是黑暗且低溫，一片荒蕪。』

但一直以來，地質學家們都存在著另一種猜想。大家知道，地球並不是一個完整的球，而是由不同板塊拼接而成，而這些板塊時刻都在移動。在各個板塊邊緣相接的地方，板塊撞擊會導致岩石堆起，而地殼內的熔漿從撞擊的空隙中湧出，再順著抬起的岩層流下，並在低溫環境中迅速冷卻，凝固。這一層層的岩漿堆積，形成了海洋中的『山體』，稱作大洋中脊。地質學家們認為，在大洋中脊周圍新地表形成過程中，岩石在遇冷收縮的時候，地表必然留下許多縫隙。冷海水流入縫隙，遇到地表內熾熱的岩石，會被反噴回海底，形成後來被命名為『熱泉』的區域(見下圖）。許多實驗和探索也逐漸給這一猜想提供了線索：例如發現海底『高溫』的海水水團，某些海底豐富的礦藏等等。當載人潛水艇逐漸成為可靠的科考設備後，親自去海底尋找熱泉成為了一件勢在必行，迫在眉睫的事。

然而在當時，大家的認知還是光=生命，所以當一群科學家（靦腆的地質學家）坐著科考船踏上尋找熱泉的征途時，沒有人想到要帶一個生物學家。而1977這次去往Galápagos Rift的探索，成為科學史最重大的發現之一，它完全改變了人類對生命的認知。

在科學家們下潛之前，他們首先送下了名為ANGUS的探測儀器，它用於探測並實時返回溫度，經緯度，深度等各個信息，用於定位，並以每10秒一次的頻率拍攝照片。在12個小時的探測中，ANGUS一共拍攝下三千多張照片。科學家洗出照片，並一張張與其記錄的水溫等數據對比。在這12小時的數據中，反饋的水溫一直維持在2攝氏度左右，而有短短的三分鐘，ANGUS探測到了一段升高的水溫。於此同時，ANGUS拍攝到的13張照片中，出現了大量的白蚌和棕色的貽貝。這是人類史上第一次發現生活在深海，不需要陽光的生物。

（WHOI檔案庫）

科學家們激動不已，無心入眠！

第二天日出時分，Alvin駕駛員Jack Donnelly，帶著兩位地理學家 Jack Corliss and Tjeerd van Andel，直奔ANGUS記錄的坐標點。當Alvin按計劃降落海底，揚起的塵土回歸平靜後，Alvin的探測頭記錄下了水溫，8攝氏度，人類第一次正式發現了海底熱泉。

即便有之前的照片作鋪墊，Alvin內的兩位科學家加上駕駛員面對周圍活著的各種生物，這種驚奇程度，應該不亞於發現外星生物。Alvin配備的採樣器收集了一些生物樣本，如下圖。

(WHOI 檔案）

然而問題來了，出海的這些科學家中沒有一個生物學家，自然不會隨身攜帶保存生物樣品的化學試劑。幸好隨行的一個研究生帶了一小瓶甲醛，才得以保存了一些珍貴的樣品。其實這些地質學家也不是沒有努力，他們使用了能找到的最接近甲醛的東西：在巴拿馬購買的戰鬥種族伏特加。然而這也並不足以保存所有的樣品。但不管怎麼樣，這是第一批生活在人類想像之外的生物。

這個改寫教科書的故事，就從這兒開始了。

前面講到光合作用將無機物轉變為有機物，為世間大部分生物提供物質基礎。那麼在這樣陽光無法到達的海底，存在著龐大的生態系統，起始的能量是從哪兒來的呢？當科學家們取出Alvin採集的海水樣品，一股強烈的臭雞蛋氣味把所有人都熏了出去，不用分析也知道這獨特的氣味來自什麼物質：硫化氫。生物的進化一般都有著『隨遇而安』的特性，那麼環境中如此豐富的硫化氫，對這個生態系統，到底有怎樣的作用呢？

其實早在1890年，Winogradsky就提出了一種新的生命過程，化能自養（chemosynthesis）。直到快九十年後，這一構想才被得到證實。當時在哈佛讀博的Colleen Cavanaugh提出了和熱泉口常見的巨型管蟲（(Riftia pachyptila）共生的一種細菌可以通過氧化硫化氫來獲取能量從而將無機碳轉化為有機碳。Cavanaugh後來也通過一系列培養實驗證實了這一假設。而在之後的時間裡，人們不斷發現新的細菌以及古細菌具備這種化能自養的生存方式，而其所獲取能量的渠道也不僅限於氧化硫化氫，二價鐵，二價錳，氫氣等還原性物質都可以成為他們獲取能量的元素。這一不依賴於陽光的自養形式，為熱泉生態系統提供了最重要的物質基礎。而從地殼內噴出的海水（有些還夾雜著地殼的孔隙水）帶來了豐富的硫化氫以及礦物質，支持著這些細菌和古細菌的生長和繁殖，作為生物鏈的底層，它們進而支撐了從簡單的原生生物到大型魚類的生物網。

（巨型管蟲，wikipedia）

前面 @喵魚醬提供了一張全球熱泉分布的地圖，這許許多多的熱泉由於其深度，位置等不同，所富含的化學成分也不盡相同。例如夏威夷底下的Loihi Seamount的熱泉液富含二價鐵，二氧化碳，甲烷，銨鹽。而位於大西洋中部中脊的Lost City(因大量碳酸鈣為主的煙囪狀熱泉口而得名，如下圖）則富含氫氣和硫化氫。熱泉液不同的化學成分組成決定了細菌和古菌以及一些簡單真核生物多樣性的不同。雖然對大型生物來說，流水的細菌，鐵打的晚餐。但對全球物質地化循環來說，這些豐富的微生物多樣性起到了十分重要的作用。許多深海生物/化學/地質學工作者，還在為此進行不斷的探索研究。

（Lost City, NOAA)

海洋覆蓋了地球71%的地表面積，而大洋深處的地表，對於我們來說，還是一片無限的未知。時至如今，人類對外太空的認知已然超越了對海洋的了解，地球的海洋。也許在這一片蔚藍以下所蘊藏的秘密，將一次又一次，改寫人類對自然的理解。

主要參考資料：
http://www.divediscover.whoi.edu/ventcd/pdf/SFChr3777.pdf
Hydrothermal vent distribution along the East Pacific Rise crest (9°09′
Chemical speciation drives hydrothermal vent ecology : Abstract : Nature

讓我們換個場景考慮一下：在一片荒涼的非洲草原，哪些地方會小面積聚集大量動物？動物又為什麼會聚集在這裡？

食物、水源，是陸地生物生存所必需。有食物與水源之處，勢必有大量生物，有的生物甚至是冒著生命危險盤踞與此。

深海同樣營養貧瘠，這裡沒有太陽光，沒有海藻和海草進行光合作用產生有機物為生物體提供營養。它們該怎麼辦呢？普通深海區的生物主要依賴于海水水體上層的生產者和消費者「施捨」下來的有機物碎屑顆粒生存（吃人家的殘體啦蛻皮啦糞團啦……）。而有些傢伙，生來幸運。

攝於西南印度洋熱液區，大洋35航次，蛟龍號。

海底熱液區的環境非常特殊。熱泉在冒出地面時，在出口處形成了類似煙囪外形的石柱，而從煙囪當中湧出的熱液溫度很高，最高可達400°C。在熱液的出口區有大量的硫化氫。如此高溫高濃硫化氫的環境，本應殺死不少常識範圍內的生物，可相反，熱液噴口的生物們卻需要這樣的環境來養活。這主要得益於大量在這裡生活的能氧化硫的細菌。這些細菌能夠氧化熱液當中的硫化氫並獲得能量，然後還原二氧化碳，將其轉變為有機物質。

這些細菌就是化能合成細菌，除了上面說的氧化硫的細菌，還有其它能夠利用甲烷、氨氣等作為能源來形成有機物質的細菌。它們都是熱液噴口生物群落的主要生產者。

有了這些生產者，熱液噴口區的生物的食物來源有了保障。而且，這些生產者的生產量還相當高，據估計，它們的生產量可能是其上層生產者光合作用量的2~3倍。食物多了，熱液區也就熱鬧起來了。

然而，由於熱液噴口區具有高溫、高硫化氫、低含氧量、低pH的環境條件，而且波動又特別大，噴口時而還冒出有毒的金屬硫化物沉澱。能夠適應這種環境的生物種類並不多，熱液區90%以上的物種是這類生境特有的物種，生物數量多、物種多樣性不高是熱液區的一大特點。（於是我經常腦洞熱液口區幾個熱鬧的大家族聚在這裡，家族人多，互相熟悉，成天嘮嗑的感覺……）

綜上，深海熱泉聚集大量生物，是因為在貧瘠的深海，熱液噴口給棲息周邊的生物帶來了豐富的能量來源，化能合成細菌藉此給大家生產了豐富的食物，使得熱液噴口的消費者們衣食無憂~~~~

圖中這個是熱液口的一大特徵物種，是一種大型管棲蠕蟲。

迄今為止在全球發現的熱液噴口分布圖。最新版可下載後前往谷歌地球看看→Maps | InterRidge Vents Database Ver. 3.3。

圖片均來自網路，有標出處的來自出處，沒有標的看水印即出處。

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評論區有不少疑問，我稍微補充一點內容。

關於熱泉的形成過程：

海水通過深海底的洋殼縫隙滲透到洋殼深部

→洋殼深處炙熱的岩漿、新生的熱地殼或玄武岩蛇紋石化時放出的熱量加熱了這些海水

→高溫海水再從縫隙中溢出或噴涌而出，回到深海底。

因為海水能夠滲透到洋殼2~3km深處，被加熱後的海水溫度可達600°C。噴口處雖然降溫了，也能達到400°C。當然，深海海底平均溫度只有2°C左右，所以熱泉周邊呈現的是溫度驟降的場景。

煙囪的材料，也就是噴口周圍沉澱的硫化物柱體怎麼來的：

高溫海水經過岩石

→淋濾出了岩石中的金屬元素和硫化物

→熱液與周圍的低溫海水混合，由於溫度和化學成分的顯著差異發生了反應

→海水由清澈變得渾濁，形成了熱液柱羽狀流，並形成了煙囪

熱泉都位於地質活躍區？

根據現在所探索發現的現代熱液口分布來說，是的。現在發現的熱液噴口主要分布在洋中脊、弧後盆地和板內火山等等。看看地圖，夏威夷熱點就很典型。

海底那麼冷，大家聚在一起開開心心吃火鍋才是正道

其實也沒什麼為什麼，只是在這種環境下，慢慢進化出來一些生物適應了而已~
能量來源嘛樓上說的比較完整了，多數是厭氧嗜熱菌，化能自養形式。
至於耐熱機理，看這裡100℃ 開水能不能殺死微生物？為什麼？ - 巴頓的回答
當然僅限於微生物~其他的生物就不了解咯~

在深海這種極端條件下生活的有很多是上古時期的生物。
在原始大氣的環境下空氣中都是硫化氫並沒有氧氣存在、那時的生物都是以硫為生存條件的。隨著噬硫菌的出現，這一部分細菌可以消耗硫化氫產生氧氣，從而慢慢改變大氣成了我們今天的樣子。
但是上古時期的那些僅僅以硫為食的生物還有部分被封印在海底熱泉中，這裡高溫高壓缺氧，還有大量的硫。

已經有同學很認真的回答了這個問題，那我就說一點海底熱液噴泉的重要性。

這個發現之所以引起廣泛關注是因為科學家相信地球上的生命或許是在黑暗海底靠近熱液噴口的地方開始。因熱液噴出時形似「黑煙」，因此該高溫熱液活動區被稱之為「黑煙囪」。海底熱液會帶出大量的硫化物，遇水冷卻後形成巨大的「黑煙囪」。水攜帶的可溶性化學物會提供營養給生態系統中的微生物。

如果生命的確是從熱液噴口產生的那同樣的情形有沒有可能在木衛二Europa也發生呢？（Europa上的海洋總量比地球的海洋多了兩到三倍。）NASA在未來發射的Europa快艇探測計劃將對這一情況進行探測。

開個腦洞。最近聽說有人在溫泉中發現一些耐高溫的光合細菌，它們能利用的光譜範圍一直延伸到紅外。似乎還沒有可重複的結果出來，但我覺得也不能排除深海溫度高的地方有類似細菌利用紅外光進行光合作用。當然這些細菌的光合色素不是葉綠素，葉綠素的能級最低也要紅光，紅外是不行的。

因為有能量啊，生物體說白了就是能量體

圖三是白灼龍蝦

把自己當做海底的生物……

是不是因為別的地方凍得慌，大家聚在一起才有樂子，然後慢慢就產生了食物鏈以及生態系統

深海熱泉及靠其提供能量的生物構成一個獨立於光合作用之外的生態系統。

S元素主導

因為和原始海洋的環境更想似嗎

其實大氣層中也有大量的透明生物，曾經出現過這種生物大量捕殺鳥類時間，生物無處不在，只是人類尚未發現

記得看過一本科普性質的書，說生命的起源就是這些奔騰的熱泉貌似叫海洋，記不太清了

不懂強答：因為那裡有好吃的

因為那裡有食物，不待那裡就會死掉

與下圖道理相同…