深渊元素和同位素地球化学

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深渊元素和同位素地球化学

       

深渊生物学(Hadal Biology)主要研究6500米以下的海沟中生命有机体,严格来讲,深渊生物学不是一个独立的学科,而是将生物学的研究手段运用于研究深渊生物。深渊生物学家们想知道海沟中生物的起源,分布,形态和结构,进化与演替的特征和生物生命过程的活动规律,所以我们可以说,深渊生物学是海洋科学的一个分支学科,也是生命科学的一个重要组成部分。

深渊区主要独特的环境特征:1)深渊区没有光线,完全是黑暗的,不能进行光合作用,生物所需的能量主要来自上层水体中的生源有机碎屑;2)海水压力随深度的增加而增加,深渊区存在650~1100个大气压的静水压力,这么高的压力对海洋生物的生命活动、新陈代谢以及生理生化会产生很大的影响,例如,高压会抑制或提高酶的催化作用;3)深渊区的水温变化较小(1.0~2.5℃),大多数区域温度在2℃左右;4)深渊水体中的溶解氧对生物的生存是比较重要的,通常深层海水中的溶解氧能够满足生物的需要,不是深渊生物的限制因素; 5) 深渊海水会沿一定途径流动而形成底层海流,这种海流对深渊区的多种物理、化学、生物和地质过程都有影响和制约的作用。
 
深海中生活着许多不为人类所知的海洋生物,全球深海中的生物估计有50万到1000万种。但到目前为止,海洋到底有多少种生物,我们无法进行精确估计。20世纪末期,来自全球不同领域的海洋生物学家启动了 “全球海洋生物普查计划”(Census of Marine Life, CoML, 2001-2010)。目前,该计划已吸引了80 多个国家2700多位科学家参与。该普查计划10 年间共发现6000 多种新物种(http://news.sina.com.cn/w/p/2010-10-05/101321221071.shtml)。英国阿伯丁大学和日本东京大学合作成立了深渊环境和教育计划(HADEEP,2006-2013),该计划从2007 年开始,启动了HADEEP,HADEEP2 和HADEEP3,在日本海沟、马里亚纳海沟、克马德克海沟、汤加海沟等执行了11个深渊调查航次(Jamieson et al., 2010),取得了许多重要的研究成果,发现了许多的新物种,如在日本海沟7,703 m处发现了体长达30 厘米的拟狮子鱼(Pseudoliparis amblystomopsis)。在海底6,000 m以下,主要以端足类动物为主,如在日本海沟7,703 m 处发现两只未被鉴定巨型端足类,一只未被鉴定的另一种巨型端足类;在10,000 m 的汤加海沟发现了成千上万的端足类动物Hirondellea dubia,在8100m 的Izu-Ogasawara 的海沟也发现了端足类。Jamieson 等首次报道了在西南太平洋的克马德克海沟存在超大的端足类动物(Jamieson et al., 2013)。以上研究彻底改变了人们的认识,在6500 m 以下不仅有大量的生物存在,而且在海沟中的许多生物都是特有的。2014年,Yancey等根据狮子鱼体内氧化三甲胺(TMAO)的浓度推测8200米是鱼类生活的极限海洋深度(Yancey et al., 2014),目前在马里亚纳海沟发现鱼类的最大深度是8145 m。

深渊和深部生物圈中微生物也是广泛分布的,2015年Nunoura等调查了马里亚纳海沟挑战者深度从表层到10257 m古菌和细菌的群落结构(Nunoura et al., 2015),发现6000 m 以下水体中微生物的群落结构与深海中的微生物群落结构明显不同,在深渊区无机化能微生物的丰度要比表层低很多,提出深渊微生物的生态是由深渊水体有机物质的内循环驱动的(endogenous recycling of organic matter in the hadal waters)。另外,2011 年Eole 等报道了用宏基因组的方法调查了波多黎各海沟在6,000 - 8,300 m水体中微生物的群落结构,发现悬浮颗粒物和浮游微细菌的群落结构有较大差异,而古菌的群落结构没有发现很大的差异(Eole et al., 2011a)。另外,Yayanos早在1981年就从深渊中分离到了嗜高压细菌Colwellia sp. MT41最适生长压力是103 MPa (Yayanos et al., 1981), 随后在马里亚纳海沟的沉积物中 (Kato et al. 1998)、波多黎各海沟悬浮颗粒物中 (Deming et al. 1988)和菲律宾海沟腐烂生物尸体中(Deming et al. 1988),都分离到了不同的嗜压菌。而且1999 法国科学家Birrien et al.在洋中脊4100m 处分离到的Pyrococcus yayanosiisp(CH1)最为著名,这是迄今为止分离到的水深?最深的古菌,该菌株能在20-120Mpa 下生长,最适生长压力是52Mpa(Birrien et al., 2011)。
 
目前,由于受深海采样技术的限制,获得有价值的样品是深渊研究的一个主要瓶颈,还有很多深渊生物学方面的科学问题值得我们去探讨。比如深渊区中鱼类生长的最大深度是8145 m吗?这些生物是如何适应这种高压环境的?以及它们体内的蛋白质以及酶的结构和功能随着压力和温度的变化是什么?不同的深度之间的生物群落是如何保持联系的以及它们的演化的策略是什么?另外,我们还缺少对深渊微生物组学方面相关的研究以及代谢通路的研究等等,一系列的问题需要亟待解决。

研究组成员:
方家松,博士,教授;
魏玉利,博士,讲师
 
研究方向 (Research Topics)
1)嗜高压微生物的分离、培养和分类(Isolation, cultivation, and taxonomic studyof piezophilic microorganisms);
2)嗜高压微生物的组学研究 (The omics study of piezophilic microbes);
3)嗜高压微生物的新陈代谢研究 (Metabolism of piezophilic microbes);
4)生物对环境的适应机制和演化研究 (The mechnisms of adaption to and evolution in the hadal environment);
5)耐高压蛋白质的结构和功能研究 (Structure and functionality of high pressure-adapted proteins; influence of pressure on gene and protein expression)。


近期代表性论文专著:
·       Li, J., Wei, B., Wang, J., Liu, Y., Dasgupta, S., Zhang, L., Fang, J*., 2015. Variation in Abundance and Community Structure of Particle-Attached and Free-living Bacteria in the South China Sea. Deep-Sea Research II, doi:10.1016/j.dsr2.2015.07.006.
·       Wang J., Wei Y. *, Wang Peng, Hong, Yiguo, Zhang Chuanlun L. 2015. Unusually low TEX86 values in the transitional zone between Pearl River estuary and coastal South China Sea: Impact of changing archaeal community. Chemical Geology, 402: 18-29.
·       Wang, J., Li, J., Dasgupta, S., Zhang, L., and Fang, J.*, 2014. Alterations in membrane lipid composition of piezophilic Gram-positive bacterium Sporosarcina sp. DSK25 at high pressures. Lipids, 49, 347–356.
·       Wei Y., P. Wang, M. Zhao, X. Li, H. Lu, C. Zhang. 2014. Lipid and DNA evidence of dominance of planktonic archaea preserved in sediments of the South China Sea: insight for application of the TEX86 proxy in an unstable marine sediment environment. Geomicrobiology Journal, 31(4):360-369.
·       Wang P., Y. Wei, T. Li, F. Li, J. Meng, C. Zhang. 2014. Archaeal diversity and spatial distribution in the surface sediment of the South China Sea. Geomicrobiology Journal, 31(3):1-11.
·       Paraiso J., A.  Williams, Q. Huang, Y. Wei, P. Dijkstra, B.  Hungate, H.  Dong, B. Hedlund and C. Zhang. 2013. The distribution and abundance of archaeal tetraether lipids in U.S. Great Basin hot springs. Frontiers in Terrestrial Microbiology, doi: 10.3389/fmicb.2013.00247.
·       Hedlund B., J. Paraiso, A. Williams, Q. Huang, Y. Wei, P.  Dijkstra, B. Hungate, H.  Dong and C. Zhang. 2013. Wide distribution of autochthonous branched glycerol dialkyl glycerol tetraethers (bGDGTs) in U.S. Great Basin hot springs. Frontiers in Terrestrial Microbiology, doi: 10.3389/fmicb.2013.00222.
·       Wang S., R. Dong, C. Dong, L. Huang, H. Jiang, Y. Wei, L. Liang, D. Liu, G. Yang, C. Zhang, H. Dong. 2012. Diversity of microbial plankton across the Three Gorge Dam of the Yangtze River, China. Geoscience of Frontiers, 1-15.
·       Zhang C., J. Wang, Y. Wei, C. Zhu, L. Huang, H. Dong. 2012. Production of branched tetraether lipids in the lower Pearl River and estuary: effects of extraction methods and impaction on bGDGT proxies. Frontiers in Terrestrial Microbiology, 2:1-18.
·       Wei Y.,  J. Wang, J.  Liu, L. Dong, P. Wang, M. Zhao, L. Li, C. Zhang. 2011. Spatial Variation in archaeal lipids of surface water and core-top sediments in the South China Sea: implications for paleoclimate studies. Appl Environ Microbiol, 77(21):7479-7489.
·       Wang P., T. Li., A. Hu, Y. Wei, W. Guo, N. Jiao, C. Zhang. 2010. Community Structure of Archaea from Deep-Sea Sediments of the South China Sea. Microb Ecol, 60:796-806.
·       魏玉利, 王鹏, 赵美训, 张传伦. 黑潮源区沉积物微生物多样性初步研究. 地球科学进展, 2009, 25 (2): 212-219.