中层水生态有多丰富？马里亚纳海沟的数据首次曝光！

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马里亚纳海域位于西太平洋，是地球上最深的海域之一，尤其以马里亚纳海沟闻名。海沟的最深点是“挑战者深渊”，深度超过10900米，是已知海洋中最深的地方。该地区的形成与板块构造活动密切相关，太平洋板块与马里亚纳板块之间的碰撞和俯冲，造就了这片极具地质活性的海域。马里亚纳海域的水柱和海底环境也充满了科学价值。这里不仅有深海散射层（DSL）这种神秘的生态现象，还存在活跃的热液喷口系统，这些特殊的地质和生态特征使得该地区成为海洋学、地质学和生物学研究的重要领域。马里亚纳海域代表了地球上一些最为极端且尚未被完全探索的栖息地。

海潮天下（Marine Biodiversity）小编注意到，2025年12月15日，《海洋科学前沿》（Frontiers in Marine Science）期刊上发布了一篇由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）海洋探险部门的科学家Isabel Moyer、Adrienne Copeland、Katharine Egan和Allen Collins等人主导的研究报告，聚焦马里亚纳海域中层水的物种多样性与丰度的研究。该研究旨在填补关于马里亚纳海沟及其周围地区中层水（200米至海底）生态系统的知识空白，通过分析这一深海环境中物种的分布、丰度和多样性，为未来的深海勘探提供了数据支持和理论基础。

▲上图： NOAA的“马里亚纳深水探索”（EX1605）任务中，在遥控潜水器（ROV）中层水域观测视频片段中记录到的部分生物：(A) 一条辐鳍鱼（Actinopterygii）；(B) 一只水螅水母；(C) 一条远洋纽形动物（极可能属于深海海神纽虫Dinonemertes属）；(D) 一只管水母；(E) 一只真虾总目虾类；(F) 一个尾海鞘形幼虫；(G) 一群空枝虫（Coelodendridae）生物；(H) 一只塔形水母；(I) 一条毛颚动物。论文出处：Moyer IM, Copeland A, Egan K and Collins AG (2025)

中层水生态系统

中层水生态系统，被认为是地球上最大的生物群落之一，占全球生物量的很大的一部分。这个区域从200米的海面下延伸至海底，几乎涵盖了所有的深海区域。

中层水对全球海洋生态系统至关重要，还对碳循环和营养物质的循环起到了关键作用。不过，尽管其生态功能和生物多样性显著，这一生态系统却一直处于相对比较未知的状态。主要原因在于，传统的深海勘探方法无法有效地获取中层水的生物数据，尤其是由于其极端的深度和复杂的海洋环境，勘探工作常常面临技术和操作上的挑战。

中层水区域生物的分布特点，主要是用声学成像和遥控潜水器（ROV）影像来研究的。通常，这些水域拥有一个显著的生物群聚层——深层散射层（DSL），该层通过声学波在水下的反射表现出来。DSL是指海洋中具有高生物密度的区域，其中聚集着大量的小型浮游动物、浮游植物及其他微型生物，它们是食物链的基础，对生态系统的平衡和物种多样性至关重要。

尽管研究人员早已知道，DSL区域的物种种类丰富且多样，但具体的物种组成、丰度和分布情况一直都还没有详细的科学数据支撑。特别是在马里亚纳海沟等深海环境中，由于技术限制，探索这类深水生物群落的机会相对较少。因此，马里亚纳海沟的中层水生态系统，成为了科学界急需填补的一块空白。

▲上图：一张热液喷口“烟囱体”的照片，摄于2016年“马里亚纳深水探索”（Deepwater Exploration of the Marianas）。图源：NOAA  

马里亚纳海沟的中层水勘探

为了克服这些技术上的障碍，NOAA海洋探险部门于2016年开展了一项名为“太平洋纪念碑科学技术与海洋需求行动计划”（CAPSTONE）的大规模深海勘探任务。

在这次勘探中，NOAA的研究团队使用了最先进的遥控潜水器（ROV），并配备了高分辨率的视频摄像设备和声学传感器，经过了多次深潜，对马里亚纳海沟的中层水区域进行了比较细致的研究。这些潜水活动的深度从275米到4000米不等，包含了对深海热泉云（hydrothermal vent cloud，也可以称为深海热液羽流）附近水域的探索，以及对不同水深层次的多种生物群落进行调查。通过这次前所未有的勘探，研究人员首次收集了来自马里亚纳海沟中层水区域的物种数据，并开始深入分析这些物种的多样性和丰度。

研究方法与数据采集

本次研究的核心是利用遥控潜水器（ROV）在不同水深和不同地质特征区域进行勘探。研究人员在多次ROV潜水中，记录了在不同深度（包括深层散射层内外、以及热泉云附近）的生物影像，并对视频中的生物进行了注释。这些影像数据为物种的多样性和丰度分析提供了依据。具体的研究方法，包括使用声学数据进行深层散射层位置的识别，并通过ROV逐步上升和下降的方式，精确记录在不同深度的生物群落变化。

每次潜水的过程中，ROV都携带了高清摄像机（Insite Pacific “Zeus Plus” HD视频摄像机）和光源设备，这些设备能够提供足够的光照条件，帮助捕捉深海中的微小生物。视频数据随后被上传至SeaTube V2平台，进行实时和后期注释，所有生物均被标注到最低的分类级别，并跟世界海洋物种名录（WoRMS）数据库进行了比对，来确保准确性。

在数据分析方面，研究人员使用香农-威纳（Shannon-Wiener）多样性指数和物种丰度指标，对每个样本的物种多样性进行了量化分析。根据不同的潜水深度，研究人员将数据分为“DSL内”、“DSL外”、和“DSL上下”的不同区段，以分析DSL位置对生物多样性和丰度的影响。此外，研究人员还考虑了热泉云等特殊环境对深海物种多样性和分布的潜在影响。

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▲上图：这张胶状生物（水母）照片，是在马里亚纳海沟海洋国家保护区（Marianas Trench Marine National Monument）内的“谜团海山”（Enigma Seamount）水深3700米处进行探索时拍摄到的。摄于2016年“马里亚纳深水探索”（Deepwater Exploration of the Marianas）任务。图源：NOAA  

研究结果：
深层散射层与物种多样性

通过对78个断面的数据分析，该研究团队一共观察了到501个生物个体，涵盖22个独特的物种群体。最常见的生物类群为甲壳类（如虾和桡足类）、水母类以及辐射鳍鱼类（如鳀鱼）。在所有四个研究地点中，附肢类（尾鞘动物）、水母、箭虫和浮游海鞘等生物群体出现在所有研究区域。

生物多样性指数（H）的值从0.000到0.338不等，最多的多样性值出现在马里亚纳海沟的深部热液喷口区附近，而最少的多样性出现在远离热液喷口的水域。生物丰度的分布也表现出类似的趋势，从0到14.69个个体/分钟不等，但在不同的深度段之间，丰度的差异并不显著。

▲上图：在2016年“马里亚纳深水探索”中，遥控潜水器（ROV）“深海探索者”（Deep Discoverer）拍摄了在查莫罗海山（Chamorro Seamount）新发现的一个热液喷口场。图源：NOAA OER

这项研究的结果表明，马里亚纳海沟中层水的生物多样性在深层散射层（DSL）内显著高于DSL外部区域。

这一发现表明，深层散射层可能是一个物种聚集和生物多样性集中区域，尤其在200~1000米的中层水区域内，物种种类丰富，且种群密度较高。尽管在DSL内部的多样性较高，但在不同深度的物种丰度并未表现出显著差异，即无论是DSL上方、下方还是内部，生物的数量变化不大。

此外，在研究中，研究人员还注意到热泉云区域内的物种多样性较低。这表明，热泉云环境中的极端条件（如高温、化学物质的存在等）可能不利于中层水生物的生存，尽管这些环境对底栖生物可能至关重要。这一发现，说明深海不同环境之间存在生态差异，也为理解热泉生态系统和其他特殊环境对生物群落的影响提供了新的视角。

从物种多样性与丰度的地理和环境因素上看，该研究还表明，中层水的物种分布受多种环境因素的调节，包括水温、溶解氧浓度、光照强度和水体中的叶绿素浓度等。这些因素的变化，可能会影响深层散射层的分布范围、以及物种的迁移模式。

此外，研究还发现，许多中层水的生物展现出明显的垂直迁移行为，尤其是小型浮游生物在昼夜之间会进行大规模的上下迁移，白天聚集在较深的水域以避开捕食者，而夜间则上升至表层水域觅食。这一现象被称为“昼夜垂直迁移”（DVM），是中层水生物的重要生存策略。

这项研究提供了关于马里亚纳海沟中层水生态系统的首次详尽数据，揭示了深层散射层在生物多样性中的核心作用，也强调了深海不同环境对物种分布的影响。然而，尽管这项研究为马里亚纳海沟的生态提供了宝贵的初步数据，但仍然存在很多值得进一步探索的问题。研究人员指出，未来的研究可以继续深入分析深层散射层与其他特殊水域（如热泉区、甲烷渗漏点等）的生物群落变化，利用更先进的技术手段，如环境DNA（eDNA）采样、深海声学监测和分子生物学分析，进一步提升人类对这一深海生态系统的理解。随着勘探技术的进步，未来的研究有望更精确地揭示马里亚纳海沟等深海环境中物种分布的趋势，帮助科学家们更好地评估全球气候变化、过度捕捞等因素对这些脆弱生态系统的影响。此外，这些数据也可以为深海资源的可持续利用提供科学依据，并为保护全球海洋生态系统提供重要支持。

读而思

 【思考题】学而时习之

Q1，深海散射层为什么“种类多”但“数量不一定多”？ 这项研究发现，在深海散射层（DSL）内部，生物的种类（多样性）明显比其他水域要高，但是，生物个体的数量（丰度）却没有显著增加。这个结果跟一些传统的认知不太一样。如果深海散射层是一个“食物热点”的话，为什么生物没有更密集地聚集呢？这种现象是普遍存在于深海的规律，还是仅仅因为我们这次用ROV摄像机观测时，深海生物（比如虾或鱼）看到灯光或听到噪音就游走了，导致数据被低估了？未来用什么技术，才能更准确地数清楚深海里的“隐形生物”到底有多少？

Q2，热液喷口对水柱生物来说是“福地”、还是“禁区”呢？一般来说，海底的热液喷口会聚集大量依靠化学能生存的生物群落，形成海底的“绿洲”。但这个研究发现，热液喷口喷出的羽流区域，中层水域的生物反而更少，多样性和丰度都很低。为什么这个对海底生物至关重要的能量源，对在水柱中游动的生物来说，似乎成了一个“禁区”？是羽流的化学成分（比如高温、硫化物）不适合它们生存呢，还是因为水流太快，生物根本来不及适应就被冲走了？

Q3，这几年我国的“深渊计划”也是频登媒体报头。营养物质如何跨越数千米的垂直距离，支撑起地球最黑暗、最寒冷的深渊生命？这个NOAA的研究发现，深海散射层（DSL）是中层水域多样性的“绿洲”，它向下延伸，可能会影响深渊带的营养输入。中国深渊计划的主攻点，主要是6000米以下的深渊带。中国的深渊计划，是否已经或计划系统性地将深渊带的底层研究，与上层中层水域的DSL生态研究结合起来？如果没有，中层水域的生物分布数据（比如DSL的垂直位置和生物量）对深渊海底的化能合成群落研究，有什么关键的参考价值呢？

上图：奋斗者号全海深载人潜水器。摄于国际基因组学大会（ICG）现场展厅。摄影 ©海潮天下（Marine Biodiversity）

Q4，NOAA的研究主要是通过ROV视频探讨中层水域的生物多样性，但该方法在一些特定深度和环境下可能面临局限性。中国的“奋斗者”号作为载人潜水器，具有精准采样与近底作业的很棒的优势。那么，针对中层水域（200~4000米）进行浮游生物和游泳动物的定量与非侵入性观测时，“奋斗者”号的优势能否充分发挥呢？与此相比，结合ROV视频、声学探测和eDNA等技术，哪种组合更适合进行高效的深海生态普查？

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作者 | 王芊佳

编辑 | 海潮君

排版 | 卢晓雨（志愿者）

参考资料

Moyer IM, Copeland A, Egan K and Collins AG (2025) Investigating faunal diversity and abundance in the Marianas midwater. Front. Mar. Sci. 12:1556454. doi: 10.3389/fmars.2025.1556454

https://www.frontiersin.org/journals/marine-science/articles/10.3389/fmars.2025.1556454/full

https://www.fisheries.noaa.gov/pacific-islands/habitat-conservation/mariana-trench-marine-national-monument 

https://data.oceannetworks.ca/ExpeditionManagement

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