深海之謎揭秘：珊瑚和海綿成為活性氧化物的熱點(diǎn)

編者按：超氧化物是一種活性氧化物，是由于生物呼吸氧氣時(shí)的意外副產(chǎn)物（參與了細(xì)胞的生理過(guò)程和病理反應(yīng)），它們無(wú)處不在，又有高度毒性。任何呼吸氧氣的生物都會(huì)生成超氧化物，但它們需要迅速處理掉這些分子。由于超氧化物的短暫存在時(shí)間（不到一分鐘），不難想象，在海洋生物科學(xué)研究中要進(jìn)行直接測(cè)量是很困難的。將海水帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試也不可行，因?yàn)槌趸飼?huì)在水樣到達(dá)實(shí)驗(yàn)室之前就消失掉了。所以，過(guò)去一直以來(lái)，科學(xué)家們從未能直接在海洋中測(cè)出過(guò)超氧化物。

但近日事情有了轉(zhuǎn)機(jī)?！昂Ｑ笈c濕地”（OceanWetlands）小編注意到，2023年11月15日，《PNAS Nexus》期刊發(fā)表了一篇題為《深海珊瑚和海綿是活性氧化物熱點(diǎn)》的文章，來(lái)自伍茲霍爾海洋研究所的一項(xiàng)最新研究顯示，科學(xué)家們?cè)贏lvin潛水器上使用SOLARIS傳感器的研究中首次發(fā)現(xiàn)了深海珊瑚中的超氧化物。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了以前的觀點(diǎn)，即珊瑚通過(guò)細(xì)胞外超氧化物產(chǎn)生可以獨(dú)立于光合共生體的活動(dòng)。這一發(fā)現(xiàn)拓展了人們對(duì)珊瑚生理學(xué)的認(rèn)知，揭示了超氧化物在深海珊瑚中的功能。通過(guò)克服技術(shù)挑戰(zhàn)，科技與工程相結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)為深海生物和化學(xué)過(guò)程提供了新的視角，對(duì)未來(lái)的深海生態(tài)和氣候變化研究提供了啟發(fā)。

上圖：加利福尼亞州海岸蒙特利灣國(guó)家海洋保護(hù)區(qū)內(nèi)的一株巨大的擬柳珊瑚（圖源：伍茲霍爾海洋研究所）

測(cè)量超氧化物的先進(jìn)技術(shù)

活性氧化物（ROS）在生物學(xué)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，從生物體的生長(zhǎng)到氧化還原活性金屬和有機(jī)物的地球化學(xué)循環(huán)。而其中，超氧化物（O2??）在海洋系統(tǒng)中是最為相關(guān)的ROS之一。然而，由于超氧化物在海水中的很“短命”（只能在水中存在幾秒鐘），所以，之前我們對(duì)它在海洋中的分布了解甚少。通過(guò)新近研發(fā)的原位傳感器SOLARIS，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)深海珊瑚和海綿中超氧化物的直接測(cè)量，從而填補(bǔ)了這一領(lǐng)域的知識(shí)空白。

SOLARIS是一種深?；瘜W(xué)發(fā)光傳感器，其設(shè)計(jì)類似于先前用于淺海水域的DISCO。與DISCO相比，SOLARIS不僅具有原位校準(zhǔn)的能力，而且可以在深達(dá)4000米的深海中運(yùn)行。這項(xiàng)技術(shù)的突破使得研究者們能夠深入了解深海生物體產(chǎn)生ROS的機(jī)制。通過(guò)在加利福尼亞州海岸水域的試驗(yàn)，SOLARIS首次成功測(cè)得600米深水柱中超氧化物的穩(wěn)態(tài)濃度，這一結(jié)果遠(yuǎn)低于葉綠素最大值。所以，這就給在深海環(huán)境中尋找ROS的新來(lái)源奠定了基礎(chǔ)。

深海底棲生物：ROS的新來(lái)源

研究人員通過(guò)Alvin潛水器在Davidson Seamount（1270米，氧氣10μM，溫度4°C）和Channel Islands（330米，氧氣30μM，溫度7.8°C）的底層水域測(cè)量了超氧化物濃度。結(jié)果顯示，底棲生物，尤其是珊瑚和海綿，成為深海中超氧化物的來(lái)源。超氧化物濃度在0.05~0.13nM之間，而表層水域的超氧化物濃度則在8~16nM之間。這一差異表明，深海底層環(huán)境中超氧化物的生成，主要是通過(guò)光獨(dú)立的生物途徑和氧氣與還原的有機(jī)碳和金屬的非生物反應(yīng)。

上圖：在珊瑚和海綿中NOX樣基因的最大似然系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，包括參考動(dòng)物基因。用彩色字體標(biāo)示珊瑚和海綿群體。除了標(biāo)有（s）的淺水珊瑚和海綿外，所有動(dòng)物都是深?；蛑泄馍疃壬?。由于在撰寫時(shí)尚無(wú)深海基因組，所有海綿均來(lái)自淺水。交替的陰影和非陰影區(qū)域表示NOX基因類型的分支。圖片來(lái)源：Lina Taenzer等

通過(guò)SOLARIS測(cè)得的數(shù)據(jù)，清晰地揭示了深海底棲生物的超氧化物產(chǎn)生。在12種珊瑚和7種海綿中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)它們可以是深海中超氧化物的凈產(chǎn)生者和來(lái)源。而且，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于科學(xué)家們理解深海生物的生理和生態(tài)學(xué)行為提供了全新的視角。

上圖：研究人員阿爾文操縱裝置將SOLARIS移動(dòng)到深水珊瑚林的表面（圖片來(lái)源：伍茲霍爾海洋研究所）。
圖片
回顧與反思
“海洋與濕地”（OceanWetlands）小編注意到，這項(xiàng)研究的重要性，不僅僅在于填補(bǔ)了深海底層環(huán)境中ROS分布的研究空白，更在于對(duì)深海底棲生物行為的深入理解。以往的研究主要通過(guò)船上孵育和在過(guò)濾水中的衰減動(dòng)力學(xué)進(jìn)行估算，而這次研究通過(guò)先進(jìn)的傳感器直接測(cè)得了深海環(huán)境中超氧化物的存在，提供了更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

從分析的角度來(lái)看，這一發(fā)現(xiàn)可能對(duì)深海生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。首先，深海底棲生物的超氧化物產(chǎn)生可能對(duì)其自身的生理活動(dòng)和環(huán)境適應(yīng)性有重要影響。在以往的研究中，超氧化物被發(fā)現(xiàn)參與了諸多有益的生物過(guò)程，包括信號(hào)傳遞和防御機(jī)制。深海珊瑚和海綿通過(guò)產(chǎn)生超氧化物，可能在環(huán)境適應(yīng)和物種間交流中發(fā)揮著重要作用。

這一發(fā)現(xiàn)還可能對(duì)深海生態(tài)系統(tǒng)的整體平衡和底棲生物的相互作用產(chǎn)生影響。由于超氧化物的高度反應(yīng)性，它可能影響海洋生態(tài)系統(tǒng)中的化學(xué)平衡，包括有機(jī)物和金屬的循環(huán)。這種新的氧化還原反應(yīng)物質(zhì)引入，使得科學(xué)家們需要重新評(píng)估深海底層環(huán)境的生態(tài)過(guò)程。

另外，這項(xiàng)研究也為我們認(rèn)識(shí)深海珊瑚和海綿的生存狀態(tài)提供了線索。正如研究者指出的那樣，深海中底棲生物相對(duì)較低的新陳代謝率，有可能導(dǎo)致了超氧化物濃度相對(duì)較低。這一結(jié)論提示著，底棲生物有可能具有某種自我調(diào)控的機(jī)制，以維持其在深海環(huán)境中的生存。

深邃海底隱奇跡，珊瑚微光探幽深。這一深海珊瑚與海綿超氧化物之謎的研究，也為我們打開(kāi)了深海生態(tài)系統(tǒng)的一扇新窗戶。通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)手段，科學(xué)家們得以深入了解底棲生物的生理過(guò)程，為未來(lái)的深海研究提供了更為豐富的方向。這也提醒著我們，深海底層環(huán)境仍然是許多未解之謎的所在，需要我們不斷深入挖掘，以更好地保護(hù)和理解這個(gè)藍(lán)色星球的最深處。

【思考題】學(xué)而時(shí)習(xí)之

Q1: 底棲生物超氧化物產(chǎn)生的機(jī)制是如何調(diào)控的？亦即，在深海環(huán)境中，底棲生物如何調(diào)控超氧化物的產(chǎn)生，特別是對(duì)于不同種類的底棲生物是否存在共通的調(diào)節(jié)機(jī)制？

Q2：超氧化物在深海生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)功能是什么？超氧化物在深海底棲生物中的存在是否具有特定的生態(tài)功能，例如在信號(hào)傳遞、細(xì)胞防御等方面發(fā)揮作用？其產(chǎn)生是否是一種自我保護(hù)機(jī)制，還是與特定的生態(tài)功能密切相關(guān)？

Q3：深海底棲生物超氧化物產(chǎn)生是否受到環(huán)境變化的影響？尤其是，我們知道，隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)的影響，深海環(huán)境可能發(fā)生變化。那么，底棲生物超氧化物產(chǎn)生是否對(duì)這些變化具有響應(yīng)性，以及這種響應(yīng)是否會(huì)影響到整個(gè)深海生態(tài)系統(tǒng)的平衡？以及，在面對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的情況下，超氧化物的生成是否可能成為深海生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)測(cè)指標(biāo)？

本文僅代表資訊，不代表平臺(tái)觀點(diǎn)。

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消息來(lái)源 | Woods Hole Oceanographic Institution

編譯 | 王芊佳

審核 | Linda

排版 | 綠葉

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【本文參考資料】
https://www.whoi.edu/press-room/news-release/new-study-deep-sea-sensor-reveals-that-corals-produce-reactive-oxygen-species/

https://academic.oup.com/pnasnexus/article/2/11/pgad398/7420998

https://www.whoi.edu/oceanus/feature/a-disco-in-the-ocean/

該研究全文參見(jiàn)：

Lina Taenzer, Scott D Wankel, Jason Kapit, William A Pardis, Santiago Herrera, Steven Auscavitch, Kalina C Grabb, Erik Cordes, Colleen M Hansel. Corals and sponges are hotspots of reactive oxygen species in the deep sea. PNAS Nexus, 2023; 2 (11) DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad398