氨基酸氮同位素，深海生物化学共生，揭示生命奥秘的“指纹”

氨基酸氮同位素，研究深海热液喷口化学共生宿主的营养多样性

已知栖息在深海热液喷口的化学共生物种依靠微生物共生体获取营养。然而，异养能量源对其食物的相对贡献仍不太清楚。韩国学者利用氨基酸氮同位素组成用于研究来自两个不同喷口环境的喷口贻贝 ( Bathymodiolus septemdierum和Gigantidas vrijenhoeki )、蜗牛 ( Alviniconcha spp.) 和虾 ( Alvinocaris sp. 和Rimicaris kairei ) ，观察到来自不同喷口环境的喷口贻贝和蜗牛的营养位置存在的差异，这种分析方法可作为揭示这些独特环境中食物网动态和生态系统功能的工具。

参考文献：Trophic diversity of chemosymbiont hosts in deep-sea hydrothermal vents using amino acid nitrogen isotopes https://doi.org/10.3389/fmars.2023.1204992

一、这项研究的意义在哪？

深海热液喷口是海底火山活动产生的高温、高压的热液喷发口，周围存在独特的生态系统。深海热液喷口的生物往往与化学自养细菌建立共生关系，利用细菌固定化学能获取能量。了解这些生物的营养来源和多样性对于理解深海生态系统的能量流动和物质循环具有重要意义。

深海热液喷口被认为是地球早期生命起源的可能场所之一。研究这些环境下的生物的营养方式，有助于我们了解生命最初是如何获取能量和物质的。

深海热液喷口是极端的高温、高压、富含硫化物等有毒物质的环境。生活在其中的生物已经进化出独特的适应机制，以利用这些环境中的资源。研究它们的营养多样性，可以揭示生命适应极端环境的奥秘。

深海热液喷口生态系统是地球上独一无二的生态系统。研究这些生态系统的营养结构，有助于我们更好地理解全球生物多样性的分布格局和形成机制。

深海热液喷口生态系统中的能量流动和物质循环主要依赖于化学自养细菌。研究这些细菌的营养方式，有助于我们了解整个生态系统的功能。

深海热液喷口是地球化学物质循环的重要场所。研究生活在其中的生物的营养方式，有助于我们了解这些生物在全球物质循环中的作用。

二、什么是氨基酸氮同位素技术

氨基酸氮同位素技术，被称为揭示生命奥秘的“指纹”。

1、什么是氨基酸氮同位素？

氨基酸是构成蛋白质的基本单位，而氮是氨基酸的重要组成部分。不同的氮源（比如大气氮、硝酸盐、氨等）具有不同的氮同位素组成。当生物体摄取不同的氮源时，这些氮同位素会以特定的方式进入生物体，并最终反映在生物体组织中的氨基酸中。

氨基酸氮同位素技术就是通过测量生物体组织中氨基酸的氮同位素组成，来推断生物体所摄取的氮源，从而了解生物体的食性、营养级、以及栖息环境等信息。

2、氨基酸氮同位素技术的原理

当氮源进入生物体时，由于不同的氮同位素的化学性质略有差异，生物体在代谢过程中会对不同的氮同位素进行选择性利用，导致生物体组织中的氮同位素组成与环境中的氮同位素组成有所不同，这种现象称为同位素分馏。

不同的氨基酸对氮同位素的分馏具有特异性，即不同的氨基酸会富集或亏损不同的氮同位素。

通过测量生物体组织中不同氨基酸的氮-15和氮-14的比例，可以计算出氨基酸的氮同位素比值，并与已知的氮源的氮同位素比值进行比较，从而推断生物体的氮源。

3、氨基酸氮同位素技术的作用

• 追踪食物来源： 通过分析生物体组织中氨基酸的氮同位素组成，可以追踪生物体的食物来源，了解其在食物网中的位置。
• 重建生态系统： 通过对多个物种的氨基酸氮同位素分析，可以重建生态系统的食物网结构，了解物种之间的相互作用。
• 研究迁徙规律： 对于迁徙性物种，通过分析其在不同栖息地组织中的氨基酸氮同位素组成，可以追踪其迁徙路线和利用的资源。
• 揭示环境变化： 氨基酸氮同位素可以作为一种环境指标，反映环境的变化，如污染、气候变化等。
• 研究生物进化： 通过比较不同物种的氨基酸氮同位素组成，可以研究生物的进化历程和适应性。

三、什么是化学共生宿主？为什么深海主要是化学共生宿主？

1、什么是化学共生宿主？

化学共生宿主是指与能够利用无机物合成有机物的化学自养细菌建立共生关系的生物。这些细菌通常生活在宿主体内或体表，为宿主提供能量。这种共生关系在深海环境中非常常见。常见的深海化学共生宿主如深海巨型管虫：与硫氧化细菌共生，利用硫化氢合成有机物。

化学自养细菌是一类能够利用无机物氧化时释放的能量，将二氧化碳固定合成有机物的微生物。它们是深海生态系统中重要的初级生产者，为整个生态系统提供能量。

化学自养细菌的能量来源并不是阳光，而是通过氧化无机物获得的化学能。这个过程被称为化能合成。

深海化学共生关系对深海生态系统具有重要的生态意义。它们不仅是深海食物网的基础，还参与了物质循环、影响了生态系统结构和功能。深入研究深海化学共生关系，对于我们理解深海生态系统的演化、全球生物地球化学循环以及应对气候变化等具有重要意义。

2、为什么深海生物主要是化学共生宿主关系？

深海环境与浅海或陆地环境相比，深海没有阳光，因此光合作用无法进行；深海的水压极高，对生物的生存提出了挑战；深海的温度较低，限制了生物的代谢速率；深海有机物含量较低，食物链基础较窄。在这种极端环境下，化学共生成为深海生物生存的重要策略。

化学自养细菌能够利用深海热液喷口或冷泉中丰富的无机物（如硫化氢、甲烷）合成有机物，为宿主提供稳定的能量来源。化学共生关系使得生物能够适应深海的高压、低温等极端环境。 化学自养细菌作为初级生产者，构建了深海生态系统的食物链基础，为其他生物提供了食物。

四、深海生物研究的现状

深海生物研究是一个充满挑战且充满前景的领域。随着科技的进步，我们对深海世界的了解不断深入。然而，由于深海环境的极端性和研究成本的高昂，深海生物研究仍存在许多挑战。

 目前，深海探测技术的发展，如遥控潜水器（ROV）、自治水下航行器（AUV）和深海采样器的应用，使得科学家能够深入海底，采集到更多的生物样本和环境数据。科学家在深海发现了大量的未知生物，丰富了我们对地球生物多样性的认识。 对深海生态系统的研究逐渐深入，揭示了深海生物之间的复杂关系和能量流动。深海生物的基因组学研究为我们提供了理解它们适应极端环境的分子机制的新视角。

深海生物在高压、低温、黑暗等极端环境下生存，进化出了许多独特的适应性特征。例如，一些深海鱼类具有发光器官，而另一些则具有巨大的口和胃。这些特征是如何在漫长的进化过程中形成的？它们与深海环境的相互作用机制是什么？这些问题是深海生物研究中非常具有挑战性的，也是非常值得深入探讨的。

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