住在海底煉獄啃著“砒霜”，這蟲子殺瘋了！

在太平洋深處，距離海面一千多米的黑暗世界里，地球內(nèi)部的熾熱巖漿與冰冷海水激烈碰撞，形成了一個(gè)個(gè)神秘的深海熱液噴口。這里的環(huán)境之惡劣，足以讓絕大多數(shù)生命望而卻步——高達(dá)上百度的灼熱海水?dāng)y帶著致命的硫化氫和重金屬毒素，如巨獸般從海底裂隙噴涌而出。然而，就在這個(gè)看似生命禁區(qū)的地方，一種鮮艷奪目的黃色蠕蟲卻在茁壯生長，它們甚至能在距離噴口不足20厘米的位置成群棲息。

這種神奇的生物叫賀氏擬阿爾文蟲（Paralvinella hessleri），屬于阿爾文蟲科的多毛類環(huán)節(jié)動(dòng)物。最近，中國科學(xué)院海洋研究所的研究團(tuán)隊(duì)揭開了這種深海生物適應(yīng)極端環(huán)境的驚人秘密——它們通過一種前所未見的“以毒攻毒”策略，將兩種劇毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害的礦物質(zhì)，從而在這片生命禁區(qū)里繁衍生息。這項(xiàng)研究成果，為我們理解生命的適應(yīng)性演化提供了全新視角。

神秘深海生物阿爾文蟲的“定妝照”（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

Part.1

黃色精靈的棲息地

沖繩海槽，位于中國東海大陸架與琉球群島之間，是西太平洋最活躍的弧后擴(kuò)張盆地之一。在這片海域的深處，分布著多個(gè)熱液活動(dòng)區(qū)，其中伊平屋北熱液區(qū)和JADE熱液區(qū)是賀氏擬阿爾文蟲的主要棲息地。中國科學(xué)院海洋研究所的科考團(tuán)隊(duì)利用“科學(xué)”號(hào)科考船和“發(fā)現(xiàn)”號(hào)深海機(jī)器人，在水深1300多米的海底開展了詳細(xì)調(diào)查。

海底熱泉分布圖（圖片來源：維基百科）

熱液噴口附近的生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)出明顯的梯度分布。最靠近噴口的區(qū)域被白色微生物膜覆蓋，這里溫度極高、毒性極強(qiáng)，只有賀氏擬阿爾文蟲能夠生存；稍遠(yuǎn)一些的地方棲息著鎧甲蝦；而深海貽貝則生活在更外圍相對溫和的區(qū)域。這種空間分布反映出不同生物對極端環(huán)境的耐受能力差異。研究發(fā)現(xiàn)，賀氏擬阿爾文蟲生活和覓食的微生物膜中，重金屬含量驚人地高，而噴口流體中的硫化氫濃度更是超過了1毫摩爾。

與深海化能合成生態(tài)系統(tǒng)中的其他“居民”不同，賀氏擬阿爾文蟲通體呈現(xiàn)罕見的亮黃色。在終年不見陽光的深海，大多數(shù)生物要么近乎透明或呈灰白色，要么因富含血紅蛋白而呈現(xiàn)橙紅色。因此，這種鮮艷的黃色在深海生物中極為少見，立刻引起了科學(xué)家的注意。

阿爾文蟲（Paralvinella hessleri）的圖像：A： 分布在伊平屋北部熱液噴口區(qū)的 P. hessleri 聚落。噴口區(qū)的生物群落沿環(huán)境梯度呈現(xiàn)明顯變化。靠近熱液噴口的區(qū)域被白色黏液狀菌膜覆蓋（為 P. hessleri 群落）。黑箭頭所示區(qū)域?yàn)榄h(huán)繞在 P. hessleri 群落周圍的深海龍蝦（Shinkaia crosnieri），而白箭頭所示的貽貝科（BathyModiolinae）則棲息在更遠(yuǎn)處。A′： 靠近熱液噴口處 P. hessleri 蠕蟲的放大圖像。B： 一只外翻口觸手的 P. hessleri 標(biāo)本（側(cè)視圖）。可見其體色呈鮮亮的黃色。C： P. hessleri 的背足（notopod）放大圖。D： 鰓器（branchial apparatus）莖部的放大圖。圖 C 與圖 D 均顯示 P. hessleri 的表皮中含有黃色顆粒。（圖片來源：維基百科）

Part.2

致命的砷積累

通過精密的化學(xué)分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的事實(shí)：賀氏擬阿爾文蟲體內(nèi)的砷含量達(dá)到了10,189微克每克鮮重，約占其體重的1%。這個(gè)濃度比大多數(shù)已知的砷超積累生物還要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。更令人震驚的是，這些砷中有92.21%是毒性極強(qiáng)的三價(jià)無機(jī)砷，而非相對低毒的有機(jī)砷化合物。

砷是一種劇毒的類金屬元素，因其化學(xué)性質(zhì)與磷相似，容易被細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白吸收，對生物體造成嚴(yán)重危害。在人類和大多數(shù)動(dòng)物中，即使微量的無機(jī)砷暴露也會(huì)導(dǎo)致癌癥、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等嚴(yán)重健康問題。三價(jià)砷的毒性比五價(jià)砷強(qiáng)約10倍，是環(huán)境中最危險(xiǎn)的污染物之一。

深海熱液系統(tǒng)的特殊之處在于，這里缺乏能將無機(jī)砷轉(zhuǎn)化為低毒有機(jī)砷的光合浮游植物和大型藻類。因此，賀氏擬阿爾文蟲主要暴露于有毒的無機(jī)砷環(huán)境中。西太平洋弧后盆地的熱液噴口釋放的砷濃度遠(yuǎn)高于東太平洋海隆等其他熱液區(qū)，使得賀氏擬阿爾文蟲面臨的砷毒性挑戰(zhàn)更為嚴(yán)峻。

Part.3

黃色顆粒的秘密

為了探究賀氏擬阿爾文蟲亮黃色的來源，研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用了多種先進(jìn)的顯微技術(shù)進(jìn)行深入分析。他們發(fā)現(xiàn)，這種黃色來自于分布在蟲體表皮細(xì)胞中的大量球形顆粒。這些顆粒不僅存在于體壁和鰓絲的表皮，還出現(xiàn)在口觸手和消化道的上皮細(xì)胞中。

在鰓絲尖端，黃色顆粒的平均直徑為1.29微米；在體壁表皮細(xì)胞中為1.04微米；而在口觸手中的顆粒較小，平均直徑僅0.77微米。有趣的是，所有含有這些顆粒的細(xì)胞都直接與海水接觸，而且顆粒總是聚集在靠近海水一側(cè)的細(xì)胞質(zhì)中。

通過掃描電鏡和透射電鏡的超微結(jié)構(gòu)分析，研究人員確認(rèn)這些黃色顆粒位于細(xì)胞內(nèi)的液泡中，被膜結(jié)構(gòu)包裹。掃描透射電鏡-能譜（STEM-EDX）元素分析揭示，顆粒外層富含氧、鋨和砷，而內(nèi)部主要由砷和硫組成。微區(qū)拉曼光譜分析進(jìn)一步確認(rèn)，這些黃色顆粒的成分與標(biāo)準(zhǔn)的三硫化二砷（As?S?，即雌黃礦物）完全一致。

雌黃是一種天然的砷硫化物礦物，在還原性、低溫和近中性pH條件下是熱力學(xué)上最穩(wěn)定的砷硫化物相。它獨(dú)特的亮黃色正好解釋了賀氏擬阿爾文蟲體色的來源。這一發(fā)現(xiàn)令人震驚——活體動(dòng)物竟然能在自己的細(xì)胞內(nèi)形成礦物！

阿爾文蟲 (Paralvinella hessleri) 體內(nèi)黃色顆粒的顯微鏡分析。A： 石蠟包埋并沿縱軸切片的 P. hessleri 個(gè)體，顯示其體內(nèi)結(jié)構(gòu)。B： P. hessleri 主要組織中黃色顆粒的大小分布。C： P. hessleri 主要組織中每個(gè)細(xì)胞內(nèi)黃色顆粒的數(shù)量。D： 鰓器末端的橫切面。E： 鰓器莖部的縱切面。F： 體壁的縱切面。G： 口觸手的縱切面。H： 消化道的橫切面。ASW：環(huán)境海水；ci：纖毛；cu：角質(zhì)層。（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

Part.4

“以毒攻毒”的生化機(jī)制

基于全基因組測序和蛋白質(zhì)組學(xué)分析，中國科學(xué)院海洋研究所的研究人員提出了賀氏擬阿爾文蟲獨(dú)特的“以毒攻毒”解毒機(jī)制。

首先，砷通過攝食含高濃度砷的微生物膜或直接吸收進(jìn)入蟲體。多藥耐藥轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（MRP）在砷的轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。免疫熒光實(shí)驗(yàn)顯示，MRP不僅存在于鰓絲上皮細(xì)胞的膜上，還特異性地定位在黃色顆粒周圍的膜結(jié)構(gòu)上，表明它參與將砷富集到細(xì)胞內(nèi)液泡的過程。

與此同時(shí)，環(huán)境中高濃度的硫化氫通過擴(kuò)散進(jìn)入上皮細(xì)胞。硫化氫是另一種劇毒物質(zhì)，它能抑制細(xì)胞呼吸鏈，對需氧生物具有致命威脅。研究發(fā)現(xiàn)，賀氏擬阿爾文蟲的細(xì)胞內(nèi)血紅蛋白在硫化氫的運(yùn)輸中起重要作用。基因表達(dá)分析顯示，兩種細(xì)胞內(nèi)血紅蛋白（iHem-1和iHem-2）在進(jìn)行礦化的組織中高度表達(dá)。

在細(xì)胞內(nèi)液泡這個(gè)特殊的微環(huán)境中，砷與硫化氫相遇并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成不溶性的雌黃礦物沉淀。通過這種方式，兩種劇毒物質(zhì)被同時(shí)“鎖定”并失去毒性。這就像是讓兩個(gè)敵人相互制約，最終達(dá)到和平共處的效果。

硫同位素分析為這一機(jī)制提供了有力支持。賀氏擬阿爾文蟲的δ34S值為7.19±0.98‰，與伊平屋北熱液噴口流體中硫化氫的δ34S值（7.4-7.7‰）高度一致，表明蟲體中的硫主要直接來源于熱液噴口的硫化氫，而非通過生物代謝獲得。

Part.5

演化的智慧與科學(xué)啟示

賀氏擬阿爾文蟲的“以毒攻毒”適應(yīng)機(jī)制代表了動(dòng)物利用環(huán)境毒素實(shí)現(xiàn)自我解毒的獨(dú)特演化策略。這不僅為理解動(dòng)物的適應(yīng)性演化提供了新視角，也為生物礦化研究開辟了新方向。

傳統(tǒng)上，我們對動(dòng)物生物礦化的理解主要集中在骨骼、牙齒、貝殼等支撐和保護(hù)結(jié)構(gòu)的形成。而賀氏擬阿爾文蟲的細(xì)胞內(nèi)雌黃礦化則展示了生物礦化的另一個(gè)功能——解毒。這種跨越多個(gè)組織的礦化過程不是為了加固組織，而是為了中和環(huán)境毒素，代表了生物礦化功能的新范式。

有趣的是，在同樣富含硫化氫的深海熱液生態(tài)系統(tǒng)中，目前僅發(fā)現(xiàn)兩種動(dòng)物能夠形成硫化物礦物：賀氏擬阿爾文蟲和鱗足螺。盡管它們獲取硫化物的機(jī)制不同——前者直接從噴口流體獲取，后者通過內(nèi)共生菌產(chǎn)生——但兩者礦化的目的都是保護(hù)自身免受毒素傷害。這種趨同演化突顯了生物礦化在極端環(huán)境適應(yīng)中的重要性。

此外，這項(xiàng)研究還暗示砷這種通常被認(rèn)為是“非必需”有毒元素的物質(zhì)，可能在某些極端環(huán)境中發(fā)揮著促進(jìn)生物適應(yīng)的作用。在太平洋馬努斯海盆，多種軟體動(dòng)物也積累了大量無機(jī)砷，且主要分布在與硫化氫接觸的鰓部，暗示可能存在類似的解毒機(jī)制。

鱗足螺是一種生活在深海熱泉的海螺（圖片來源：維基百科）

Part.6

深海的啟示

在地球最極端的環(huán)境之一——深海熱液噴口，賀氏擬阿爾文蟲展現(xiàn)了生命驚人的創(chuàng)造力和適應(yīng)性。通過將兩種致命的環(huán)境毒素轉(zhuǎn)化為無害的礦物，這種小小的蠕蟲不僅在地獄般的環(huán)境中生存下來，還在那里繁榮興旺，形成了高密度的種群。

這一發(fā)現(xiàn)提醒我們，生命的韌性和創(chuàng)造力遠(yuǎn)超我們的想象。在看似不可能存在生命的地方，大自然總能找到獨(dú)特的解決方案。賀氏擬阿爾文蟲的“以毒攻毒”策略，不僅是一個(gè)精彩的演化故事，也為我們理解生命如何應(yīng)對環(huán)境挑戰(zhàn)、開發(fā)新的生物修復(fù)技術(shù)、甚至尋找地外生命提供了重要啟示。

當(dāng)我們仰望星空，思考生命是否存在于其他星球的極端環(huán)境中時(shí)，深海熱液噴口的這些“煉金術(shù)士”告訴我們：生命總能找到出路，即使是在最不可能的地方。賀氏擬阿爾文蟲用它獨(dú)特的生存智慧證明，有時(shí)候，最好的防御不是逃避，而是將威脅轉(zhuǎn)化為保護(hù)——真正的“以毒攻毒”。

參考文獻(xiàn)：

【1】Wang H, Cao L, Zhang H, Zhong Z, Zhou L, et al. (2025) A deep-sea hydrothermal vent worm detoxifies arsenic and sulfur by intracellular biomineralization of orpiment (As2S3). PLOS Biology 23(8): e3003291.https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003291

出品：科普中國

作者：郭菲

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