浅水热液系统中古老碳向生态系统生物量同化的物理化学控制

海底隐藏的碳工厂

在波浪之下很深处，海底的温泉不断向海水中泄漏古老的碳。乍一看，这些水下喷口像是局部的小奇观，但它们连通着被封存了数千年的深层碳库。本研究提出了一个看似简单但影响深远的问题：当这些古老碳进入台湾近海的浅海喷口区时，当地的海洋生物是否会真正利用它，还是大部分碳会直接被带回海洋和大气中逸散？

热、酸与生命的交汇处

在台湾东北、龟山岛附近的海域，海水从海底冒出气体和热流体。该区域以两类相距不远的喷口为主：一处炽热且高度酸性的“黄泉口”，以及一处较凉、酸性较弱的“白泉口”。两者都释放大量起源于地幔深处的二氧化碳，并带有表明其比现代表层碳年代久远的化学“年龄指纹”。由于该地点水深浅且受阳光照射，既有依靠化学物质生存的微生物，也有依赖光合作用的常规生物体。这种混合使其成为跟踪喷口碳如何从热流体进入生物量的理想天然实验室。

解读碳的指纹

为了追踪这些古老碳在生态系统中的流向，研究者使用了一套同位素“指纹”，在来自微生物和动物的微小颗粒和脂肪中进行测量。通过采样水中悬浮颗粒、海底沉积物以及栖息于喷口的螃蟹组织，他们比较了特定脂肪酸中碳与氢的化学特征与不同生活方式预期的差异。某些特定的指纹模式能表明微生物是依赖喷口的化学能还是依赖阳光，以及它们所使用的碳是现代的还是非常古老的。这使研究团队能够区分来自喷口的碳与来自普通海水或陆地的碳，并识别出哪些生物在利用哪一类碳源。

现代食物网中的古老碳

测量结果显示，来自喷口的碳确实被当地生命体吸收，尤其是生活在近底羽流附近的硫氧化细菌。这些化能自养生物在没有阳光的情况下把二氧化碳转化为有机物，并将这些碳传递给包括当地特有的喷口螃蟹在内的其他生物。然而，同位素数据也表明，在羽流边缘、环境较为温和的水域，进行光合作用的微生物和藻类也会将可检测到比例的古老碳纳入体内。换言之，来自深层的古老碳并非仅局限于黑暗、化学驱动的生态位；它也能进入阳光充足、更熟悉的食物网部分。

温和条件胜出时

最令人意外的结果之一是，较凉且酸性较弱的白泉口在局部颗粒中含有比更热、化学能更强的黄泉口更多的古老碳，尽管黄泉口释放更多微生物理论上可利用的反应性化合物。基于同位素的计算表明，黄泉口的环境虽有利于化学驱动的新陈代谢，但其极端的温度和酸性限制了生物量的积累。相比之下，条件较温和的白泉口似乎提供了更好的平衡：能量仍然充足，但更有利于微生物生长，从而使更多源自喷口的碳被构建到附近的生物物质中。

大部分喷口碳流失

尽管有明确证据表明化学驱动和光驱动的微生物都利用喷口碳，但锁定在当地生物量中的古老碳总量与喷口每天排放的总量相比仍然很少。作者估算，在任一时刻，附近颗粒中仅存在每日碳排放量的百分之几，沉积物本身也几乎不含有机碳。这表明大多数来自喷口的碳被洋流迅速带走或以气体形式逸散，而不是存留在当地海底生态系统中。对普通读者而言，结论很直观：浅水喷口确实为其近邻群落提供了古老碳，但严苛的化学环境与强烈的混合意味着只有一小部分被保留。pH和温度等具体条件——而不仅仅是可用化学能的多少——最终决定了多少深层碳会被编织进海洋食物网，多少会丧失到更广阔的海洋中。

引用: Maak, J.M., Elvert, M., Grotheer, H. et al. Physicochemical controls on ancient carbon assimilation into ecosystem biomass in shallow-water hydrothermal systems. Commun Earth Environ 7, 216 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03254-z

关键词: 热液喷口, 海洋碳循环, 化能自养微生物, 放射性碳示踪, 浅海生态系统