這里是凡爾納筆下“鸚鵡螺號”未曾抵達的終極深淵——曾被視為“生命禁區(qū)”的馬里亞納海溝，高達1100個大氣壓的壓強可將玻璃碾成齏粉，永恒的黑暗足以吞噬整座珠穆朗瑪峰。
近日，《細胞》以封面專輯形式發(fā)表中國科學家團隊4篇重磅論文——1篇旗艦文章勾勒項目全貌，3篇研究論文分別聚焦深淵中的原核微生物、無脊椎動物（鉤蝦）和脊椎動物（魚類）。他們依托國產(chǎn)萬米載人潛水器“奮斗者”號，首次向世界呈現(xiàn)海底萬米深淵的系統(tǒng)生態(tài)圖景：7564個物種水平的代表性基因組構(gòu)建起“黑暗綠洲”；基因組大小達人類4倍的深淵鉤蝦編織起能量樞紐；深海魚類用可追溯至白堊紀的演化智慧突破生存禁區(qū)……
這是人類首次系統(tǒng)性研究深淵生命。這項由上海交通大學、中國科學院深?？茖W與工程研究所、華大集團聯(lián)合完成的“溟淵計劃”（MEER）第一期成果，揭示了深淵生態(tài)系統(tǒng)的生命適應(yīng)策略與資源潛能，拓展了人類對極端環(huán)境下生命過程的認知，推動科學研究不斷突破人類認知邊界。
深?？蒲校?0年無突破性進展
“下潛萬米深淵，就像倒著爬一次比珠峰還要高的山！”2021年10月至12月，中國科學家團隊搭乘中國第一艘萬米級載人潛水器“奮斗者”號，在馬里亞納、雅浦海溝等6000~11000米海底深淵區(qū)域完成33次下潛，取得人類首次到達雅浦海溝最深點、首次系統(tǒng)研究深淵生態(tài)等多項全球突破。
萬米深淵壓強高達1100個大氣壓，相當于“20頭大象站在手掌心”。在水深超過6000米的深海里，生存面臨的最大難題就是承受這超強的壓力。
“我們前期做深海微生物研究時，主流方法是從海里撈樣品回實驗室培養(yǎng)。肖湘老師創(chuàng)新性地設(shè)計了一套模擬深海高壓環(huán)境的設(shè)備，這種思路從上世紀90年代延續(xù)至今。”論文共同通訊作者、上海交通大學副研究員趙維殳回憶道，“但遇到一個根本性難題——找不到明確的嗜壓基因。”
論文第一作者和通訊作者、上海交通大學教授肖湘團隊發(fā)現(xiàn)，深海微生物高壓適應(yīng)與其他環(huán)境中的生物適應(yīng)存在本質(zhì)差異——通常生物可能通過關(guān)鍵基因突變就能適應(yīng)一個環(huán)境條件，但微生物的適應(yīng)找不到專性的嗜壓基因，涉及成百上千個基因。
日本同行做過一個實驗，把高壓微生物的所有基因敲除一遍，結(jié)果發(fā)現(xiàn)幾百個基因都與高壓適應(yīng)相關(guān)。這完全顛覆了傳統(tǒng)生物學“一個基因?qū)?yīng)一個功能”的認知。
自2004年《科學》發(fā)表首個深海細菌基因組研究后，該領(lǐng)域近20年未有突破性進展。國際學界甚至出現(xiàn)“深海不重要論”，認為淺海數(shù)據(jù)足以代表深海特征。
“當時我們陷入雙重困境：實驗技術(shù)無法突破，學界價值認同動搖。這促使肖湘老師產(chǎn)生了‘必須親眼看看海底’的執(zhí)念。”趙維殳說。
在2020年之前，只有9人曾到達過海洋最深點馬里亞納海溝底部，能成功下潛萬米以上深度且重復使用的潛水器，全球寥寥無幾。
為了打造中國全海深載人深潛“國之重器”，“十三五”期間，中國科學院作為業(yè)主單位、研制任務(wù)核心單位，組織10余家院屬單位全面參與“奮斗者”號的研制，通過跨系統(tǒng)、跨單位、跨部門的大團隊合作，艱苦攻關(guān)，突破了一系列關(guān)鍵核心技術(shù)。
2020年底，成功完成工程海試的“奮斗者”號，憑借其獨特的采樣能力和超長海底作業(yè)時間，成為全球唯一具備深淵系統(tǒng)調(diào)查采樣能力的載人潛水器。
這一消息令肖湘感到振奮。他預感多年求索的深海微生物高壓適應(yīng)的答案，就藏在海洋最深處的萬米深藍之下。
就這樣，他帶領(lǐng)全球深海高壓微生物領(lǐng)域極少數(shù)至今在研的科學團隊，登上了搭載“奮斗者”號前往馬里亞納海溝的“探索一號”科考船。
顛覆認知的“黑暗綠洲”
每一次下潛，科學家都要在直徑不到2米的鈦合金載人艙內(nèi)，經(jīng)歷12小時密閉作業(yè)。
“很難想象，在1100個大氣壓、完全無光和接近零度的環(huán)境中，竟然有這么欣欣向榮的生態(tài)系統(tǒng)。”論文共同通訊作者、華大生命科學研究院院長徐訊激動地說。2021年，他與肖湘團隊一同前往馬里亞納海溝深潛。
利用先進的“奮斗者”號，他們能在深淵現(xiàn)場選擇特征區(qū)域采樣，比如，根據(jù)沉積物顏色判斷氧化程度、通過巖石質(zhì)地推測地質(zhì)活動強度。這種“眼見為實”的采樣方式，使樣品數(shù)量和質(zhì)量實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。
樣本采集回來后，科學家開始分頭處理生物樣本。“為了保證樣本質(zhì)量，我們下潛回來后第一時間就要對深海樣本進行處理，每次處理樣本至少需要連續(xù)工作三四個小時。”論文共同通訊作者、華大集團海洋領(lǐng)域科學家劉姍姍說。這要求研究人員能夠長時間精細操作，還要有一定的生物組織識別能力，既考驗技術(shù)，也考驗毅力。
“當樣本從深海轉(zhuǎn)移至海面常壓環(huán)境時，DNA會因環(huán)境劇變迅速降解。”青島華大基因研究院副研究員、論文共同第一作者宋躍坦言，“我們面臨的不僅是技術(shù)難題，也是一場與時間的賽跑——如何在樣本損毀前‘搶救’出完整的遺傳信息。”
為此，實驗團隊針對深海DNA特性反復優(yōu)化提取方案，經(jīng)過數(shù)十次嘗試，最終摸索出在常規(guī)實驗室環(huán)境下成功提取滿足測序要求的DNA的實驗條件，為后續(xù)高質(zhì)量基因組解析奠定了基石。
通過對1648份沉積物、622個鉤蝦樣本及11種深海魚類的分析，科學家團隊獲取了7564個物種水平的代表性基因組數(shù)據(jù)，其中89.4%為未報道新發(fā)現(xiàn)物種。這些新物種的多樣性規(guī)模與全球已知海洋微生物總多樣性體量相當。
“原以為能有20%~30%的新物種就了不得了，結(jié)果發(fā)現(xiàn)將近90%都是未知物種！”趙維殳說，深淵微生物通過兩種適應(yīng)策略，支撐起深淵生態(tài)系統(tǒng)的繁榮。一種是“斷舍離”——縮小基因組專注核心功能；另一種是“海納百川”——吸納外源基因增強環(huán)境適應(yīng)力。
中國科學院深海科學與工程研究所科學家主要負責深淵鉤蝦和深淵獅子魚的研究。作為深淵生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵物種，深淵鉤蝦有著雙重角色：既是分解者——以海洋動物尸體等腐殖質(zhì)為主要食物來源，又是能量傳遞者——是深淵獅子魚等頂級掠食者的主要獵物。
研究發(fā)現(xiàn)，在馬里亞納海溝等區(qū)域，鉤蝦呈現(xiàn)顯著的優(yōu)勢種群特征，生物量居生態(tài)系統(tǒng)主導地位。研究還揭示了鉤蝦適應(yīng)極端環(huán)境的策略——13.1GB超大基因組包含大量重復序列，特異性基因能調(diào)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對高壓、低溫、黑暗及食物匱乏環(huán)境，而代謝通路的優(yōu)化則實現(xiàn)了能量的高效利用。
作為深淵魚類代表，獅子魚備受矚目。傳統(tǒng)理論認為，深海魚依賴氧化三甲胺抗壓，其機制類似腌菜防腐。但科學家研究發(fā)現(xiàn)，11種深淵魚類通過多不飽和脂肪酸積累，實現(xiàn)了細胞膜重塑，其演化軌跡可追溯至白堊紀。
中國方案：向全球開放共享
MEER不僅實現(xiàn)了技術(shù)突破，也實現(xiàn)了協(xié)作模式的創(chuàng)新。上海交通大學、中國科學院深海科學與工程研究所、華大集團三方協(xié)同實現(xiàn)了載人深潛取樣裝置、低成本高通量基因測序平臺、全海深環(huán)境模擬培養(yǎng)體系的全國產(chǎn)化，為深淵科學研究提供了自主可控的技術(shù)支撐。
這個平均年齡不足40歲的團隊踐行“只有崗位、沒有單位”的理念，打破了傳統(tǒng)科研邊界。正如肖湘所言，“深海研究需要全球科學家共同解答生命起源、環(huán)境適應(yīng)等終極命題”。
當“奮斗者”號觸底，肖湘作為MEER的召集科學家，通過水聲通信系統(tǒng)向海面科考船傳輸了一段音頻。這段被永久存檔的宣言，標志著《馬里亞納共識》的誕生——“向全球開放共享深淵生命數(shù)據(jù)，協(xié)力攻堅深淵環(huán)境與生命的重大科學問題”。
“我們建立了全球最大的深淵生物大數(shù)據(jù)庫，包含微生物基因組、鉤蝦及魚類基因組數(shù)據(jù)集。深淵微生物的超高新穎性和多樣性，展示了深淵在新基因、新結(jié)構(gòu)和新功能方面的巨大資源潛能。這些資源為打破全球生物資源枯竭困境提供了新選擇，也為生物技術(shù)、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用開拓了廣闊前景。”肖湘說，這些寶貴的數(shù)據(jù)是人類不可復現(xiàn)的歷史記錄。他希望能夠把這些數(shù)據(jù)用好，為全球深?？萍及l(fā)展貢獻中國智慧。
《馬里亞納共識》為應(yīng)對生物資源枯竭挑戰(zhàn)提供了新思路，推動了全球深海生命研究從競爭走向協(xié)作，為全球深?？萍及l(fā)展提供了中國方案。
劉姍姍坦言：“我們計劃對這些數(shù)據(jù)開展深度解析與系統(tǒng)性挖掘，重點圍繞生命起源這一基礎(chǔ)科學命題展開多維度探索，通過建立基于機器學習的功能預測模型，為后續(xù)科研提供更好的工具。未來，這些研究成果和技術(shù)突破將為生物經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新的可能性。”
正如肖湘所言，“深淵教會我們，真正的科學突破從不屬于某個國家，而是人類共同跨越認知邊界的里程碑”。這場始于萬米海底的科研革命，正在將中國方案轉(zhuǎn)化為全球探索深海的新范式。
這里是凡爾納筆下“鸚鵡螺號”未曾抵達的終極深淵——曾被視為“生命禁區(qū)”的馬里亞納海溝，高達1100個大氣壓的壓強可將玻璃碾成齏粉，永恒的黑暗足以吞噬整座珠穆朗瑪峰。
近日，《細胞》以封面專輯形式發(fā)表中國科學家團隊4篇重磅論文——1篇旗艦文章勾勒項目全貌，3篇研究論文分別聚焦深淵中的原核微生物、無脊椎動物（鉤蝦）和脊椎動物（魚類）。他們依托國產(chǎn)萬米載人潛水器“奮斗者”號，首次向世界呈現(xiàn)海底萬米深淵的系統(tǒng)生態(tài)圖景：7564個物種水平的代表性基因組構(gòu)建起“黑暗綠洲”；基因組大小達人類4倍的深淵鉤蝦編織起能量樞紐；深海魚類用可追溯至白堊紀的演化智慧突破生存禁區(qū)……
這是人類首次系統(tǒng)性研究深淵生命。這項由上海交通大學、中國科學院深?？茖W與工程研究所、華大集團聯(lián)合完成的“溟淵計劃”（MEER）第一期成果，揭示了深淵生態(tài)系統(tǒng)的生命適應(yīng)策略與資源潛能，拓展了人類對極端環(huán)境下生命過程的認知，推動科學研究不斷突破人類認知邊界。
深海科研：20年無突破性進展
“下潛萬米深淵，就像倒著爬一次比珠峰還要高的山！”2021年10月至12月，中國科學家團隊搭乘中國第一艘萬米級載人潛水器“奮斗者”號，在馬里亞納、雅浦海溝等6000~11000米海底深淵區(qū)域完成33次下潛，取得人類首次到達雅浦海溝最深點、首次系統(tǒng)研究深淵生態(tài)等多項全球突破。
萬米深淵壓強高達1100個大氣壓，相當于“20頭大象站在手掌心”。在水深超過6000米的深海里，生存面臨的最大難題就是承受這超強的壓力。
“我們前期做深海微生物研究時，主流方法是從海里撈樣品回實驗室培養(yǎng)。肖湘老師創(chuàng)新性地設(shè)計了一套模擬深海高壓環(huán)境的設(shè)備，這種思路從上世紀90年代延續(xù)至今。”論文共同通訊作者、上海交通大學副研究員趙維殳回憶道，“但遇到一個根本性難題——找不到明確的嗜壓基因。”
論文第一作者和通訊作者、上海交通大學教授肖湘團隊發(fā)現(xiàn)，深海微生物高壓適應(yīng)與其他環(huán)境中的生物適應(yīng)存在本質(zhì)差異——通常生物可能通過關(guān)鍵基因突變就能適應(yīng)一個環(huán)境條件，但微生物的適應(yīng)找不到專性的嗜壓基因，涉及成百上千個基因。
日本同行做過一個實驗，把高壓微生物的所有基因敲除一遍，結(jié)果發(fā)現(xiàn)幾百個基因都與高壓適應(yīng)相關(guān)。這完全顛覆了傳統(tǒng)生物學“一個基因?qū)?yīng)一個功能”的認知。
自2004年《科學》發(fā)表首個深海細菌基因組研究后，該領(lǐng)域近20年未有突破性進展。國際學界甚至出現(xiàn)“深海不重要論”，認為淺海數(shù)據(jù)足以代表深海特征。
“當時我們陷入雙重困境：實驗技術(shù)無法突破，學界價值認同動搖。這促使肖湘老師產(chǎn)生了‘必須親眼看看海底’的執(zhí)念。”趙維殳說。
在2020年之前，只有9人曾到達過海洋最深點馬里亞納海溝底部，能成功下潛萬米以上深度且重復使用的潛水器，全球寥寥無幾。
為了打造中國全海深載人深潛“國之重器”，“十三五”期間，中國科學院作為業(yè)主單位、研制任務(wù)核心單位，組織10余家院屬單位全面參與“奮斗者”號的研制，通過跨系統(tǒng)、跨單位、跨部門的大團隊合作，艱苦攻關(guān)，突破了一系列關(guān)鍵核心技術(shù)。
2020年底，成功完成工程海試的“奮斗者”號，憑借其獨特的采樣能力和超長海底作業(yè)時間，成為全球唯一具備深淵系統(tǒng)調(diào)查采樣能力的載人潛水器。
這一消息令肖湘感到振奮。他預感多年求索的深海微生物高壓適應(yīng)的答案，就藏在海洋最深處的萬米深藍之下。
就這樣，他帶領(lǐng)全球深海高壓微生物領(lǐng)域極少數(shù)至今在研的科學團隊，登上了搭載“奮斗者”號前往馬里亞納海溝的“探索一號”科考船。
顛覆認知的“黑暗綠洲”
每一次下潛，科學家都要在直徑不到2米的鈦合金載人艙內(nèi)，經(jīng)歷12小時密閉作業(yè)。
“很難想象，在1100個大氣壓、完全無光和接近零度的環(huán)境中，竟然有這么欣欣向榮的生態(tài)系統(tǒng)。”論文共同通訊作者、華大生命科學研究院院長徐訊激動地說。2021年，他與肖湘團隊一同前往馬里亞納海溝深潛。
利用先進的“奮斗者”號，他們能在深淵現(xiàn)場選擇特征區(qū)域采樣，比如，根據(jù)沉積物顏色判斷氧化程度、通過巖石質(zhì)地推測地質(zhì)活動強度。這種“眼見為實”的采樣方式，使樣品數(shù)量和質(zhì)量實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。
樣本采集回來后，科學家開始分頭處理生物樣本。“為了保證樣本質(zhì)量，我們下潛回來后第一時間就要對深海樣本進行處理，每次處理樣本至少需要連續(xù)工作三四個小時。”論文共同通訊作者、華大集團海洋領(lǐng)域科學家劉姍姍說。這要求研究人員能夠長時間精細操作，還要有一定的生物組織識別能力，既考驗技術(shù)，也考驗毅力。
“當樣本從深海轉(zhuǎn)移至海面常壓環(huán)境時，DNA會因環(huán)境劇變迅速降解。”青島華大基因研究院副研究員、論文共同第一作者宋躍坦言，“我們面臨的不僅是技術(shù)難題，也是一場與時間的賽跑——如何在樣本損毀前‘搶救’出完整的遺傳信息。”
為此，實驗團隊針對深海DNA特性反復優(yōu)化提取方案，經(jīng)過數(shù)十次嘗試，最終摸索出在常規(guī)實驗室環(huán)境下成功提取滿足測序要求的DNA的實驗條件，為后續(xù)高質(zhì)量基因組解析奠定了基石。
通過對1648份沉積物、622個鉤蝦樣本及11種深海魚類的分析，科學家團隊獲取了7564個物種水平的代表性基因組數(shù)據(jù)，其中89.4%為未報道新發(fā)現(xiàn)物種。這些新物種的多樣性規(guī)模與全球已知海洋微生物總多樣性體量相當。
“原以為能有20%~30%的新物種就了不得了，結(jié)果發(fā)現(xiàn)將近90%都是未知物種！”趙維殳說，深淵微生物通過兩種適應(yīng)策略，支撐起深淵生態(tài)系統(tǒng)的繁榮。一種是“斷舍離”——縮小基因組專注核心功能；另一種是“海納百川”——吸納外源基因增強環(huán)境適應(yīng)力。
中國科學院深海科學與工程研究所科學家主要負責深淵鉤蝦和深淵獅子魚的研究。作為深淵生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵物種，深淵鉤蝦有著雙重角色：既是分解者——以海洋動物尸體等腐殖質(zhì)為主要食物來源，又是能量傳遞者——是深淵獅子魚等頂級掠食者的主要獵物。
研究發(fā)現(xiàn)，在馬里亞納海溝等區(qū)域，鉤蝦呈現(xiàn)顯著的優(yōu)勢種群特征，生物量居生態(tài)系統(tǒng)主導地位。研究還揭示了鉤蝦適應(yīng)極端環(huán)境的策略——13.1GB超大基因組包含大量重復序列，特異性基因能調(diào)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對高壓、低溫、黑暗及食物匱乏環(huán)境，而代謝通路的優(yōu)化則實現(xiàn)了能量的高效利用。
作為深淵魚類代表，獅子魚備受矚目。傳統(tǒng)理論認為，深海魚依賴氧化三甲胺抗壓，其機制類似腌菜防腐。但科學家研究發(fā)現(xiàn)，11種深淵魚類通過多不飽和脂肪酸積累，實現(xiàn)了細胞膜重塑，其演化軌跡可追溯至白堊紀。
中國方案：向全球開放共享
MEER不僅實現(xiàn)了技術(shù)突破，也實現(xiàn)了協(xié)作模式的創(chuàng)新。上海交通大學、中國科學院深?？茖W與工程研究所、華大集團三方協(xié)同實現(xiàn)了載人深潛取樣裝置、低成本高通量基因測序平臺、全海深環(huán)境模擬培養(yǎng)體系的全國產(chǎn)化，為深淵科學研究提供了自主可控的技術(shù)支撐。
這個平均年齡不足40歲的團隊踐行“只有崗位、沒有單位”的理念，打破了傳統(tǒng)科研邊界。正如肖湘所言，“深海研究需要全球科學家共同解答生命起源、環(huán)境適應(yīng)等終極命題”。
當“奮斗者”號觸底，肖湘作為MEER的召集科學家，通過水聲通信系統(tǒng)向海面科考船傳輸了一段音頻。這段被永久存檔的宣言，標志著《馬里亞納共識》的誕生——“向全球開放共享深淵生命數(shù)據(jù)，協(xié)力攻堅深淵環(huán)境與生命的重大科學問題”。
“我們建立了全球最大的深淵生物大數(shù)據(jù)庫，包含微生物基因組、鉤蝦及魚類基因組數(shù)據(jù)集。深淵微生物的超高新穎性和多樣性，展示了深淵在新基因、新結(jié)構(gòu)和新功能方面的巨大資源潛能。這些資源為打破全球生物資源枯竭困境提供了新選擇，也為生物技術(shù)、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用開拓了廣闊前景。”肖湘說，這些寶貴的數(shù)據(jù)是人類不可復現(xiàn)的歷史記錄。他希望能夠把這些數(shù)據(jù)用好，為全球深?？萍及l(fā)展貢獻中國智慧。
《馬里亞納共識》為應(yīng)對生物資源枯竭挑戰(zhàn)提供了新思路，推動了全球深海生命研究從競爭走向協(xié)作，為全球深?？萍及l(fā)展提供了中國方案。
劉姍姍坦言：“我們計劃對這些數(shù)據(jù)開展深度解析與系統(tǒng)性挖掘，重點圍繞生命起源這一基礎(chǔ)科學命題展開多維度探索，通過建立基于機器學習的功能預測模型，為后續(xù)科研提供更好的工具。未來，這些研究成果和技術(shù)突破將為生物經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新的可能性。”
正如肖湘所言，“深淵教會我們，真正的科學突破從不屬于某個國家，而是人類共同跨越認知邊界的里程碑”。這場始于萬米海底的科研革命，正在將中國方案轉(zhuǎn)化為全球探索深海的新范式。
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