深海之谜揭秘：珊瑚和海绵成为活性氧化物的热点
海湿·编者按
超氧化物是一种活性氧化物，是由于生物呼吸氧气时的意外副产物（参与了细胞的生理过程和病理反应），它们无处不在，又有高度毒性。任何呼吸氧气的生物都会生成超氧化物，但它们需要迅速处理掉这些分子。由于超氧化物的短暂存在时间（不到一分钟），不难想象，在海洋生物科学研究中要进行直接测量是很困难的。将海水带回实验室进行测试也不可行，因为超氧化物会在水样到达实验室之前就消失掉了。所以，过去一直以来，科学家们从未能直接在海洋中测出过超氧化物。
但近日事情有了转机。“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，2023年11月15日，《PNAS Nexus》期刊发表了一篇题为《深海珊瑚和海绵是活性氧化物热点》的文章，来自伍兹霍尔海洋研究所的一项最新研究显示，科学家们在Alvin潜水器上使用SOLARIS传感器的研究中首次发现了深海珊瑚中的超氧化物。这一发现证实了以前的观点，即珊瑚通过细胞外超氧化物产生可以独立于光合共生体的活动。这一发现拓展了人们对珊瑚生理学的认知，揭示了超氧化物在深海珊瑚中的功能。通过克服技术挑战，科技与工程相结合，研究团队为深海生物和化学过程提供了新的视角，对未来的深海生态和气候变化研究提供了启发。
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上图：加利福尼亚州海岸蒙特利湾国家海洋保护区内的一株巨大的拟柳珊瑚（图源：伍兹霍尔海洋研究所）
活性氧化物（ROS）在生物学过程中起着至关重要的作用，从生物体的生长到氧化还原活性金属和有机物的地球化学循环。而其中，超氧化物（O2•−）在海洋系统中是最为相关的ROS之一。然而，由于超氧化物在海水中的很“短命”（只能在水中存在几秒钟），所以，之前我们对它在海洋中的分布了解甚少。通过新近研发的原位传感器SOLARIS，研究团队实现了对深海珊瑚和海绵中超氧化物的直接测量，从而填补了这一领域的知识空白。
SOLARIS是一种深海化学发光传感器，其设计类似于先前用于浅海水域的DISCO。与DISCO相比，SOLARIS不仅具有原位校准的能力，而且可以在深达4000米的深海中运行。这项技术的突破使得研究者们能够深入了解深海生物体产生ROS的机制。通过在加利福尼亚州海岸水域的试验，SOLARIS首次成功测得600米深水柱中超氧化物的稳态浓度，这一结果远低于叶绿素最大值。所以，这就给在深海环境中寻找ROS的新来源奠定了基础。
研究人员通过Alvin潜水器在Davidson Seamount（1270米，氧气10μM，温度4°C）和Channel Islands（330米，氧气30μM，温度7.8°C）的底层水域测量了超氧化物浓度。结果显示，底栖生物，尤其是珊瑚和海绵，成为深海中超氧化物的来源。超氧化物浓度在0.05~0.13nM之间，而表层水域的超氧化物浓度则在8~16nM之间。这一差异表明，深海底层环境中超氧化物的生成，主要是通过光独立的生物途径和氧气与还原的有机碳和金属的非生物反应。
通过SOLARIS测得的数据，清晰地揭示了深海底栖生物的超氧化物产生。在12种珊瑚和7种海绵中，研究团队发现它们可以是深海中超氧化物的净产生者和来源。而且，这一发现对于科学家们理解深海生物的生理和生态学行为提供了全新的视角。
上图：研究人员阿尔文操纵装置将SOLARIS移动到深水珊瑚林的表面（图片来源：伍兹霍尔海洋研究所）。
“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，这项研究的重要性，不仅仅在于填补了深海底层环境中ROS分布的研究空白，更在于对深海底栖生物行为的深入理解。以往的研究主要通过船上孵育和在过滤水中的衰减动力学进行估算，而这次研究通过先进的传感器直接测得了深海环境中超氧化物的存在，提供了更为准确的数据基础。
从分析的角度来看，这一发现可能对深海生态系统产生深远的影响。首先，深海底栖生物的超氧化物产生可能对其自身的生理活动和环境适应性有重要影响。在以往的研究中，超氧化物被发现参与了诸多有益的生物过程，包括信号传递和防御机制。深海珊瑚和海绵通过产生超氧化物，可能在环境适应和物种间交流中发挥着重要作用。
这一发现还可能对深海生态系统的整体平衡和底栖生物的相互作用产生影响。由于超氧化物的高度反应性，它可能影响海洋生态系统中的化学平衡，包括有机物和金属的循环。这种新的氧化还原反应物质引入，使得科学家们需要重新评估深海底层环境的生态过程。
另外，这项研究也为我们认识深海珊瑚和海绵的生存状态提供了线索。正如研究者指出的那样，深海中底栖生物相对较低的新陈代谢率，有可能导致了超氧化物浓度相对较低。这一结论提示着，底栖生物有可能具有某种自我调控的机制，以维持其在深海环境中的生存。
深邃海底隐奇迹，珊瑚微光探幽深。这一深海珊瑚与海绵超氧化物之谜的研究，也为我们打开了深海生态系统的一扇新窗户。通过先进的技术手段，科学家们得以深入了解底栖生物的生理过程，为未来的深海研究提供了更为丰富的方向。这也提醒着我们，深海底层环境仍然是许多未解之谜的所在，需要我们不断深入挖掘，以更好地保护和理解这个蓝色星球的最深处。
Q1: 底栖生物超氧化物产生的机制是如何调控的？亦即，在深海环境中，底栖生物如何调控超氧化物的产生，特别是对于不同种类的底栖生物是否存在共通的调节机制？
Q2：超氧化物在深海生态系统中的生态功能是什么？超氧化物在深海底栖生物中的存在是否具有特定的生态功能，例如在信号传递、细胞防御等方面发挥作用？其产生是否是一种自我保护机制，还是与特定的生态功能密切相关？
Q3：深海底栖生物超氧化物产生是否受到环境变化的影响？尤其是，我们知道，随着全球气候变化和人类活动的影响，深海环境可能发生变化。那么，底栖生物超氧化物产生是否对这些变化具有响应性，以及这种响应是否会影响到整个深海生态系统的平衡？以及，在面对气候变化和人类活动的情况下，超氧化物的生成是否可能成为深海生态系统变化的预测指标？
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消息来源 | Woods Hole Oceanographic Institution
编译 | 王芊佳
审核 | Linda
排版 | 绿叶
海湿·往期相关报道
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/
该研究全文参见：
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
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