5°C升溫，海洋氨氧化古菌鐵需求銳減80%，效率卻大增！海潮天下

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▲上圖：研究團隊發現，一種適應性極強的海洋古菌在氣候變化背景下展現出驚人的生存韌性，未來將在重塑全球海洋生物多樣性中扮演關鍵角色。?Fred Zwicky

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隨著氣候變化的持續加劇，海洋表層的升溫正在悄然向深海擴展。這一變化為深層水域的生物帶來了巨大挑戰，同時也催生了新的適應機制。2026年3月2日，《美國國家科學院院刊》發表的一項研究揭示了一個有趣的現象：海洋中的氨氧化古菌（Nitrosopumilus maritimus）在面對變暖且營養匱乏的環境時，竟然展現出了令人驚嘆的生存能力。這些微小的生物占據了海洋微生物浮游生物的30%，是維持海洋氮循環的核心力量。這個研究團隊由伊利諾伊大學的微生物學教授秦瑋（Wei Qin，音譯）領導，他們發現，這些古菌通過一種“節能模式”在高溫和資源匱乏的環境中成功生存。

長期以來，科學家認為深海水域相對封閉，受表層變暖的影響有限。但秦瑋指出，海水升溫的效應其實已經滲透到了1000米、甚至更深的海域，這對深海古菌的生存方式產生了深遠影響。尤其是在鐵元素的使用上，海洋氨氧化古菌依賴鐵這一關鍵金屬來維持生命活動，而鐵在開放大洋中本就稀缺。

研究人員模擬了不同溫度和鐵濃度的環境，發現當鐵元素極度匱乏時，溫度升高反而促使古菌減少對鐵的總需求、提升了鐵的生理利用效率。這種機制意味著，未來溫暖的海洋將讓這些古菌以更低的能耗維持其重要的生化功能。

利物浦大學的亞歷山德羅·塔利亞布（Alessandro Tagliabue）運用全球海洋生物地球化學模型，進一步驗證了這一發現。他的模擬結果顯示，在全球氣候變暖的大背景下，分布在缺鐵海域的深海古菌群體不僅不會退縮，反而可能在氮循環和支持初級生產力方面發揮更大的作用。這一發現具有重要意義，因為這些微生物在維持海洋食物鏈底層穩定方面起著決定性作用，它們調節著海水中的氮元素形式，直接影響浮游生物的生長、繁殖。

據報道，為了將這些實驗室中的發現與復雜的自然海洋環境相結合，秦瑋教授與南加州大學的戴維·哈欽斯（David Hutchins）計劃在2026年夏天進行一項規模龐大的海上考察。

他們將擔任西庫里亞克號（Sikuliaq）科考船的首席科學家，帶領一支20人的科研團隊，從西雅圖出發，橫跨阿拉斯加灣前往北太平洋的副熱帶環流區。此次考察的主要目標是驗證溫度變化與金屬元素限制如何在自然海域中影響古菌群落的生存和功能。研究團隊將在不同水域采樣，并開展現場實驗，進一步評估深海微生物在全球變化中的彈性。這將為未來的氣候預測模型提供寶貴的實測數據，幫助科學家更精準地預測海洋生態系統的未來變化。

▲上圖：這艘船配備了精密的多波束測深系統和全海深探測設備。2026年夏季，Wei Qin將擔任“西庫里亞克”號（Sikuliaq）科考船的首席科學家。他將帶領20名研究人員深入大洋，在真實的海洋環境中驗證有關海洋古菌適應性的實驗發現。圖源：Wei Qin/illinois.edu

海潮天下（Marine Biodiversity）小編查閱資料了解到，公開信息顯示，“西庫里亞克”號（R/V Sikuliaq）是一艘由美國國家科學基金會（NSF）出資建造、阿拉斯加大學運營的高級極地級科考船，全長80米，其加固的船體具備在0.76米厚的新生冰層中連續破冰航行的能力。該船的主要母港位于阿拉斯加的蘇厄德（Seward）。這艘船配備了Kongsberg EM 302和EM 710等高端多波束測深系統，能夠進行深海地形測繪和全海深采樣，支持深海微生物等高精度研究。可搭載24名科學家在北極及全球偏遠海域執行長達數周的復雜任務，是研究氣候變化、深海微生物及海洋生態演變的核心科研平臺。

感興趣的海潮天下（Marine Biodiversity）讀者可以參看該研究的全文：
Qin W, Tagliabue A, Hou L, et al. Ocean warming enhances iron use efficiencies of marine ammonia-oxidizing archaea[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026, 123(10): e2531032123.

什么是海洋氨氧化古菌?

海洋氨氧化古菌（Nitrosopumilus maritimus）是海洋中最微小的生命形式之一，雖然直到2005年才被華盛頓大學的大衛·斯塔爾（David Stahl）團隊從西雅圖水族館的底泥中分離出來、并命名，成為人類已知的首個純培養海洋氨氧化古菌。

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▲上圖：在電子顯微鏡下，海洋氨氧化古菌細胞表面附著著數個紡錘形的病毒顆粒。這些被稱為“海洋氨氧化古菌紡錘形病毒1型”（NSV1）的個體屬于梭狀古菌病毒科（Thaspiviridae）。這類病毒專門感染海洋氨氧化古菌，通過裂解宿主細胞或改變其代謝，在調節深海微生物群落結構和全球氮循環中發揮著微妙而關鍵的作用。圖中比例尺為200納米。圖源：Jong-Geol Kim, Khaled S. Gazi, Mart Krupovic, Sung-Keun Rhee - Family: Thaspiviridae. ICTV Virus Taxonomy Profile: Thaspiviridae 2021 J Gen Virol. 2021 102(7):001631 (cropped, digitally enhanced)

它在地球化學循環中的角色至關重要。這些古菌隸屬于古菌界（Archaea），是海洋中最為龐大的微生物群體之一。估計它們占全球海洋微生物總數的20%~30%。即使陽光永遠無法到達的深海中，它們依然是那里的“常住居民”。雖然它們的體型微小，直徑通常只有幾百納米，但它們以驚人的數量影響著海洋的生態和生產力。

海洋氨氧化古菌的核心生存技能，就是“氨氧化”。它們能將海水中的氨（NH?）轉化為亞硝酸鹽（NO??）。這個過程不僅為它們提供了能量來源，更是海洋氮循環中的關鍵環節。通過這個轉化過程，它們主宰著海洋中氮元素的不同形態，間接影響了浮游植物的生長和繁殖。

研究發現，這類古菌即使在無光的缺氧環境下也能產生氧氣，這種罕見的“黑暗產氧”能力可能與其獨特的氨氧化路徑有關。這種古菌在碳固定方面表現出極高的能效。不同于許多細菌使用的卡爾文循環，海洋氨氧化古菌利用一種名為3-羥基丙酸/4-羥基丁酸的代謝途徑來同化無機碳。

這些古菌在資源貧乏的深海環境中展現了驚人的適應能力。深海的氨濃度通常低得幾乎無法察覺，往往低于百萬分之一摩爾；但海洋氨氧化古菌卻有著極強的底物親和力，能夠在幾乎沒有氨的環境中高效地捕捉能量，并完成碳固定。這種卓越的生存技巧，使得它們在艱難的海洋環境中得以生存并發揮重要作用。

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信息源 | 伊利諾伊大學

編譯 | 盧曉雨

編輯 | 海潮君

排版 | LXY

時間 | 2026年3月10日

【參考資料】
https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2531032123
http://journals.im.ac.cn/html/wswxtbcn/2015/4/tb15040774.htm
https://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/2022/1/2022192155748769208.shtm

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