深海生态系统 _生活百科

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深海生态系统【深海生态系统】深海中缺乏阳光，静水压力大，形成黑暗、低温和高压的环境。由于不能进行光合作用，深海生态系统中没有光合作用的植物，没有植食性动物，只有碎食性和肉食性动物、异养微生物和少量滤食性动物。目前人类已发现的深海生态系统包括：深海海山生态系统、深海化能合成生态系统、深渊生态系统、海底火山生态系统和海底湖泊生态系统等。
基本介绍中文名：深海生态系统
外文名：deepsea ecosystem
包括：海山、化能合成等生态系统
学科：海洋学
概述海洋的平均深度是3733m ， 90%的区域水深大于1000m 。人类对200m以浅的真光带了解得比较多，而对水深超1000m的深海的了解非常少，而深海是地球系统中非常关键的部分。当前对海洋生物多样性的了解主要集中于近海陆架及大洋表层。深海作为地球上最大的生物区系，是地球系统中最关键、最缺乏了解的部分。深海拥有丰富的海洋资源以及世界上最大的生物圈资源。人口增长以及海洋资源消耗的增加所带来的压力，使得深海资源成为人们迫切关注的问题。同时我们需要理解人类通过污染、资源开採以及气候变化对深海环境产生的影响，以及深海对人类的影响。因此需要通过深海研究来提高我们对这一知之甚少的环境的了解，反过来将促进对人类活动所引起的变化带来的影响预测，并促使通过可持续的方式来开採海洋资源。深海蕴藏着巨大的海洋生物多样性。从深海中採集的样品90%的物种为新种，深海被认为是海洋生物多样性的巨大宝库和生物进化新理论研究的重要场所。据统计，在过去的25～30年问，平均每个月可发现两个新的物种，极大地丰富了深海生物多样性的研究成果。深海是提高科学认知的重要领域，是战略性资源发现与利用的新途径，也是国家海洋科技实力展示的重要视窗。近几十年来，国际上针对深海生态系统开展了大量的调查研究工作，其中一个非常重要的计画是国际海洋生物普查计画（CensusofMarineLife ， CoMI．， 2001--2010）。该计画由美国斯隆基金会（SloanFoundation）发起，是国际上第一个针对全球海洋生物多样性及相关控制过程进行系统研究的大型计画。其主要目标是评估和解释海洋物种的不断变化的多样性、分布和丰度，从而了解海洋生命的过去和现在，并预测其未来的发展趋势。全球80多个国家、2000余名科研人员参与了该计画的研究。在CoML的14个现场研究计画中，有半数以上的计画和深海有关。对这部分的研究工作也是近十年来CoML的亮点所在，有许多新的发现，取得了重要进展。到2009年，科学家已经在光线无法到达的200m以下深海确认了17650个物种。其中有约6000种是在1000m以下的海水中发现的。海山生态系统海山是一种分布广泛的海底地形，经常因火山活动而形成。据估计全球範围内高度超过l000m的海山数量可能达到10万个。儘管人们知道海山由来已久，但对海山的研究很少，绝大部分集中在太平洋。在这些研究中，生物学的研究非常缺乏，许多是孤立的研究，仅局限于海山生态系统的某一个方面。现在已知海山上支持着高度的生物多样性和独特的生物群落，其上的物种具有高度的地方性。海山在海洋生物地理学格局中也可能发挥重要作用。海山通常被认为是高生产力的生态系统，并可作为鱼类、海洋哺乳动物与海洋鸟类的索饵场。但这些方面还缺乏清晰的证据，它们可能作为生物学热点区域的原因也不清楚。它们是渔业和採矿业的目标区域，因此易受海洋开发的影响。现在已经得到研究的海山数量很少，因此在全球尺度上对海山生物多样性的了解很少。我国对该领域的研究基本处于空白状态。对于海山生态系统的研究，重点关注以下科学问题：（1）在整个海山尺度上和海山内单个生境尺度上，驱动海山生物群落结构、多样性、生产力、物种地方性的关键因素是什幺?单个海山上的生物多样性通常很高，但是海山之间的变化很大，即使是距离很近的海山。同样，物种地方化的速率在不同海山间也有很大差别。因此应致力于识别影响海山生物多样性和群落的因素（如海山所处深度、形状和大小、位置、空间上的隔离、表层生产力、水文学、地质年代、底质类型等）。这有可能形成一种预测工具，模拟未开发海山的生物多样性水平，并在此基础上了解海山对海洋生物多样性的贡献，了解一些重要海山如何成为物种分化的场所。（2）影响海山和非海山区域间、海山之间，以及海山内部不同生境之间群落差异的关键过程是什幺?这一主题将聚焦于海山进化生物学，因而具有更大的空间和功能尺度。海山群落遗传隔离的程度有多大?海山动物区系的组成是否是由于有限的扩张或补充而形成的?海山与周围的深海生境之间相互作用的程度有多大?什幺样的功能特徵支持着海山上的高生物量?（3）海洋开发（渔业、採矿）对海山生物群落结构和功能的影响是什幺?许多海洋渔业针对海山进行开发，但是海山开发的位置、频率、程度等详细信息却非常缺乏。因此需要解决的关键问题是：海山已经开发的程度有多大?渔业活动对海山群落的可能影响是什幺?为了阐明上述问题，海山研究计画（CenSeam）在不同的区域开展了海山生态系统的综合研究，其中在东北大西洋的Seldo海山和Seine海山的研究（被称为OASIS计画）较为典型。OASIS的目标是描述海山生态系统的功能特徵，通过特定的方法，整合水文学、生物地球化学和生物学信息。基于两个海山个例研究， OASIS希望进一步理解海山生态系统以及它们对周围大洋的影响。这些科学结果，浓缩在概念和质量平衡生态模型中，将被用来形成一种模式化的管理计画，以及专门针对海山的管理计画。OASIS强调了5个方面的研究内容：①认识和描述影响海山生态系统的物理驱动机制；②评估海山上水体内和表层沉积物中颗粒有机物的来源、质量和动力学；③描述海山生物区的生物多样性和生态学，评估它们的动力学以及生产过程的维持机制；④模拟海山生态系统的营养生态学；⑤套用科学的知识进行实际的保护。这一计画的研究结果表明了海山生态系统是複杂的和多变的，与我们通常所认为的海山生态系统是高生产力、高生物现存量的认识不同，这两个海山的生物量都较低。然而，这个项目的结果表明了海山生态系统在水动力学、生物地球化学和生物学方面与周围的大洋相比具有清晰的海山效应，尤其是在流场、颗粒物通量以及底栖和浮游动物的分布和组成方面受地形特徵的强烈影响。主要的研究进展如下：水动力学方面：对Seldo和Seine海山的研究结果表明，两个海山都具有非常複杂的水动力学特徵，海山位于亚热带大西洋相似的生物地理学範围内，具有相似的动力学特徵。两个海山都有可能接受来自上游的具有重要生物学意义的物质或营养盐的输入，围绕山顶，有典型的反气旋环流模式。对于Seldo海山的精细观测表明，这种环流可能受各种背景流的影响，尤其受地中海水的漩涡影响。这对于物质在海山附近的被动传输和存留具有重要意义。呼吸代谢方面：电子传输系统在水体中的测定表明，海山上层的呼吸作用在不同季节间和不同海深海生态系统研究进展山间的变化很大，亚热带Seine海山的值较高，但两个海山中层（200～1000m）的值与之类似，呼吸作用随深度呈指数降低。与距离海山较远的对照区域相比，两个海山附近的呼吸作用和沉降作用并没有显着提高，表明海山对有机物的局部聚集作用并不如较大时空尺度的物理过程重要。中层呼吸的碳有15%～35%来自上层颗粒物的沉降。溶解有机碳和颗粒有机物在水柱中分布的季节和空间变化表明悬浮的颗粒有机碳在全年都形成一个非常稳定的池，与沉降的颗粒有机物池形成对比。颗粒有机物研究方面：发现悬浮的颗粒有机物具有很强的浮游植物特徵，也有大量的粪便和一些浮游动物。在冬季， Seldo海山表层水中悬浮颗粒有机物”N同位素的值与Seine海山相似，但在夏季， Seldo海山15N同位素的值很高。对于两个海山，悬浮颗粒有机物的质量都随深度降低。Seine海山氮同位素的值反应了有机物在水体中的异养作用、夏季的层化作用以及可能存在的有机物横向对流作用。这一结果表明，在海山上部的水体存在新鲜的、营养丰富的颗粒有机物。由于缺乏初级生产力的数据，认为这种有机物的富集机制可能是由于悬浮物质在两个研究站点的对流作用，在夏季已观测到脂类的富集作用，进一步支持同位素数据的结果。生物学研究方面：Seldo海山和Seine海山具有软底和硬底两种生境。在海山上并没有发现生物现存量增加的现象，但海山的效应在其他方面有所体现。与海山外围及周围的大洋相比，海山顶部浮游动物群落的生物量较低，平均大小较小，与海山上生产力增强的假说并不一致。在Seldo海山，低的浮游动物生物量与山顶上悬浮颗粒有机物质量的降低相一致。与此相对应，植食性的底栖浮游鱼类的现存量在山顶区域也较低。另一方面，长期的渔获量的数据表明，其中至少一个海山上支持着重要经济鱼类的产卵场。对于以软体动物为主的大型底栖动物多样性的研究表明，在Seldo海山上鉴定了408种，而在Seldo海山上仅有54种，两个海山的动物类群差别很大，路西塔尼亚物种和西非物种对Seine海山的影响较大，而Seldo海山与大西洋中脊的动物区系较为密切。共发现19个物种是科学上的新种。营养动力学模式方面：东北大西洋海山的营养动力学模型表明，这些海山是不成熟的，处于早期发展时期的系统。模式支持了这种系统中通常缺乏充足的资源来维持大型渔场的假说，认为这类海山生态系统主要受外来物质的支持，对于水体中初级生产和有机物的实际测定也说明了这一点。深海化能合成生态系统深海化能合成生态系统主要包括热液、冷泉和其他还原型生态系统如鲸骨生态系统等。海底热液喷口及其独特生物群落的发现是20世纪后期最显着的科学发现之一。海底热液群落是深海化能合成生态系统的重要组成部分。自1977年从加拉帕戈斯发现热液活动以来，几乎从每个海盆都可以找到海底热液喷口的证据。大洋中脊延伸6万千米，但迄今为止只针对极少部分的洋脊进行了热液研究。冷泉发现于1984年，现在认为在活跃的和不活跃的陆架边缘都存在冷泉系统。在其他深海也发现了由高度还原性沉积物支持的化能合成群落。微生物通过分解死亡鲸鱼的骨骼而释放硫化物，维持着硫化物氧化菌和以化能合成生产为基础的无脊椎动物群落。沉降的木材、聚集的有机物以及低氧区与陆架边缘海或海山的交错区，也会产生高度还原型生境，支持以化能合成为基础的生物群落。目前，对于化能合成系统生物地理学的了解仅局限于对少数地点的研究。在这些研究中，热液系统可能是了解最多的。热液喷口系统呈现一种线形的、全球尺度的分布，在时间和空间上是动态的、不连续的，有详细的物理和化学参数，它们的动物区系局限于以化能合成为基础的食物网。这些特徵的结合使热液系统成为生物地理学研究的理想场所。冷泉和其他还原型底质是较为开放的系统，迄今为止了解较少。研究上述系统中物种功能的多样性、营养路径和进化扩散对于我们了解所有化能合成驱动群落之间的关係是非常重要的。根据不同的研究目标， ChEss将其研究区域分为两类：组合区和具体区域。ChEss对于组合区给予特别的关注，因为这些区域的研究需要高度的国际合作。每一组合区所包含的区域範围都很广，有不同的化能合成系统和大量的生态学、地质学、进化学和地形学参数可以结合。研究这些区域的主要目的是评估不同系统间动物区系的关係，了解驱动其分布格局形成的关键过程。组合区主要包括：赤道大西洋带东、南太平洋区域、纽西兰区域。具体区域是进一步研究的关键区域，已经在国家和国际水平上引起关注。每一个具体的区域对于阐明化能合成系统的生物地理学问题都很重要。具体区域主要包括：加克（Gakkel）洋中脊、挪威一格陵兰海（超）慢洋脊、冰岛和亚述尔热点区之间的北大西洋中脊、巴西陆架边缘海、东斯科舍（EastScotia）洋脊和布兰斯菲尔德（Bransfield）海峡、西南印度洋脊、中印度洋脊。根据化能合成生态系统的类型，深海化能合成生态系统（ChEss）的研究内容主要包括3个方面：热液、冷泉和其他还原型生境的生物多样性和生物地理学。通过对不同类型化能合成生态系统的研究，有大量新的发现，包括新的物种、新的物种之间的联繫、微生物的新用途以及与地球化学环境之间的不同寻常的结合。在此基础上，总结了大量的生物学规律，从自然历史到分子微生物生态学、从繁殖、寄生和种群遗传学到生理学、行为、实验生态学、生物地理学和古生态学。这些研究提高了我们对这类特殊生境的了解，清楚地阐明了化能合成生态系统的研究已经进入了实验时代和“超越化学的时代” 。现在已经有可能培养热液喷口动物和鲸骨动物，有可能在海底创造同样的鲸骨化能合成生境。我们了解到在甲烷冷渗生态系统中，双瓣类的生长迅速，而管状蠕虫的生长则非常缓慢。动物生理学的研究揭示了对金属和硫化物毒性的新的适应策略，也发现了能够生活在几乎完全缺氧环境中的生物群落或者从木材中得到营养的生物群落。在热液喷口，共生的现象非常普遍，有许多新奇的发现：如第一个原生动物一细菌共生体、管状蠕虫体内的多重共生等。根据脂类和稳定同位素标记的研究，动物对热液和冷泉化能合成食物来源的利用非常複杂，具有多种途径。对化石记录的研究发现了管状蠕虫的特殊种群分化、桡足类特殊的繁殖模式、双瓣类系统发生方面的局限性，并将继续发现鲸骨等化能合成生态系统中心的物种和适应对策。这些研究涵盖了北太平洋、西太平洋和东太平洋，以及大西洋和黑海。近年来，这一学科在全球範围内高度协作，但仍需不断加深对不同化能合成生态系统生态和进化间相互作用的了解。概括深海化能合成生态系统（ChEss）主要研究成果，可归纳为3部分：（1）新物种的发现：自2002年以来，从热液、冷泉和鲸骨生态系统中发现了大约200个新种， 25个新属和2个新科；（2）深海化能合成生态系统全球生物地理格局；（3）幼虫生态学，由于化能合成生境的斑块分布以及短暂的特徵，幼虫的适应性对这些物种的存活具有显着的影响。深渊生态系统地球上50%的面积被深度超过3000m的深海所覆盖。与原来的认识不同，现在我们已经知道，深海平原的特点是生物的丰度和生物量很低，但物种的丰富度却很高，从深海中採集的样品90%的物种为新种。因此，深海被认为是海洋生物多样性的巨大宝库和生物进化新理论研究的重要场所，但关于深海物种分布、丰度以及控制因素的了解非常缺乏。CoML深渊生物多样性研究计画（CeDAMar）的目标是：记录深海平原真实的物种多样性，为全球变化研究、为更好地了解调控深海生物多样性的历史原因和生态因子奠定基础。深渊生物多样性研究最关注的两个方面是：（1）深海中有多少物种?它们是如何分布的?每一个物种所栖息的面积有多大?这些信息对于我们估计全球海洋中物种的丰富度的作用?（2）这些新的物种在成千上万平方公里看似均一的环境中是如何进化的?是否存在其他重要的方面?为解决上述问题， CoML深渊生物多样性研究计画针对大西洋、太平洋、印度洋、南大洋、地中海等典型区域开展大量的现场调查和研究，对深海动物分布格局及其生物学方面获得了很多新的认识。同时，也发现、鉴定和描述了大量新的物种。从2000年至2009年年间，所发现的物种数目已达到414种。目前估计深海中的物种数量在5千万至1亿个之间变动。来发展趋势与建议综上所述，国际上深海大洋研究的未来发展趋势表现为：（1）研究重点趋向于全球深海大洋中的不同生境，包括海山生态系统、深海化能合成生态系统、深渊生态系统、洋中脊生态系统等，注重不同深海生态系统之间的关係研究。（2）研究内容和方法趋向多学科交叉、渗透和综合，包括物理海洋学、化学海洋学、地球物理、生态过程、生物多样性与资源潜力。（3）研究方式趋向全球化和国际化。深海研究技术难度大，基础薄弱，深海大洋各种过程错综複杂，不从全球化的观点和高度，不用国际合作的方式去组织研究、开展综合调查实验，不管从人力物力，还是技术势力来说，都是非常困难的。（4）研究手段不断採用高新技术，并向全覆盖、立体化、自动化和信息化方向发展。随着我国国力的提高和国家海洋战略的改变，开展深海研究与探索的时机已经成熟。技术与装备水平的提高，如新型综合科学考察船的建造使我们具备了深海大洋综合探测与研究的能力。思想认识上的提高，使我们意识到海洋强国的重要标誌之一是具有深海研究与探索的能力，而且近几十年海洋上的重大发现大部分出现在深海。深海研究同时也是科学与技术有机结合的良好体现，对技术发展具有重要的推动作用。虽然国际上针对深海已经开展了一定的研究，但是对于对我国近海有重大影响的西太平洋深海大洋区，基本没有涉及。西太是全球海洋生物多样性最高的区域之一，要提升对深海生命的探索与科学发现，加强海洋高新技术的研发，开展西太平洋深海大洋生态系统的研究至关重要。目前我国在海洋古环境方面具有一定优势，应当在其优先发展的同时逐步拓宽研究範围，大力推进深海热液系统、深部生物圈等方面的研究，早日形成一支深海研究队伍。为此，应根据我们的国情和能力，制定详细可行的深海研究计画，包括研究靶区，拟解决的关键科学问题，将深海观测系统列入中长期发展规划，无论从2020年实现经济大国的目标还是能源与安全的保障出发，都要求将深海大洋列为科技发展的重点。同时，密切追蹤国际深海观测技术发展动态，有计画地同已开发国家开展合作和技术交流，取得先进技术及经验。在技术支撑方面，研发具有我国自主智慧财产权的深海探测装备，如：原位探测设备、可视化探测设备、高保真採样设备、极端条件的培养设备、载人深潜设备、大洋钻探设备等，积极进行国际合作，取得经验，为我所用。在机制体制上，建立科学考察船、深海装备、深海大洋数据和样品库共享机制，建设深海研究平台，建立一支多学科深海大洋研究团队，为深海大洋研究提供基础条件的保障。