住在海底煉獄啃著“砒霜”，這蟲子殺瘋了！

在太平洋深處，距離海面一千多米的黑暗世界里，地球內(nèi)部的熾熱巖漿與冰冷海水激烈碰撞，形成了一個個神秘的深海熱液噴口。這里的環(huán)境之惡劣，足以讓絕大多數(shù)生命望而卻步——高達上百度的灼熱海水攜帶著致命的硫化氫和重金屬毒素，如巨獸般從海底裂隙噴涌而出。然而，就在這個看似生命禁區(qū)的地方，一種鮮艷奪目的黃色蠕蟲卻在茁壯生長，它們甚至能在距離噴口不足20厘米的位置成群棲息。

這種神奇的生物叫賀氏擬阿爾文蟲（Paralvinella hessleri），屬于阿爾文蟲科的多毛類環(huán)節(jié)動物。最近，中國科學院海洋研究所的研究團隊揭開了這種深海生物適應極端環(huán)境的驚人秘密——它們通過一種前所未見的“以毒攻毒”策略，將兩種劇毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害的礦物質(zhì)，從而在這片生命禁區(qū)里繁衍生息。這項研究成果，為我們理解生命的適應性演化提供了全新視角。

神秘深海生物阿爾文蟲的“定妝照”（圖片來源：參考文獻1）

Part.1

黃色精靈的棲息地

沖繩海槽，位于中國東海大陸架與琉球群島之間，是西太平洋最活躍的弧后擴張盆地之一。在這片海域的深處，分布著多個熱液活動區(qū)，其中伊平屋北熱液區(qū)和JADE熱液區(qū)是賀氏擬阿爾文蟲的主要棲息地。中國科學院海洋研究所的科考團隊利用“科學”號科考船和“發(fā)現(xiàn)”號深海機器人，在水深1300多米的海底開展了詳細調(diào)查。

海底熱泉分布圖（圖片來源：維基百科）

熱液噴口附近的生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)出明顯的梯度分布。最靠近噴口的區(qū)域被白色微生物膜覆蓋，這里溫度極高、毒性極強，只有賀氏擬阿爾文蟲能夠生存；稍遠一些的地方棲息著鎧甲蝦；而深海貽貝則生活在更外圍相對溫和的區(qū)域。這種空間分布反映出不同生物對極端環(huán)境的耐受能力差異。研究發(fā)現(xiàn)，賀氏擬阿爾文蟲生活和覓食的微生物膜中，重金屬含量驚人地高，而噴口流體中的硫化氫濃度更是超過了1毫摩爾。

與深海化能合成生態(tài)系統(tǒng)中的其他“居民”不同，賀氏擬阿爾文蟲通體呈現(xiàn)罕見的亮黃色。在終年不見陽光的深海，大多數(shù)生物要么近乎透明或呈灰白色，要么因富含血紅蛋白而呈現(xiàn)橙紅色。因此，這種鮮艷的黃色在深海生物中極為少見，立刻引起了科學家的注意。

阿爾文蟲（Paralvinella hessleri）的圖像：A： 分布在伊平屋北部熱液噴口區(qū)的 P. hessleri 聚落。噴口區(qū)的生物群落沿環(huán)境梯度呈現(xiàn)明顯變化。靠近熱液噴口的區(qū)域被白色黏液狀菌膜覆蓋（為 P. hessleri 群落）。黑箭頭所示區(qū)域為環(huán)繞在 P. hessleri 群落周圍的深海龍蝦（Shinkaia crosnieri），而白箭頭所示的貽貝科（BathyModiolinae）則棲息在更遠處。A′： 靠近熱液噴口處 P. hessleri 蠕蟲的放大圖像。B： 一只外翻口觸手的 P. hessleri 標本（側(cè)視圖）。可見其體色呈鮮亮的黃色。C： P. hessleri 的背足（notopod）放大圖。D： 鰓器（branchial apparatus）莖部的放大圖。圖 C 與圖 D 均顯示 P. hessleri 的表皮中含有黃色顆粒。（圖片來源：維基百科）

Part.2

致命的砷積累

通過精密的化學分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)了一個驚人的事實：賀氏擬阿爾文蟲體內(nèi)的砷含量達到了10,189微克每克鮮重，約占其體重的1%。這個濃度比大多數(shù)已知的砷超積累生物還要高出一個數(shù)量級。更令人震驚的是，這些砷中有92.21%是毒性極強的三價無機砷，而非相對低毒的有機砷化合物。

砷是一種劇毒的類金屬元素，因其化學性質(zhì)與磷相似，容易被細胞的轉(zhuǎn)運蛋白吸收，對生物體造成嚴重危害。在人類和大多數(shù)動物中，即使微量的無機砷暴露也會導致癌癥、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等嚴重健康問題。三價砷的毒性比五價砷強約10倍，是環(huán)境中最危險的污染物之一。

深海熱液系統(tǒng)的特殊之處在于，這里缺乏能將無機砷轉(zhuǎn)化為低毒有機砷的光合浮游植物和大型藻類。因此，賀氏擬阿爾文蟲主要暴露于有毒的無機砷環(huán)境中。西太平洋弧后盆地的熱液噴口釋放的砷濃度遠高于東太平洋海隆等其他熱液區(qū)，使得賀氏擬阿爾文蟲面臨的砷毒性挑戰(zhàn)更為嚴峻。

Part.3

黃色顆粒的秘密

為了探究賀氏擬阿爾文蟲亮黃色的來源，研究團隊運用了多種先進的顯微技術(shù)進行深入分析。他們發(fā)現(xiàn)，這種黃色來自于分布在蟲體表皮細胞中的大量球形顆粒。這些顆粒不僅存在于體壁和鰓絲的表皮，還出現(xiàn)在口觸手和消化道的上皮細胞中。

在鰓絲尖端，黃色顆粒的平均直徑為1.29微米；在體壁表皮細胞中為1.04微米；而在口觸手中的顆粒較小，平均直徑僅0.77微米。有趣的是，所有含有這些顆粒的細胞都直接與海水接觸，而且顆粒總是聚集在靠近海水一側(cè)的細胞質(zhì)中。

通過掃描電鏡和透射電鏡的超微結(jié)構(gòu)分析，研究人員確認這些黃色顆粒位于細胞內(nèi)的液泡中，被膜結(jié)構(gòu)包裹。掃描透射電鏡-能譜（STEM-EDX）元素分析揭示，顆粒外層富含氧、鋨和砷，而內(nèi)部主要由砷和硫組成。微區(qū)拉曼光譜分析進一步確認，這些黃色顆粒的成分與標準的三硫化二砷（As?S?，即雌黃礦物）完全一致。

雌黃是一種天然的砷硫化物礦物，在還原性、低溫和近中性pH條件下是熱力學上最穩(wěn)定的砷硫化物相。它獨特的亮黃色正好解釋了賀氏擬阿爾文蟲體色的來源。這一發(fā)現(xiàn)令人震驚——活體動物竟然能在自己的細胞內(nèi)形成礦物！

阿爾文蟲 (Paralvinella hessleri) 體內(nèi)黃色顆粒的顯微鏡分析。A： 石蠟包埋并沿縱軸切片的 P. hessleri 個體，顯示其體內(nèi)結(jié)構(gòu)。B： P. hessleri 主要組織中黃色顆粒的大小分布。C： P. hessleri 主要組織中每個細胞內(nèi)黃色顆粒的數(shù)量。D： 鰓器末端的橫切面。E： 鰓器莖部的縱切面。F： 體壁的縱切面。G： 口觸手的縱切面。H： 消化道的橫切面。ASW：環(huán)境海水；ci：纖毛；cu：角質(zhì)層。（圖片來源：參考文獻1）

Part.4

“以毒攻毒”的生化機制

基于全基因組測序和蛋白質(zhì)組學分析，中國科學院海洋研究所的研究人員提出了賀氏擬阿爾文蟲獨特的“以毒攻毒”解毒機制。

首先，砷通過攝食含高濃度砷的微生物膜或直接吸收進入蟲體。多藥耐藥轉(zhuǎn)運蛋白（MRP）在砷的轉(zhuǎn)運中發(fā)揮關(guān)鍵作用。免疫熒光實驗顯示，MRP不僅存在于鰓絲上皮細胞的膜上，還特異性地定位在黃色顆粒周圍的膜結(jié)構(gòu)上，表明它參與將砷富集到細胞內(nèi)液泡的過程。

與此同時，環(huán)境中高濃度的硫化氫通過擴散進入上皮細胞。硫化氫是另一種劇毒物質(zhì)，它能抑制細胞呼吸鏈，對需氧生物具有致命威脅。研究發(fā)現(xiàn)，賀氏擬阿爾文蟲的細胞內(nèi)血紅蛋白在硫化氫的運輸中起重要作用。基因表達分析顯示，兩種細胞內(nèi)血紅蛋白（iHem-1和iHem-2）在進行礦化的組織中高度表達。

在細胞內(nèi)液泡這個特殊的微環(huán)境中，砷與硫化氫相遇并發(fā)生化學反應，形成不溶性的雌黃礦物沉淀。通過這種方式，兩種劇毒物質(zhì)被同時“鎖定”并失去毒性。這就像是讓兩個敵人相互制約，最終達到和平共處的效果。

硫同位素分析為這一機制提供了有力支持。賀氏擬阿爾文蟲的δ34S值為7.19±0.98‰，與伊平屋北熱液噴口流體中硫化氫的δ34S值（7.4-7.7‰）高度一致，表明蟲體中的硫主要直接來源于熱液噴口的硫化氫，而非通過生物代謝獲得。

Part.5

演化的智慧與科學啟示

賀氏擬阿爾文蟲的“以毒攻毒”適應機制代表了動物利用環(huán)境毒素實現(xiàn)自我解毒的獨特演化策略。這不僅為理解動物的適應性演化提供了新視角，也為生物礦化研究開辟了新方向。

傳統(tǒng)上，我們對動物生物礦化的理解主要集中在骨骼、牙齒、貝殼等支撐和保護結(jié)構(gòu)的形成。而賀氏擬阿爾文蟲的細胞內(nèi)雌黃礦化則展示了生物礦化的另一個功能——解毒。這種跨越多個組織的礦化過程不是為了加固組織，而是為了中和環(huán)境毒素，代表了生物礦化功能的新范式。

有趣的是，在同樣富含硫化氫的深海熱液生態(tài)系統(tǒng)中，目前僅發(fā)現(xiàn)兩種動物能夠形成硫化物礦物：賀氏擬阿爾文蟲和鱗足螺。盡管它們獲取硫化物的機制不同——前者直接從噴口流體獲取，后者通過內(nèi)共生菌產(chǎn)生——但兩者礦化的目的都是保護自身免受毒素傷害。這種趨同演化突顯了生物礦化在極端環(huán)境適應中的重要性。

此外，這項研究還暗示砷這種通常被認為是“非必需”有毒元素的物質(zhì)，可能在某些極端環(huán)境中發(fā)揮著促進生物適應的作用。在太平洋馬努斯海盆，多種軟體動物也積累了大量無機砷，且主要分布在與硫化氫接觸的鰓部，暗示可能存在類似的解毒機制。

鱗足螺是一種生活在深海熱泉的海螺（圖片來源：維基百科）

Part.6

深海的啟示

在地球最極端的環(huán)境之一——深海熱液噴口，賀氏擬阿爾文蟲展現(xiàn)了生命驚人的創(chuàng)造力和適應性。通過將兩種致命的環(huán)境毒素轉(zhuǎn)化為無害的礦物，這種小小的蠕蟲不僅在地獄般的環(huán)境中生存下來，還在那里繁榮興旺，形成了高密度的種群。

這一發(fā)現(xiàn)提醒我們，生命的韌性和創(chuàng)造力遠超我們的想象。在看似不可能存在生命的地方，大自然總能找到獨特的解決方案。賀氏擬阿爾文蟲的“以毒攻毒”策略，不僅是一個精彩的演化故事，也為我們理解生命如何應對環(huán)境挑戰(zhàn)、開發(fā)新的生物修復技術(shù)、甚至尋找地外生命提供了重要啟示。

當我們仰望星空，思考生命是否存在于其他星球的極端環(huán)境中時，深海熱液噴口的這些“煉金術(shù)士”告訴我們：生命總能找到出路，即使是在最不可能的地方。賀氏擬阿爾文蟲用它獨特的生存智慧證明，有時候，最好的防御不是逃避，而是將威脅轉(zhuǎn)化為保護——真正的“以毒攻毒”。

參考文獻：

【1】Wang H, Cao L, Zhang H, Zhong Z, Zhou L, et al. (2025) A deep-sea hydrothermal vent worm detoxifies arsenic and sulfur by intracellular biomineralization of orpiment (As2S3). PLOS Biology 23(8): e3003291.https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003291

出品：科普中國

作者：郭菲

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本文首發(fā)于中國科普博覽（kepubolan）

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