Alvin 操縱器將 SOLARIS 移動到 Paragorgia arborea 群落的表面。圖片來源：伍茲霍爾海洋研究所

就像我們一樣，珊瑚吸入氧氣并吃有機碳。就像我們一樣，作為在體內(nèi)轉(zhuǎn)換能量和氧氣的副產(chǎn)品，珊瑚會產(chǎn)生活性氧（ROS），這是細胞在細胞分裂過程中自然產(chǎn)生的化合物家族，同時抵抗病原體，并執(zhí)行其他生理功能。

但直到現(xiàn)在，還不知道健康的深海珊瑚是否會產(chǎn)生一種特殊類型的ROS，稱為超氧化物（O2•-).超氧化物是一種高反應(yīng)性 ROS，以影響海洋生態(tài)學(xué)、生物體生理學(xué)和驅(qū)動海洋中的化學(xué)反應(yīng)而聞名，包括碳的分解以及金屬和營養(yǎng)物質(zhì)的生物利用度。

發(fā)表在PNAS Nexus上的一項研究揭示了深海珊瑚和海綿確實會產(chǎn)生ROS超氧化物，這意味著這些化學(xué)物質(zhì)對深海中的海洋生物和化學(xué)產(chǎn)生了一系列以前未知的影響。作者證明，ROS不僅是一種應(yīng)激反應(yīng)，而且是其功能的基本組成部分。

在這項研究中，作者通過將一種名為SOLARIS的深�；瘜W(xué)發(fā)光傳感器帶入Alvin潛水器上2000多米深的海洋中，直接測量了珊瑚周圍水中的超氧化物。

“這是這種化學(xué)物質(zhì)在深海中的測量，”伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）海洋化學(xué)和地球化學(xué)科學(xué)家、該研究的作者Colleen Hansel說。

探測海洋中的超氧化物是一項獨特的具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要從化學(xué)到物理學(xué)再到工程學(xué)的協(xié)作專業(yè)知識。作為一種高反應(yīng)性化合物，超氧化物在水中只能持續(xù)幾秒鐘。WHOI工程師Jason Kapit是該論文的合著者，William Pardis以及Hansel和副科學(xué)家Scott Wankel開發(fā)了SOLARIS系統(tǒng)，作為一種機器人控制的儀器，能夠在珊瑚表面吸入水。

水進入檢測棒并在腔室內(nèi)混合，在那里與超氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生可以實時測量的光。在這次探險中，魔杖的運動由阿爾文的機械臂控制，卡皮特和漢塞爾是三人小組的一部分，潛入阿爾文體內(nèi)。

“這個項目的一個奇妙方面是，它以WHOI特殊方式將科學(xué)和工程結(jié)合在一起，”Kapit說。

2019 年 10 月，SOLARIS 在加利福尼亞州海岸附近的蒙特利灣國家海洋保護區(qū)進行了潛水，在那里他們發(fā)現(xiàn)了生活在受保護的海洋環(huán)境中的大型健康珊瑚。這有助于消除超氧化物僅作為應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生的可能性。

根據(jù)Hansel的說法，他們測量的珊瑚正在用一種叫做NOX的酶產(chǎn)生超氧化物，這種酶在細胞外將氧氣轉(zhuǎn)化為超氧化物，這意味著它可能是它們正常生命功能的基本組成部分 - 無論是生長，還是可能產(chǎn)生它來擊暈獵物。他們研究中的深海珊瑚沒有像淺珊瑚那樣的藻類共生體 - 已知這些共生體會產(chǎn)生細胞外ROS，并且長期以來一直被認為是起源于共生藻類。

這些發(fā)現(xiàn)排除了藻類作為超氧化物的來源，而是表明珊瑚動物本身或其細菌共生體是來源。如果沒有進一步的研究，作者不能完全排除細菌可能在ROS的產(chǎn)生中發(fā)揮作用，但作者認為這不太可能，因為這里研究的珊瑚中存在NOX。

WHOI 科學(xué)家 Colleen Hansel 在 HOV Alvin 內(nèi)部。圖片來源：伍茲霍爾海洋研究所）

“特別是在過去十年中，有許多研究開始確定細胞外ROS的產(chǎn)生，如超氧化物，如何對生物體產(chǎn)生有益的方面，”海洋化學(xué)與地球化學(xué)聯(lián)合項目學(xué)生Lina Taenzer說，該研究的主要作者，她于2019年加入WHOI的Hansel實驗室。她還潛入Alvin，用SOLARIS測量超氧化物。

“令人著迷的是，珊瑚可以調(diào)節(jié)ROS，以便向其他細胞發(fā)出信號，并改變它們的功能和對環(huán)境的反應(yīng)，”Taenzer說。“就細胞防御機制而言，這也很有趣。例如，如果生物體受到病原體的入侵，它們可能會產(chǎn)生強烈的氧化爆發(fā)。這是一種保護自己的化學(xué)戰(zhàn)。另一方面，超氧化物的過量產(chǎn)生會對動物產(chǎn)生不利影響，并會降解體內(nèi)蛋白質(zhì)并分解DNA。

物種多樣性也很重要。在阿爾文潛水期間，Taenzer偶然測量了各種物種，包括海綿和海星。

“有一個探索的方面，我們使用了一種以前從未使用過的新儀器，這讓它非常令人興奮和欣慰，”Taenzer說。

雖然我們對深海珊瑚的功能和對環(huán)境的反應(yīng)還有很多不了解，但這項研究有助于闡明珊瑚健康和活動的基本控制�？茖W(xué)家了解和分享的越多，他們就越能準確地預(yù)測珊瑚生態(tài)系統(tǒng)將如何應(yīng)對海洋變暖和氣候變化。

“如果我們不了解珊瑚目前在基線條件下的功能，就很難模擬珊瑚將如何應(yīng)對不斷變化的海洋條件，”漢塞爾說。“我們需要了解健康的珊瑚是什么樣子的，生病的珊瑚是什么樣子的，以及控制這些生物的健康和生理機能的一些因素是什么。

長期目標是使用SOLARIS測量世界其他地區(qū)的珊瑚、深海海綿和其他產(chǎn)生ROS的生物，以便更了解海洋生物如何影響海洋化學(xué)。

“在深海中發(fā)現(xiàn)這些高活性化合物也可能影響碳循環(huán)、金屬循環(huán)和微生物生態(tài)學(xué)，僅舉幾例。在這一點上，這是一個完全未知的，但在更廣泛的范圍內(nèi)思考是令人興奮的，“漢塞爾說。