深海中缺乏陽光，靜水壓力大，形成黑暗、低溫和高壓的環境。由於不能進行光合作用，深海生態系統中沒有光合作用的植物，沒有植食性動物，只有碎食性和肉食性動物、異養微生物和少量濾食性動物。目前人類已發現的深海生態系統包括：深海海山生態系統、深海化能合成生態系統、深淵生態系統、海底火山生態系統和海底湖泊生態系統等。
基本介紹
- 中文名：深海生態系統
- 外文名：deepsea ecosystem
- 包括：海山、化能合成等生態系統
- 學科：海洋學
概述,海山生態系統,深海化能合成生態系統,深淵生態系統,來發展趨勢與建議,
概述
海洋的平均深度是3733m，90%的區域水深大於1000m。人類對200m以淺的真光帶了解得比較多，而對水深超1000m的深海的了解非常少，而深海是地球系統中非常關鍵的部分。當前對海洋生物多樣性的了解主要集中於近海陸架及大洋表層。深海作為地球上最大的生物區系，是地球系統中最關鍵、最缺乏了解的部分。深海擁有豐富的海洋資源以及世界上最大的生物圈資源。人口增長以及海洋資源消耗的增加所帶來的壓力，使得深海資源成為人們迫切關注的問題。同時我們需要理解人類通過污染、資源開採以及氣候變化對深海環境產生的影響，以及深海對人類的影響。因此需要通過深海研究來提高我們對這一知之甚少的環境的了解，反過來將促進對人類活動所引起的變化帶來的影響預測，並促使通過可持續的方式來開採海洋資源。
深海蘊藏著巨大的海洋生物多樣性。從深海中採集的樣品90%的物種為新種，深海被認為是海洋生物多樣性的巨大寶庫和生物進化新理論研究的重要場所。據統計，在過去的25～30年問，平均每個月可發現兩個新的物種，極大地豐富了深海生物多樣性的研究成果。深海是提高科學認知的重要領域，是戰略性資源發現與利用的新途徑，也是國家海洋科技實力展示的重要視窗。
近幾十年來，國際上針對深海生態系統開展了大量的調查研究工作，其中一個非常重要的計畫是國際海洋生物普查計畫（CensusofMarineLife，CoMI．，2001--2010）。該計畫由美國斯隆基金會（SloanFoundation）發起，是國際上第一個針對全球海洋生物多樣性及相關控制過程進行系統研究的大型計畫。其主要目標是評估和解釋海洋物種的不斷變化的多樣性、分布和豐度，從而了解海洋生命的過去和現在，並預測其未來的發展趨勢。全球80多個國家、2000餘名科研人員參與了該計畫的研究。在CoML的14個現場研究計畫中，有半數以上的計畫和深海有關。對這部分的研究工作也是近十年來CoML的亮點所在，有許多新的發現，取得了重要進展。到2009年，科學家已經在光線無法到達的200m以下深海確認了17650個物種。其中有約6000種是在1000m以下的海水中發現的。
海山生態系統
海山是一種分布廣泛的海底地形，經常因火山活動而形成。據估計全球範圍內高度超過l000m的海山數量可能達到10萬個。儘管人們知道海山由來已久，但對海山的研究很少，絕大部分集中在太平洋。在這些研究中，生物學的研究非常缺乏，許多是孤立的研究，僅局限于海山生態系統的某一個方面。現在已知海山上支持著高度的生物多樣性和獨特的生物群落，其上的物種具有高度的地方性。海山在海洋生物地理學格局中也可能發揮重要作用。海山通常被認為是高生產力的生態系統，並可作為魚類、海洋哺乳動物與海洋鳥類的索餌場。但這些方面還缺乏清晰的證據，它們可能作為生物學熱點區域的原因也不清楚。它們是漁業和採礦業的目標區域，因此易受海洋開發的影響。現在已經得到研究的海山數量很少，因此在全球尺度上對海山生物多樣性的了解很少。我國對該領域的研究基本處於空白狀態。
對於海山生態系統的研究，重點關注以下科學問題：
（1）在整個海山尺度上和海山內單個生境尺度上，驅動海山生物群落結構、多樣性、生產力、物種地方性的關鍵因素是什麼?
單個海山上的生物多樣性通常很高，但是海山之間的變化很大，即使是距離很近的海山。同樣，物種地方化的速率在不同海山間也有很大差別。因此應致力於識別影響海山生物多樣性和群落的因素（如海山所處深度、形狀和大小、位置、空間上的隔離、表層生產力、水文學、地質年代、底質類型等）。這有可能形成一種預測工具，模擬未開發海山的生物多樣性水平，並在此基礎上了解海山對海洋生物多樣性的貢獻，了解一些重要海山如何成為物種分化的場所。
（2）影響海山和非海山區域間、海山之間，以及海山內部不同生境之間群落差異的關鍵過程是什麼?
這一主題將聚焦于海山進化生物學，因而具有更大的空間和功能尺度。海山群落遺傳隔離的程度有多大?海山動物區系的組成是否是由於有限的擴張或補充而形成的?海山與周圍的深海生境之間相互作用的程度有多大?什麼樣的功能特徵支持著海山上的高生物量?
（3）海洋開發（漁業、採礦）對海山生物群落結構和功能的影響是什麼?
許多海洋漁業針對海山進行開發，但是海山開發的位置、頻率、程度等詳細信息卻非常缺乏。因此需要解決的關鍵問題是：海山已經開發的程度有多大?漁業活動對海山群落的可能影響是什麼?
為了闡明上述問題，海山研究計畫（CenSeam）在不同的區域開展了海山生態系統的綜合研究，其中在東北大西洋的Seldo海山和Seine海山的研究（被稱為OASIS計畫）較為典型。OASIS的目標是描述海山生態系統的功能特徵，通過特定的方法，整合水文學、生物地球化學和生物學信息。基於兩個海山個例研究，OASIS希望進一步理解海山生態系統以及它們對周圍大洋的影響。這些科學結果，濃縮在概念和質量平衡生態模型中，將被用來形成一種模式化的管理計畫，以及專門針對海山的管理計畫。OASIS強調了5個方面的研究內容：
①認識和描述影響海山生態系統的物理驅動機制；②評估海山上水體內和表層沉積物中顆粒有機物的來源、質量和動力學；③描述海山生物區的生物多樣性和生態學，評估它們的動力學以及生產過程的維持機制；④模擬海山生態系統的營養生態學；⑤套用科學的知識進行實際的保護。
這一計畫的研究結果表明了海山生態系統是複雜的和多變的，與我們通常所認為的海山生態系統是高生產力、高生物現存量的認識不同，這兩個海山的生物量都較低。然而，這個項目的結果表明了海山生態系統在水動力學、生物地球化學和生物學方面與周圍的大洋相比具有清晰的海山效應，尤其是在流場、顆粒物通量以及底棲和浮遊動物的分布和組成方面受地形特徵的強烈影響。主要的研究進展如下：
水動力學方面：對Seldo和Seine海山的研究結果表明，兩個海山都具有非常複雜的水動力學特徵，海山位於亞熱帶大西洋相似的生物地理學範圍內，具有相似的動力學特徵。兩個海山都有可能接受來自上游的具有重要生物學意義的物質或營養鹽的輸入，圍繞山頂，有典型的反氣旋環流模式。對於Seldo海山的精細觀測表明，這種環流可能受各種背景流的影響，尤其受地中海水的漩渦影響。這對於物質在海山附近的被動傳輸和存留具有重要意義。
呼吸代謝方面：電子傳輸系統在水體中的測定表明，海山上層的呼吸作用在不同季節間和不同海深海生態系統研究進展山間的變化很大，亞熱帶Seine海山的值較高，但兩個海山中層（200～1000m）的值與之類似，呼吸作用隨深度呈指數降低。與距離海山較遠的對照區域相比，兩個海山附近的呼吸作用和沉降作用並沒有顯著提高，表明海山對有機物的局部聚集作用並不如較大時空尺度的物理過程重要。中層呼吸的碳有15%～35%來自上層顆粒物的沉降。溶解有機碳和顆粒有機物在水柱中分布的季節和空間變化表明懸浮的顆粒有機碳在全年都形成一個非常穩定的池，與沉降的顆粒有機物池形成對比。
顆粒有機物研究方面：發現懸浮的顆粒有機物具有很強的浮游植物特徵，也有大量的糞便和一些浮遊動物。在冬季，Seldo海山表層水中懸浮顆粒有機物”N同位素的值與Seine海山相似，但在夏季，Seldo海山15N同位素的值很高。對於兩個海山，懸浮顆粒有機物的質量都隨深度降低。Seine海山氮同位素的值反應了有機物在水體中的異養作用、夏季的層化作用以及可能存在的有機物橫向對流作用。這一結果表明，在海山上部的水體存在新鮮的、營養豐富的顆粒有機物。由於缺乏初級生產力的數據，認為這種有機物的富集機制可能是由於懸浮物質在兩個研究站點的對流作用，在夏季已觀測到脂類的富集作用，進一步支持同位素數據的結果。
生物學研究方面：Seldo海山和Seine海山具有軟底和硬底兩種生境。在海山上並沒有發現生物現存量增加的現象，但海山的效應在其他方面有所體現。與海山外圍及周圍的大洋相比，海山頂部浮遊動物群落的生物量較低，平均大小較小，與海山上生產力增強的假說並不一致。在Seldo海山，低的浮遊動物生物量與山頂上懸浮顆粒有機物質量的降低相一致。與此相對應，植食性的底棲浮游魚類的現存量在山頂區域也較低。另一方面，長期的漁獲量的數據表明，其中至少一個海山上支持著重要經濟魚類的產卵場。對於以軟體動物為主的大型底棲動物多樣性的研究表明，在Seldo海山上鑑定了408種，而在Seldo海山上僅有54種，兩個海山的動物類群差別很大，路西塔尼亞物種和西非物種對Seine海山的影響較大，而Seldo海山與大西洋中脊的動物區系較為密切。共發現19個物種是科學上的新種。
營養動力學模式方面：東北大西洋海山的營養動力學模型表明，這些海山是不成熟的，處於早期發展時期的系統。模式支持了這種系統中通常缺乏充足的資源來維持大型漁場的假說，認為這類海山生態系統主要受外來物質的支持，對於水體中初級生產和有機物的實際測定也說明了這一點。
深海化能合成生態系統
深海化能合成生態系統主要包括熱液、冷泉和其他還原型生態系統如鯨骨生態系統等。海底熱液噴口及其獨特生物群落的發現是20世紀後期最顯著的科學發現之一。海底熱液群落是深海化能合成生態系統的重要組成部分。自1977年從加拉帕戈斯發現熱液活動以來，幾乎從每個海盆都可以找到海底熱液噴口的證據。大洋中脊延伸6萬千米，但迄今為止只針對極少部分的洋脊進行了熱液研究。冷泉發現於1984年，現在認為在活躍的和不活躍的陸架邊緣都存在冷泉系統。在其他深海也發現了由高度還原性沉積物支持的化能合成群落。微生物通過分解死亡鯨魚的骨骼而釋放硫化物，維持著硫化物氧化菌和以化能合成生產為基礎的無脊椎動物群落。沉降的木材、聚集的有機物以及低氧區與陸架邊緣海或海山的交錯區，也會產生高度還原型生境，支持以化能合成為基礎的生物群落。目前，對於化能合成系統生物地理學的了解僅局限於對少數地點的研究。在這些研究中，熱液系統可能是了解最多的。熱液噴口系統呈現一種線形的、全球尺度的分布，在時間和空間上是動態的、不連續的，有詳細的物理和化學參數，它們的動物區系局限於以化能合成為基礎的食物網。這些特徵的結合使熱液系統成為生物地理學研究的理想場所。冷泉和其他還原型底質是較為開放的系統，迄今為止了解較少。研究上述系統中物種功能的多樣性、營養路徑和進化擴散對於我們了解所有化能合成驅動群落之間的關係是非常重要的。
根據不同的研究目標，ChEss將其研究區域分為兩類：組合區和具體區域。ChEss對於組合區給予特別的關注，因為這些區域的研究需要高度的國際合作。每一組合區所包含的區域範圍都很廣，有不同的化能合成系統和大量的生態學、地質學、進化學和地形學參數可以結合。研究這些區域的主要目的是評估不同系統間動物區系的關係，了解驅動其分布格局形成的關鍵過程。組合區主要包括：赤道大西洋帶東、南太平洋區域、紐西蘭區域。具體區域是進一步研究的關鍵區域，已經在國家和國際水平上引起關注。每一個具體的區域對於闡明化能合成系統的生物地理學問題都很重要。具體區域主要包括：加克（Gakkel）洋中脊、挪威一格陵蘭海（超）慢洋脊、冰島和亞述爾熱點區之間的北大西洋中脊、巴西陸架邊緣海、東斯科舍（EastScotia）洋脊和布蘭斯菲爾德（Bransfield）海峽、西南印度洋脊、中印度洋脊。
根據化能合成生態系統的類型，深海化能合成生態系統（ChEss）的研究內容主要包括3個方面：熱液、冷泉和其他還原型生境的生物多樣性和生物地理學。通過對不同類型化能合成生態系統的研究，有大量新的發現，包括新的物種、新的物種之間的聯繫、微生物的新用途以及與地球化學環境之間的不同尋常的結合。在此基礎上，總結了大量的生物學規律，從自然歷史到分子微生物生態學、從繁殖、寄生和種群遺傳學到生理學、行為、實驗生態學、生物地理學和古生態學。這些研究提高了我們對這類特殊生境的了解，清楚地闡明了化能合成生態系統的研究已經進入了實驗時代和“超越化學的時代”。現在已經有可能培養熱液噴口動物和鯨骨動物，有可能在海底創造同樣的鯨骨化能合成生境。我們了解到在甲烷冷滲生態系統中，雙瓣類的生長迅速，而管狀蠕蟲的生長則非常緩慢。動物生理學的研究揭示了對金屬和硫化物毒性的新的適應策略，也發現了能夠生活在幾乎完全缺氧環境中的生物群落或者從木材中得到營養的生物群落。在熱液噴口，共生的現象非常普遍，有許多新奇的發現：如第一個原生動物一細菌共生體、管狀蠕蟲體內的多重共生等。根據脂類和穩定同位素標記的研究，動物對熱液和冷泉化能合成食物來源的利用非常複雜，具有多種途徑。對化石記錄的研究發現了管狀蠕蟲的特殊種群分化、橈足類特殊的繁殖模式、雙瓣類系統發生方面的局限性，並將繼續發現鯨骨等化能合成生態系統中心的物種和適應對策。這些研究涵蓋了北太平洋、西太平洋和東太平洋，以及大西洋和黑海。近年來，這一學科在全球範圍內高度協作，但仍需不斷加深對不同化能合成生態系統生態和進化間相互作用的了解。
概括深海化能合成生態系統（ChEss）主要研究成果，可歸納為3部分：
（1）新物種的發現：自2002年以來，從熱液、冷泉和鯨骨生態系統中發現了大約200個新種，25個新屬和2個新科；
（2）深海化能合成生態系統全球生物地理格局；
（3）幼蟲生態學，由於化能合成生境的斑塊分布以及短暫的特徵，幼蟲的適應性對這些物種的存活具有顯著的影響。
深淵生態系統
地球上50%的面積被深度超過3000m的深海所覆蓋。與原來的認識不同，現在我們已經知道，深海平原的特點是生物的豐度和生物量很低，但物種的豐富度卻很高，從深海中採集的樣品90%的物種為新種。因此，深海被認為是海洋生物多樣性的巨大寶庫和生物進化新理論研究的重要場所，但關於深海物種分布、豐度以及控制因素的了解非常缺乏。CoML深淵生物多樣性研究計畫（CeDAMar）的目標是：記錄深海平原真實的物種多樣性，為全球變化研究、為更好地了解調控深海生物多樣性的歷史原因和生態因子奠定基礎。深淵生物多樣性研究最關注的兩個方面是：
（1）深海中有多少物種?它們是如何分布的?每一個物種所棲息的面積有多大?這些信息對於我們估計全球海洋中物種的豐富度的作用?
（2）這些新的物種在成千上萬平方公里看似均一的環境中是如何進化的?是否存在其他重要的方面?
為解決上述問題，CoML深淵生物多樣性研究計畫針對大西洋、太平洋、印度洋、南大洋、地中海等典型區域開展大量的現場調查和研究，對深海動物分布格局及其生物學方面獲得了很多新的認識。同時，也發現、鑑定和描述了大量新的物種。從2000年至2009年年間，所發現的物種數目已達到414種。目前估計深海中的物種數量在5千萬至1億個之間變動。
來發展趨勢與建議
綜上所述，國際上深海大洋研究的未來發展趨勢表現為：
（1）研究重點趨向於全球深海大洋中的不同生境，包括海山生態系統、深海化能合成生態系統、深淵生態系統、洋中脊生態系統等，注重不同深海生態系統之間的關係研究。
（2）研究內容和方法趨向多學科交叉、滲透和綜合，包括物理海洋學、化學海洋學、地球物理、生態過程、生物多樣性與資源潛力。
（3）研究方式趨向全球化和國際化。深海研究技術難度大，基礎薄弱，深海大洋各種過程錯綜複雜，不從全球化的觀點和高度，不用國際合作的方式去組織研究、開展綜合調查實驗，不管從人力物力，還是技術勢力來說，都是非常困難的。
（4）研究手段不斷採用高新技術，並向全覆蓋、立體化、自動化和信息化方向發展。
隨著我國國力的提高和國家海洋戰略的改變，開展深海研究與探索的時機已經成熟。技術與裝備水平的提高，如新型綜合科學考察船的建造使我們具備了深海大洋綜合探測與研究的能力。思想認識上的提高，使我們意識到海洋強國的重要標誌之一是具有深海研究與探索的能力，而且近幾十年海洋上的重大發現大部分出現在深海。深海研究同時也是科學與技術有機結合的良好體現，對技術發展具有重要的推動作用。雖然國際上針對深海已經開展了一定的研究，但是對於對我國近海有重大影響的西太平洋深海大洋區，基本沒有涉及。西太是全球海洋生物多樣性最高的區域之一，要提升對深海生命的探索與科學發現，加強海洋高新技術的研發，開展西太平洋深海大洋生態系統的研究至關重要。
目前我國在海洋古環境方面具有一定優勢，應當在其優先發展的同時逐步拓寬研究範圍，大力推進深海熱液系統、深部生物圈等方面的研究，早日形成一支深海研究隊伍。為此，應根據我們的國情和能力，制定詳細可行的深海研究計畫，包括研究靶區，擬解決的關鍵科學問題，將深海觀測系統列入中長期發展規劃，無論從2020年實現經濟大國的目標還是能源與安全的保障出發，都要求將深海大洋列為科技發展的重點。同時，密切追蹤國際深海觀測技術發展動態，有計畫地同已開發國家開展合作和技術交流，取得先進技術及經驗。在技術支撐方面，研發具有我國自主智慧財產權的深海探測裝備，如：原位探測設備、可視化探測設備、高保真採樣設備、極端條件的培養設備、載人深潛設備、大洋鑽探設備等，積極進行國際合作，取得經驗，為我所用。在機制體制上，建立科學考察船、深海裝備、深海大洋數據和樣品庫共享機制，建設深海研究平台，建立一支多學科深海大洋研究團隊，為深海大洋研究提供基礎條件的保障。
