2018年9月24日 星期一

一、神奇的深海熱泉生態系(Hydrothermal Vent) 09-25-2018



一、神奇的深海熱泉生態系(Hydrothermal Vent)


    目前發現的深海冷、熱泉生態系有三種,三者都是深海地質探勘時,偶然間發現的,它們分別是:

1.  深海熱泉生態系(Hydrothermal Vent System)

2.  冷水坑(Cold Seep)

3.   失落的城市(The Lost City Hydrothermal Field)

發現的年代、地點、海水深度列表如下:

              
發 現 年 代
          
海深(公尺)
深 海 熱 泉 生 態 系
   1977
太 平 洋 加 拉 巴 哥 裂 谷
   2500
            
   1984
     西       
   3200
        
   2000
大西洋亞特蘭提斯高地
    800



將分三篇BLOG文章探討此三種神奇的生態系。


A. 何謂生態系

BOX 1.生態系(ecosystem)具有持續的能量供應(光能、地熱或化學產熱反應),由生物因子及無生物因子間相互影響所建立的複雜而穩定的系統。小至一個池塘;大到整個地球都是生態系的範例。
1.生物因子:
  (1)生產者(producer)─嗜硫細菌、甲烷疊球菌、藍綠藻、藻類及植物。
  (2)消費者(consumer)─食菌動物、草食性動物及肉食性動物。
  (3)分解者(decomposer)─細菌、真菌。
2.無生物因子:
  (1)有機因素:蛋白質、碳水化合物、脂肪。
  (2)無機因素:碳、氮、硫、磷、氧、二氧化碳、水、礦物質。
  (3)氣候因素:陽光、溫度、濕度、風、土壤。
3.生態系的特徵:
  (1).持續能量供應(能量為光能、地熱、化學反應產生的熱能)
  (2).能量依序傳遞至每個階層
      生產者→初級消費者 →次級消費者→分解者 。
  (3).能量傳遞的過程當中,會逐漸消失(能量轉換率約10%~15)
  (4).具有生物化學物質循環 (Biogeochemical cycles)
      例如:氮的循環(Nitrogen cycle)
            碳的循環(Carbon cycle or CO2 cycle)
            氧的循環(O2 cycle)
            水的循環(Water cycle)  
            磷的循環(Phosphate cycle)



B.深海熱泉生態系(Hydrothermal Vent)

1.   1977216日,美國深林洞(Woods hole)海洋研究所的深海潛艇愛文號(Alvin),在加拉巴哥群島(Galapagos Islands)東北方250公里,海深2500公尺加拉巴哥裂谷(Galapagos Rift)處,也就是南北向的太平洋中洋脊(Mid-ocean ridge)經過的地方,進行地質探勘時,無意間發現了一個生意盎然,從來不為人知的生態系。

2.   自此1977年變成了一個非常重要的分水嶺,影響所及甚至連教科書上有關生態系的內容,也因而改寫。

3.   1977年以前大家只知道,地球上大大小小的生態系,唯一的能源就是光能。也只知道光合作用(Photosynthesis)

4.   1977年以後才驚覺,原來地球上也有完全不以光能,而是依靠地熱的生態系。從此多了一個專有名詞化合作用(Chemosynthesis)



2005年美國國家科學院期刊報導:在墨西哥海岸附近2,500公尺深海底發現有依賴光線存活的細菌存在,在這樣的深度陽光無法穿透。這些菌門的細菌,依靠黑煙囪發出的微光來進行光合作用,這是首次發現不使用陽光進行光合作用的細菌。
Beatty, J.T.; et al..
綠硫菌只具有光合系統I,匯集的光能只能分解硫化氫(H2S),無法分解水。而剛好黑煙囪噴出大量的硫化氫(H2S),這可能是綠硫菌能在這樣的艱難環境存活的原因!




01. 深海熱泉生態系(又名黑煙囪,Black smoker)




5.   由於熱泉噴出的物質中富含硫化氫(H2S)和礦物質而呈現黑色,於是專家們又稱深海熱泉生態系為「黑煙囪」(black smoker)

6.   黑煙囪主要分布於中洋脊,目前已發現200多處。太平洋和大西洋的黑煙囪,在地質性質和動物種類上有些不同:



表一、太平洋及大西洋深海熱泉生態系之異同:


太平洋深海熱泉生態系
大西洋深海熱泉生態系
地質方面差異
中洋脊火山活躍,新地殼形成快(每年約48公分),黑煙囪形成速度也較快,煙囪較高較窄。
中洋脊火山較不活躍,新地殼形成慢(每年約12公分),黑煙囪形成速度也較慢,煙囪也較低較寬。
特有的動物種類
大管蟲、龐貝蟲、綿尉
(Themarces Cerberus)
綿尉(Pachycara themophilum)
共有的動物種類
熱泉蝦、熱泉蟹、錦甲蝦、大雙殼貝、貽貝、小飛象(章魚)、海葵。
熱泉蝦、熱泉蟹、錦甲蝦、大雙殼貝、貽貝、小飛象(章魚)、海葵。




02. 在太平洋深海熱泉生態系能看到的生物。

       1 tubeworms 紅色大管蟲

       2 bacterial filaments 嗜硫細菌

       3 snails 海蛞蝓

       4 limpets 帽貝

       5 scale worms 鱗蟲

       6 sea spiders 海蜘蛛




7.   整個深海熱泉生態系都是以嗜硫細菌為生產者,熱泉蝦、熱泉蟹等吃嗜硫細菌而成為初級消費者,陸續又發現紅色大管蟲、貽貝、大雙殼貝、海葵等數十種分別隸屬於生產者、消費者和分解者等不同階層的生物,儼然構成了一個完整的生態系。

8.   在太平洋深海熱泉生態系中,最特殊的是兩種前所未見的兩種動物:



A. 紅色大管蟲(Riftia pachyptila)

1 紅色大管蟲體長2.5公尺,寬4公分,住在3公尺長,白色幾丁質(chitin)

   的硬管中,頭部形成紅色羽狀的鬚腕。

2 成群聚集於熱泉附近,生存的海水溫度在1020℃之間,只需一年就可成長85公分,是目前已知成長最快速的無脊椎動物。

3 兩年內性成熟,雌雄異體,體外受精,壽命25年,蟲體無口、無消化道、無肛門,體內有大量互利共生的嗜硫細菌,嗜硫細菌約佔體重的三分之一,屬鬚腕動物門(Phylum Pongonophora)

4 高等動物的血紅素存在於紅血球中,主要由四個球蛋白組成;而紅色大管蟲的血紅素卻存在於細胞外液,含有兩種特殊的血紅素(V1 & V2),而且血紅素最多可由144個球蛋白組成。


03. 太平洋深海熱泉生態系的一些特殊的動物包括:綿蔚、紅色大管蟲等。




Facts: Giant Tube Worms (Riftia pachyptila)
(紅色大管蟲的一些事實)




04. 太平洋深海熱泉生態系的紅色大管蟲及海葵。






05. 太平洋的黑煙囪較高較窄,周圍布滿紅色大管蟲(Riftia pachyptila)的群聚。

圖片來源:


a.   紅色大管蟲頭部的羽狀鬚腕,將硫化氫、氧氣、二氧化碳等由海水中攝取入體內,經由血紅素負責運送給嗜硫細菌,然後嗜硫細菌將這些無機分子轉變成有機養分,供給細菌本身和大管蟲。

b.   此種利用地熱能量合成有機養分的過程稱為化合作用(chemosynthesis),以別於利用光能的光合作用(photosynthesis)

c.   由於深海採集標本殊為不易,因此至今沒有發現過大管蟲的幼蟲,更遑論牠們的幼蟲如何遷移?

d.   可是了解幼蟲如何遷移是一個非常重要的課題,因為深海熱泉的壽命大多只有12年,最多也只有數十年,而且熱泉間往往間隔著一些距離,所以如果能了解這些熱泉動物如何由一地遷移到另一地,將是明瞭這些熱泉消長的重點,也是明白紅色大管蟲如何擴散族群,延續子代的關鍵。

e.   有的假說認為,這些動物的遷移可能是受到嗜硫細菌產生的化學物質的吸引,也有科學家認為是受到水溫、新生成岩塊、黑煙囪的煙霧的吸引,可是這些假說至今均未獲得証實。



Weird Worms Live Near Pacific Ocean’s Deepest High-Temp Vent | National Geographic
 (奇怪的蟲子靠近太平洋最深的高溫熱泉|國家地理雜誌頻道)
145秒的短片,前面105秒介紹深海熱泉的紅色大管蟲;最後40秒介紹,2000年於大西洋亞特蘭提斯高地,發現的失落的城市=碳酸鹽煙囪(carbonate chimneys)





06. 紅色大管蟲的內部構造的卡通圖。

大管蟲有發育良好的閉鎖式循環系統及相當大的體腔,

體腔內充滿一種稱為營養體(Trophosome)的構造,嗜硫細菌即互利共生於營養體內。

圖片來源:




B.龐貝蟲(Alvinella pompejana)

a.  1980年發現於太平洋中洋脊的黑煙囪管壁外,體長約13公分,屬於環節動物門多毛綱。

b.  牠是目前已知最能耐熱的動物,一樣住在附著於黑煙囪壁的管中,頭端露出於管外,溫度大約2030℃;最讓人訝異的是尾端貼近黑煙囪,經測量溫度竟然高達80℃。



Smoking Chimney and Pompeii Worms | Nautilus Live
(海底冒煙的煙囪及龐貝蟲)




c.  一般認為蛋白質在溫度超過60℃開始變性,而龐貝蟲的尾端在80℃的高溫下,仍完好無傷,這些動物耐高溫的機制至今仍是個謎。

d.  龐貝蟲一樣有共生的細菌,這些嗜硫細菌長在纖毛外,好像一件細菌外衣,龐貝蟲體內一樣有血紅素,但有一點和大管蟲不同的是,大管蟲終其一生棲息在幾丁質的硬管內,龐貝蟲不定時的會離開管子在周圍的海水中游蕩。




07. 1980年發現最能耐熱之龐貝蟲(Alvinella pompejana)

圖片來源:




Hydrothermal Vents
(深海熱泉生態系)



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