什么是冷泉？日本近海广泛分布的化学合成生物群落与热液喷口的区别

什么是冷泉——海底渗出的“另一扇深海之窗”

冷泉（cold seep）是指从海底的断层或裂缝中，缓慢渗出储存在地下的含甲烷和硫化氢的孔隙水的地方。与其说是“喷出”，不如说是“渗出”更为贴切，这与猛烈喷发的火山性热液性质完全不同。每处渗漏点的规模差异很大，从小规模的群落到生物连绵分布的大规模区域都有，同一海域内往往分布着活动强度各异的多个渗漏地点。

甲烷和硫化氢渗出的机制

大多数冷泉出现在海洋板块俯冲至大陆板块之下的“俯冲带”附近，尤其是沿海沟由沉积物挤压堆积而成的“增生楔”中。当板块俯冲使沉积物受到挤压时，沉积物中的孔隙水、深部甲烷水合物分解产生的甲烷，以及微生物分解有机物过程中产生的甲烷和硫化氢，会沿着断层和气体通道被挤压至海底。

这些流体是数百万年间在沉积物中逐渐积累后缓慢供给的，因此一处渗漏区能够稳定活动数百至数千年之久的情况并不罕见。地震等因素引发断层状态变化时，渗流强度也可能骤然增强或减弱，冷泉虽然外表平静，实际上却是与地下地质活动直接相连的动态现象。

为何被称为“冷”泉

之所以带有“冷”字，是因为渗出流体的温度与周围深海水几乎没有差别（多数只有几摄氏度）。相比之下，同样属于化学合成生态系统的热液喷口喷出的热水温度可超过300℃，冷泉则平静得几乎难以与普通海底区分开来。取而代之的是，渗出流体中所含甲烷和硫化氢的“量”与“持续时间”，成为决定能否在此形成独特生物群落的关键。

甲烷水合物扮演“蓄电池”的角色

在许多冷泉的正下方，浅层沉积物中往往存在在低温高压条件下由甲烷与水结晶而成的“甲烷水合物”。近年在海底进行的长期原位观测实验证实，即便在渗流时断时续的冷泉，沉积物中的甲烷水合物也会反复分解与再形成，如同不断储存并释放甲烷的“蓄电池”一般发挥作用。正是这一机制，使得即便渗流暂时减弱，甲烷仍能持续供给周围海水，从而稳定维持依赖甲烷的化学合成细菌及生物群落的生存。

化学合成——不依赖太阳的生存方式

地球上大多数生态系统都以植物和浮游植物利用太阳光合成有机物的“光合作用”为起点。然而在冷泉和热液喷口，光线完全无法到达，因此以完全不同机制获取能量的生物支撑着生态系统的根基，这便是化学合成。

由化学合成支撑的深海生态系统这一概念，是在1977年于东太平洋海隆的加拉帕戈斯海岭发现热液喷口生物群落之后才广为人知的。而冷泉方面，1984年在墨西哥湾佛罗里达陡崖附近约3,266米水深处，发现了与热液喷口相似的管虫和双壳类群落，同年相模湾初岛冲也独立报告了相关发现。恰逢同一年的1984年，大西洋与太平洋两侧几乎同时发现了“寒冷之地的化学合成生态系统”。

光合作用与化学合成的区别

正如浅海的藻类和珊瑚作为“初级生产者”支撑食物网的基础一样，在冷泉，化学合成细菌承担着初级生产者的角色。细菌合成的有机物通过共生的双壳类和多毛类扩散到整个群落，进而传递给以该群落为食的蟹类、虾类以及前来觅食的鱼类。即便是光线无法到达的深海，也建立起了以化学合成细菌为起点的完整食物网。

承担厌氧甲烷氧化（AOM）的微生物协作

支撑冷泉化学合成的核心反应之一是“厌氧甲烷氧化（AOM：Anaerobic Oxidation of Methane）”。这是一种不使用氧气分解甲烷的反应，由甲烷氧化古菌（古细菌的一种）与硫酸盐还原菌共同完成。甲烷氧化古菌分解甲烷产生的电子被硫酸盐还原菌接收，用于还原海水中的硫酸盐并生成硫化氢。近年的研究已经表明，这是一种单一微生物无法完成、需要多种微生物联手完成的“共生代谢”。

宿主动物与共生细菌的伙伴关系

这样产生的硫化氢和甲烷，又被寄宿在双壳类和多毛类体内或鳃部的化学合成细菌用作能量来源。宿主动物向细菌提供硫化氢、氧气和二氧化碳，细菌则以此合成有机物并作为营养分给宿主。白瓜贝和深海贻贝等生物由于高度依赖这种共生关系，其消化道等身体结构也发生了退化等变化。

共生关系是如何开始的

有趣的是，这类共生细菌大多并非由亲代直接传给子代，而是被认为每一代都要重新从周围海水和沉积物中获取。在幼体或幼贝阶段，海水中漂浮的化学合成细菌会重新定居于鳃部，从而重新建立共生关系。因此，即便是同一物种的个体，由于生长的渗漏区环境不同，共生细菌的种类也可能略有差异，宿主与细菌组合方式的这种灵活性，也是冷泉生态系统得以顽强延续的原因之一。

冷泉的主角们——从白瓜贝到多毛类

在冷泉，以鳃部寄宿共生细菌的大型双壳类为中心，聚集着多种多样的生物。

白瓜贝（Calyptogena属）——将身体大半埋入泥中生活

白瓜贝属于Calyptogena属双壳类，是日本近海冷泉的代表性生物之一。在南海海槽这类水深约4,500米的深处，它们会将身体约三分之二埋入海底泥中并群居生活。这被认为是为了更有效地摄取从地下渗出的甲烷和硫化氢而形成的姿态。其鳃部细胞内共生着高密度的硫氧化细菌，白瓜贝的大部分营养正是来源于此。

深海贻贝——鳃部寄宿共生细菌的贻贝类

深海贻贝属于贻贝（淡菜）的近亲，它们向鳃部细胞内共生的硫氧化细菌提供硫化氢，并从细菌合成的有机物中获取营养。尽管与白瓜贝分类地位不同，却各自独立演化出与化学合成细菌共生的关系，这一点十分耐人寻味。它们不仅栖息在冷泉，其近缘种也分布于热液喷口周边，是横跨两类化学合成生态系统的代表性类群之一。

管虫、多毛类等配角的多样性

虽然容易被大型双壳类的光芒所掩盖，但冷泉中同样聚集着多毛类（沙蚕类）、腹足类、甲壳类、纽形动物等广泛的类群。2025年JAMSTEC与Ocean Census对南海海槽5处甲烷渗漏区（水深600〜4,600米）进行调查后，在确认的80种生物中，软体动物（腹足类・双壳类等）33种、环节动物（多毛类等）23种、节肢动物（蟹类・虾类・端足类等）11种、纽形动物5种、棘皮动物（海星・蛇尾・海参等）4种、刺胞动物（水螅虫・角海葵类等）3种、苔藓虫1种，双壳类以外的生物占了总数的一半以上。在华丽的双壳类群落脚下，潜藏着比想象中更加细致多样的生态系统。

• 软体动物（腹足类・双壳类）：以白瓜贝、深海贻贝等拥有共生细菌的大型物种为中心
• 环节动物（多毛类）：大量栖息于群落缝隙间，种数可与双壳类匹敌
• 节肢动物（蟹类・虾类・端足类）：在群落周边游走的捕食者与清道夫
• 棘皮动物・刺胞动物・纽形动物等：附着并栖息于群落边缘及周边岩石表面

这些群落中，既包含在周边普通海底几乎见不到的“渗漏区固有种”，也混杂着广泛分布于一般深海海底的“周边常见种”。两者的比例因海域和水深而大不相同，渗流的强弱、持续时间以及沉积物的性质都被认为是左右群落构成的重要因素。

与热液喷口的区别——“海底温泉”与“冷渗流”

常被拿来与冷泉相提并论的是热液喷口。两者虽然都具有不依赖阳光的化学合成生态系统这一共同点，但在形成地点、温度和栖息生物方面却有很大差异。

形成地点的区别——中央海岭・弧后盆地与俯冲带

热液喷口出现在新生海洋板块诞生的中央海岭，以及如冲绳海槽这样的弧后盆地。岩浆活动加热的海水溶解出地壳中的金属成分，在喷口附近急速冷却后形成硫化物烟囱（烟囱状结构）并喷出。而冷泉则出现在板块俯冲的海沟沿岸增生楔中，其流体并非源自火山活动，而是来自沉积物中甲烷和孔隙水的挤压渗出。

日本近海是同时具备这两种地质条件的罕见海域。冲绳海槽作为弧后盆地，海底正如撕裂般扩张，在此形成热液喷口；而南海海槽与日本海沟则是菲律宾海板块、太平洋板块俯冲的场所，在此形成冷泉。在同一个日本专属经济区内，共存着成因截然不同的两种化学合成生态系统。

温度、流体、持续时间的区别

代表性生物的区别——大型阿尔文虾蟹类与白瓜贝

冲绳海槽等热液喷口周边的代表性生物是雪人蟹（日文称“御免腰折虾”）。它在体表的刚毛上外部共生着硫氧化细菌，并用手状器官将这些附着细菌的毛刮下来食用，这种独特的摄食方式颇具特色。它紧邻高温热液生活的姿态，与在接近常温流体中悠然生活的白瓜贝、深海贻贝形成鲜明对比。关于日本近海的热液喷口生态系统，一并阅读有助于把握化学合成生态系统的整体面貌。

有趣的是，像深海贻贝（Bathymodiolus属）这样的生物，其近缘种在冷泉和热液喷口两种环境中都有分布。这被认为是因为，尽管两者在“接近常温还是高温”“所处地形是增生楔还是海岭”等方面存在差异，但其根本的生存策略——通过与化学合成细菌共生来利用甲烷和硫化氢——是共通的。源自同一祖先的物种，很可能根据栖息环境的细微条件分化适应了不同的环境。

深海调查技术——“深海6500”号与ROV开拓冷泉研究

冷泉大多位于水深数百至数千米的深海，人类无法直接下潜观察。支撑研究最前沿的，是载人潜水调查船和无人探测器（ROV）等特殊探测技术。

利用声学探测锁定渗漏地点的“大致方位”

在广袤的海底中寻找冷泉的第一条线索便是声学探测。通过船载多波束测深仪详细调查海底地形，或利用海水中漂浮的甲烷气泡（气羽）对声波有强烈反射的特性，探测水柱中上升的气泡列，都可以在下潜调查之前大致锁定渗漏地点。正是有了这种“锁定大致方位”的工作，才能在有限的下潜次数内高效开展调查。

载人潜水调查船与ROV的直接观测

日本海洋研究开发机构（JAMSTEC）使用可下潜至6,500米深海的载人潜水调查船“深海6500”号，以及无人探测器“Hyper Dolphin”等设备，通过机械臂细致采集冷泉生物，并同步记录现场影像。研究人员亲临现场观察并挑选样本的载人潜水调查方式，其优势在于即使调查时间有限，也能不遗漏地记录构成生态系统的多种物种。

为何发现如此困难——有限调查机会的壁垒

深海调查不仅准备时间长、费用高，一次航行能搭载的研究人员数量也有限。采集到的生物标本需要由专业分类学家利用显微镜和基因分析进行物种鉴定，仅这项工作就常常需要数月时间。因此，实际出海的调查航行，以及带回标本后由国内外专家齐聚一堂进行鉴定的陆上研讨会，两者都不可或缺。

近年来，通过抽取海水分析其中所含微量DNA片段的“环境DNA”调查，也作为补充掌握深海生态系统状况的手段而受到关注。即使不亲自下潜现场，也能在一定程度上推测周边可能栖息的生物种类，将其与载人潜水调查船或ROV的直接观测相结合，可以更高效地利用有限的调查机会。

遍布日本近海的冷泉——从相模湾到日本海沟

日本列岛周边是太平洋板块、菲律宾海板块俯冲至欧亚板块、北美板块之下的世界级板块边界密集地带。因此，冷泉也在日本近海各地被陆续发现。

1984年，相模湾初岛冲的发现

日本近海首次确认化学合成生物群落，是在1984年。载人潜水调查船“深海2000”号的调查中，在相模湾初岛冲水深1,000〜1,130米处发现了大规模的白瓜贝（Calyptogena soyoae）群落。该海域是受板块俯冲影响形成的渗漏带，硫化氢和甲烷不断从海底渗出，此后一直是日本化学合成生态系统研究的重要调查地之一。

向南海海槽、日本海沟、日本海的扩展

南海海槽是从骏河湾延伸至日向滩外海的板块边界，以存在众多富含甲烷流体自然涌出的冷泉而闻名。在日本海沟，水深5,346米处的白瓜贝属群落被详细研究了其厌氧甲烷氧化的代谢机制，而在水深7,326米处发现的化学合成生态系统，被认为是已知报告中最深的记录之一。日本海一侧的奥尻岛冲，虽然确认的物种数量仅为8种，但2026年发表的研究显示，其中包括新种腹足类在内的2种为固有种，这表明不同海域走过了各自不同的演化路径。在日本海洋生物多样性的整体图景中，冷泉是为数不多的深海多样性热点之一。

除此之外，在千岛・堪察加海沟以及琉球弧周边，也有冷泉存在的报告。由于日本列岛从北到南被性质各异的板块边界所环绕，因而分布着水深和沉积物性质各不相同的多种冷泉，仅凭一个国家周边海域就能比较冷泉的多种类型，这在世界范围内也是得天独厚的研究场所。

通过与世界冷泉比较看到的日本近海特征

冷泉并非日本近海独有的现象，在世界各地的板块边界及大陆边缘均有发现。通过与其他海域的比较，日本近海冷泉的特征会更加清晰地显现出来。

墨西哥湾与南海的冷泉

世界上研究最深入的冷泉之一，是墨西哥湾佛罗里达陡崖外海的冷泉。自1984年发现以来，由拥有共生细菌的大型管虫和双壳类组成的群落被反复调查，成为群落时间变化及地理比较研究的基准地点。在南海的“海马冷泉”，堆积物表层及海底上方海水中栖息的细菌群落结构也得到了详细研究，发现渗漏活动的强弱会使微生物种类发生较大变化。

在新西兰外海的希库朗伊俯冲带，支撑甲烷渗漏的微生物群落研究也在推进之中。该海域与日本的南海海槽一样，都是由板块俯冲形成的增生楔为舞台，通过比较具有共同地质背景的海域，有望获得为何某些地方能孕育丰富生物群落、而另一些地方却难以孕育的线索。

并非所有冷泉都相同——也有以海绵为主角的例子

提到冷泉，人们往往会联想到大型双壳类和管虫组成的群落，但并非所有渗漏区都呈现相同的面貌。一项针对亚北极地区甲烷渗漏的研究报告称，尽管该处群落以海绵为优势物种，却未检测到明确的化学合成迹象。这表明，根据渗出甲烷的量与持续性、水温及洋流等条件的不同，即便同属“冷泉”这一类别，其生态系统的构成也可能存在巨大差异。

日本近海冷泉的意义

与世界各地的这些案例相比，南海海槽这样在600〜4,600米宽广水深范围内连绵分布着多处甲烷渗漏区，同时相模湾、日本海沟、日本海等性质各异的海域又都位于同一个国家专属经济区之内的日本近海，可以说是能够完整观察冷泉多样性的稀有场所。在全球比较研究中，日本近海的调查数据今后将发挥更加重要的作用。

调查的最前沿——南海海槽展现的丰富生物多样性

近年来，冷泉研究取得了长足进展，其象征便是2025年JAMSTEC与Ocean Census实施的联合调查。

2025年，JAMSTEC×Ocean Census的联合航行

2025年6月4日至23日，JAMSTEC与国际项目“Ocean Census”利用深海调查支援母船“Yokosuka”号和载人潜水调查船“深海6500”号，对南海海槽以及伊豆・小笠原诸岛外海的七曜海山链进行了联合深海调查。采集到的生物标本超过528批，同年9月至10月，国内外分类学家参加的研讨会对这些标本进行了鉴定。结果确认了38个新物种，以及28个极有可能是新物种的种类。

80种这个数字所展示的生物多样性热点

就南海海槽的冷泉本身而言，此前报告的物种数量仅有14种。然而此次调查中，对水深600〜4,600米的5处甲烷渗漏区进行细致调查后，确认了合计80种生物的分布。就各调查地点而言，以往的记录中每处仅有1〜6种，而此次调查每处发现了15〜30种。此次成果还包括分布范围扩大的记录、日本国内的新记录，以及此前未知的物种间关系，再次表明南海海槽是日本近海极其丰富、且仍有大量未解之谜的生物多样性热点。

未来展望——构建保护所需的科学基础

主导此次联合调查的JAMSTEC与Ocean Census指出，本次成果虽仅限于南海海槽一部分及七曜海山链这一有限范围的调查，但已表明日本近海深海中仍留存着大量未被发现的物种和未知的生态系统。今后，甲烷水合物等海底资源开发、海上风力发电等人类活动预计也将波及深海生物。在影响正式显现之前准确掌握生物多样性的实际状况，有望成为今后海洋保护的重要科学基础。

冷泉研究带给我们的启示

在光线无法到达的深海，仅凭化学反应就能维持一个生态系统的事实，拓宽了我们对生命本身的理解。

对生命起源与地外生命探索的启发

化学合成生态系统作为“即使没有阳光生命也能成立”这一事实的实例，在生命起源研究，以及思考木星卫星欧罗巴这类被冰层覆盖的天体地下海洋中是否可能存在生命时，都被视为重要线索而备受关注。地球上最严酷的环境之一竟孕育着独特的生态系统，这一事实本身正诉说着生命的多样性与顽强。

海底资源开发与保护之间的平衡

另一方面，有人指出冷泉分布的海域未来可能受到甲烷水合物等资源开发的波及。即便是深海生物，也可能受到人类活动的影响，因此在开发正式展开之前准确记录生物多样性的实际状况，是思考今后海洋保护时的重要科学基础。正如南海海槽的调查所显示的那样，很可能还有大量生物尚未被命名，今后持续开展扎实的调查依然不可或缺。

在我们平时无法目睹的深海海底，有生物并非依靠光，而是将甲烷、硫化氢这类平凡的化学物质转化为能量，静静地延续着生命。了解冷泉这一存在，让我们意识到，我们所立足的这颗星球，所包容的生存方式远比我们想象的更加多样。