近日，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所深海生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程和健康評(píng)價(jià)研究組在動(dòng)物深海極端環(huán)境適應(yīng)機(jī)制研究方面取得突破性進(jìn)展，相關(guān)成果以 “A deep-sea hydrothermal vent worm detoxifies arsenic and sulfur by intracellular biomineralization of orpiment (As?S?)” 為題發(fā)表在國(guó)際著名綜合性期刊 PLOS Biology。Science、Nature、The New York Times（《紐約時(shí)報(bào)》）、BBC 等國(guó)際主流媒體均刊發(fā)評(píng)論文章，報(bào)道了該研究的創(chuàng)新價(jià)值和重要意義。
在大洋板塊交界處，巖漿加熱的高溫海水?dāng)y帶著高濃度的硫化氫、重金屬等有毒物質(zhì)，從海底裂隙中噴涌而出，形成獨(dú)特的深海熱液生態(tài)系統(tǒng)。熱液噴口附近的生態(tài)環(huán)境對(duì)大多數(shù)動(dòng)物而言過(guò)于嚴(yán)酷，但阿爾文蟲（隸屬于環(huán)節(jié)動(dòng)物門多毛綱阿爾文科，是熱液噴口特有動(dòng)物）卻能在高溫、高硫化氫和高重金屬的極端環(huán)境中繁衍生息并形成高密度群落。因此“阿爾文蟲如何抵御環(huán)境毒素、適應(yīng)極端環(huán)境”一直是學(xué)界高度關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。
依托“科學(xué)”號(hào)深海熱液科考航次，研究團(tuán)隊(duì)深入研究了沖繩海槽熱液區(qū)阿爾文科賀氏擬阿爾文蟲（Paralvinella hessleri）。研究發(fā)現(xiàn)該物種具有諸多獨(dú)特特征：首先，它們呈現(xiàn)出罕見的亮黃色體色。通過(guò)顯微結(jié)構(gòu)分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)其表皮細(xì)胞中分布著大量黃色顆粒，是體色的來(lái)源。但這些顆粒的成分與其適應(yīng)極端環(huán)境的關(guān)系長(zhǎng)期不明。其次，賀氏擬阿爾文蟲是棲息位置最接近熱液噴口的動(dòng)物，可在距噴口不足 20 厘米、硫化氫濃度極高的區(qū)域內(nèi)成群棲息；相比之下，鎧甲蝦、貽貝等常見熱液動(dòng)物只能生活在更遠(yuǎn)處。最后，元素分析顯示，賀氏擬阿爾文蟲體內(nèi)富集了大量無(wú)機(jī)砷。在部分個(gè)體中，砷含量竟高達(dá)體重的 1%。砷是一種強(qiáng)毒性金屬，人類暴露后會(huì)導(dǎo)致癌癥、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等嚴(yán)重健康問(wèn)題，但這些蠕蟲卻能在超高濃度砷環(huán)境下安然無(wú)恙。
圖1?A：賀氏擬阿爾文蟲生活的深海熱液煙囪，其中A’顯示熱液噴口附近的賀氏擬阿爾文蟲群落；B：賀氏擬阿爾文蟲個(gè)體；C和D：賀氏擬阿爾文蟲軀干及頭冠皮下表的亮黃色顆粒。
進(jìn)一步的組織化學(xué)與電子顯微分析揭示，賀氏擬阿爾文蟲表皮細(xì)胞內(nèi)的黃色顆粒實(shí)為特殊礦物結(jié)構(gòu)，這些顆粒主要由砷和硫構(gòu)成，與標(biāo)準(zhǔn)的三硫化二砷（雌黃礦，As?S?）完全一致。也就是說(shuō)，蠕蟲細(xì)胞通過(guò)某種機(jī)制在體內(nèi)形成了雌黃礦物。隨后，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合全基因組測(cè)序與蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)，這些顆粒中顯著富集了多藥耐藥轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（MRP）與血紅蛋白。前者是高度保守的砷轉(zhuǎn)運(yùn)與解毒蛋白，后者則負(fù)責(zé)結(jié)合和運(yùn)輸硫化氫。
圖2?賀氏擬阿爾文頭冠表皮中的亮黃色雌黃（As?S?）礦物顆粒
基于以上研究結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)首次提出，賀氏擬阿爾文蟲演化出一種獨(dú)特的 “以毒攻毒” 的砷—硫化氫偶聯(lián)解毒機(jī)制。具體而言，蠕蟲通過(guò)攝食含高濃度砷的生物膜獲取砷化物，這些砷在 MRP 蛋白的作用下被轉(zhuǎn)運(yùn)并富集到頭冠、表皮、鰓絲和消化道等組織的上皮細(xì)胞內(nèi)。同時(shí)，硫化氫通過(guò)血紅蛋白被輸送至這些解毒細(xì)胞。最終，兩種劇毒物質(zhì)在細(xì)胞器內(nèi)結(jié)合，形成不溶性的三硫化二砷礦物，從而被“鎖定”并實(shí)現(xiàn)解毒。
本研究首次揭示了動(dòng)物利用兩種環(huán)境劇毒物質(zhì)實(shí)現(xiàn)自我解毒并適應(yīng)極端生態(tài)位的獨(dú)特機(jī)制。這不僅為理解動(dòng)物的適應(yīng)性演化提供了新視角，也為生物礦化研究和環(huán)境毒理學(xué)開辟了新方向。哈佛大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家 Peter Girguis（未參與本研究）評(píng)價(jià)道：“這是首次在動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)砷化物礦物。這一發(fā)現(xiàn)提醒我們，生命演化出解決環(huán)境難題的方式仍遠(yuǎn)超我們的想象?！?/p>
中國(guó)科學(xué)院海洋研究所副研究員王昊為論文第一作者，研究員李超倫為通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
