近日，中國科學院海洋研究所深海生態(tài)系統(tǒng)過程和健康評價研究組在動物深海極端環(huán)境適應機制研究方面取得突破性進展，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)表在國際著名綜合性期刊 PLOS Biology。Science、Nature、The New York Times（《紐約時報》）、BBC 等國際主流媒體均刊發(fā)評論文章，報道了該研究的創(chuàng)新價值和重要意義。
在大洋板塊交界處，巖漿加熱的高溫海水攜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)境對大多數(shù)動物而言過于嚴酷，但阿爾文蟲（隸屬于環(huán)節(jié)動物門多毛綱阿爾文科，是熱液噴口特有動物）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、適應極端環(huán)境”一直是學界高度關(guān)注的科學問題。
依托“科學”號深海熱液科考航次，研究團隊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)該物種具有諸多獨特特征：首先，它們呈現(xiàn)出罕見的亮黃色體色。通過顯微結(jié)構(gòu)分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)其表皮細胞中分布著大量黃色顆粒，是體色的來源。但這些顆粒的成分與其適應極端環(huán)境的關(guān)系長期不明。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、貽貝等常見熱液動物只能生活在更遠處。最后，元素分析顯示，賀氏擬阿爾文蟲體內(nèi)富集了大量無機砷。在部分個體中，砷含量竟高達體重的 1%。砷是一種強毒性金屬，人類暴露后會導致癌癥、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等嚴重健康問題，但這些蠕蟲卻能在超高濃度砷環(huán)境下安然無恙。
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。
進一步的組織化學與電子顯微分析揭示，賀氏擬阿爾文蟲表皮細胞內(nèi)的黃色顆粒實為特殊礦物結(jié)構(gòu)，這些顆粒主要由砷和硫構(gòu)成，與標準的三硫化二砷（雌黃礦，As?S?）完全一致。也就是說，蠕蟲細胞通過某種機制在體內(nèi)形成了雌黃礦物。隨后，研究團隊結(jié)合全基因組測序與蛋白質(zhì)組學發(fā)現(xiàn)，這些顆粒中顯著富集了多藥耐藥轉(zhuǎn)運蛋白（MRP）與血紅蛋白。前者是高度保守的砷轉(zhuǎn)運與解毒蛋白，后者則負責結(jié)合和運輸硫化氫。
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，研究團隊首次提出，賀氏擬阿爾文蟲演化出一種獨特的 “以毒攻毒” 的砷—硫化氫偶聯(lián)解毒機制。具體而言，蠕蟲通過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)運并富集到頭冠、表皮、鰓絲和消化道等組織的上皮細胞內(nèi)。同時，硫化氫通過血紅蛋白被輸送至這些解毒細胞。最終，兩種劇毒物質(zhì)在細胞器內(nèi)結(jié)合，形成不溶性的三硫化二砷礦物，從而被“鎖定”并實現(xiàn)解毒。
本研究首次揭示了動物利用兩種環(huán)境劇毒物質(zhì)實現(xiàn)自我解毒并適應極端生態(tài)位的獨特機制。這不僅為理解動物的適應性演化提供了新視角，也為生物礦化研究和環(huán)境毒理學開辟了新方向。哈佛大學進化生物學家 Peter Girguis（未參與本研究）評價道：“這是首次在動物細胞內(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)境難題的方式仍遠超我們的想象。”
中國科學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。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。
