近日，中國科學院海洋研究所深海生態系統過程和健康評價研究組在動物深海極端環境適應機制研究方面取得突破性進展，相關成果以 “A deep-sea hydrothermal vent worm detoxifies arsenic and sulfur by intracellular biomineralization of orpiment (As?S?)” 為題發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評論文章，報道了該研究的創新價值和重要意義。

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，從海底裂隙中噴涌而出，形成獨特的深海熱液生態系統。熱液噴口附近的生態環境對大多數動物而言過于嚴酷，但阿爾文蟲（隸屬于環節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境毒素、適應極端環境”一直是學界高度關注的科學問題。

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阿爾文科賀氏擬阿爾文蟲（Paralvinella hessleri）。研究發現該物種具有諸多獨特特征：首先，它們呈現出罕見的亮黃色體色。通過顯微結構分析，研究團隊發現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境的關系長期不明。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域內成群棲息；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、神經系統疾病等嚴重健康問題，但這些蠕蟲卻能在超高濃度砷環境下安然無恙。

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的黃色顆粒實為特殊礦物結構，這些顆粒主要由砷和硫構成，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形成了雌黃礦物。隨后，研究團隊結合全基因組測序與蛋白質組學發現，這些顆粒中顯著富集了多藥耐藥轉運蛋白（MRP）與血紅蛋白。前者是高度保守的砷轉運與解毒蛋白，后者則負責結合和運輸硫化氫。

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 蛋白的作用下被轉運并富集到頭冠、表皮、鰓絲和消化道等組織的上皮細胞內。同時，硫化氫通過血紅蛋白被輸送至這些解毒細胞。最終，兩種劇毒物質在細胞器內結合，形成不溶性的三硫化二砷礦物，從而被“鎖定”并實現解毒。

本研究首次揭示了動物利用兩種環境劇毒物質實現自我解毒并適應極端生態位的獨特機制。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發現砷化物礦物。這一發現提醒我們，生命演化出解決環境難題的方式仍遠超我們的想象?！?/p>

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、國家重點研發計劃等項目的資助。