万物生长靠太阳？
1 \* M, P$ H# |4 B: ^. e n |- b( O在黑暗高压的深海，: j6 y' z5 O: X2 i' N- V
这一法则将不再适用。; N) r+ |& L# v" e
& N( ^! k6 O8 u* t' d杜梦然· 中国科学院深海科学与工程研究所研究员, {" Q7 k: J6 _" h. o- Y1 I
格致论道·湾区第25期｜2023年9月25日 广州
! @0 w' j1 y5 d% f. z& m5 b! f大家好，我是杜梦然，来自中国科学院深海科学与工程研究所。今天我想与大家一起分享深海的故事。
; F" S8 a% t# ?0 m深海，我想大家可能对它既熟悉而又陌生。过去人类无法进入深海，只能靠凭空想象创造出许许多多的深海神话和科幻电影，然而真实的深海海底到底是什么样子呢？今天，我就请大家一起跟随我们的深海载人潜水器，到不同的深海秘境一探究竟。
" p" L1 c, }5 n7 p2 p9 s" T逼近海底最深处的历程" C( s3 b6 o3 |5 ]4 j/ T
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首先我们一起来了解一下深海载人潜水器的发展历程。
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0 W1 c% H4 |" `远在16世纪，人类就已经开始了对潜水服的研究；在17世纪末的时候 ，人类就发明出了潜水钟；在19世纪的时候，又把它演化为潜水球。自此之后，全世界就开始迅速掀起了对载人潜器的探索，一直到1961年，它首次成功地把两人带到了万米的海底——人类首次万米深潜在海底停留了20分钟。然而，一直到了51年后的2012年，万米海底才迎来它的第3位人类朋友。我们可以看到，在载人潜水器发展的300余年历程中，已经有12人到过月球、有500多人到过太空，然而却只有3人成功到达了万米海底。$ ?+ w: A8 p1 W/ b4 Z3 E( b
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! ^" J z8 n- `7 x▲万米深潜困难重重
; I& `" i$ I+ y' i7 G* g/ F: d) s难道万米深潜比深空探索更加困难吗？答案恐怕是肯定的，因为要下潜到万米，我们要克服重重的困难，它涉及到了太多不同领域的尖端技术。- B9 y1 [4 F: Y D
比如我们首先需要克服的是超高压力所带来的困难。在深海里每下潜10米便会增加1个大气压，下潜到万米海底就需要承受 1000个大气压 ，它相当于每平方米需要承受1万吨的压力，因此我们就需要研制出既有高强度又有高韧性的钛合金耐压材料。! u5 r7 g7 Q* C2 j& e8 i
接下来，为了潜水器能够下得去、上得来，我们还需要去研制出质量足够轻，同时吸水率又足够低的浮力材料；我们的潜水器要在水下工作，还需要能源，那么如何研制出既有高安全性，同时又有高能量密度的深海电池，又成了另一项技术难题；除此之外，还有一系列的诸如水下通信、导航、定位等等关键技术需要我们去一一攻克。 B( |- U1 k) F) \& K
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$ d' B& O7 u1 j* ^2 A. O# p2020年11月10号，我国自主研制的全海深载人潜水器“奋斗者”号抵达了全世界最深点——海平面以下10909米的马里亚纳海沟挑战者深渊，创造了中国载人深潜的新纪录。这是国际上首次同时将3人带到万米的海底，也是国际上首次实现万米海底的高清视频直播。
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如果说深渊曾经是深海科学研究的无人区，那么“奋斗者”便使得这条通往深渊海底的10公里道路成为了坦途。因为我们有了载人潜水器，才有机会真正进入深海，才能够下潜到南海去见识婀娜多姿的冷水珊瑚和神奇的冷泉绿洲；才能够下潜到西南印度洋热液区，去体验深海之下的水深火热；才能够下潜到马里亚纳海沟，目睹神秘的万丈深渊。$ e: e3 \8 C+ u P
在20世纪70年代末，海洋科学家通过研究发现，海底竟然是“漏”的： 一种是在大洋中脊和断裂带上。这是由于在海底有大量的裂隙，巨量的海水沿裂隙下渗，又受深部热源的加热作用，便会溶解地球深部的金属等元素，再从洋底喷出，如同烟囱一般十分壮观。它们的流体温度可以高达400℃，因此被称 作深海热液。
$ r* j$ |$ g+ e: ~; F4 S& ^% }还有另外一种通常发生在大陆架的边缘，它是由于水合物不稳定发生分解等原因，释放出甲烷以及其他的烃类气体，因此被称作深海冷泉。: d3 Y) ` E/ C$ N
深海热液和深海冷泉可以把地球深部的物质和能量源源不断地输入到贫瘠的海底，因此孕育了非常独特的深海冷泉和热液生态群落，就如同沙漠里的一片绿洲。
- J: @5 ?, l' j7 D生机勃勃的海底生命世界
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在2018年6月份，我非常有幸地跟随着“探索一号”科考船和“深海勇士”号载人潜水器，来到了南海的一处冷泉区进行科学考察。
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5 f; C7 O \) b. d! B我们的“深海勇士”每次可以带3人一起下潜，一般是两名潜航员带一名科学家。我们在水中的工作时间大约为8个小时，所以我们一天的吃喝拉撒都需要在这个直径为2米的钛合金球舱里来解决。
) C* D8 e9 I5 d* c1 `! @潜水器会配有一套完整的生命支持系统，以此保证下潜人员的水下作业安全。它还配有声纳系统、导航系统、定位系统等等，使它在水中能够自主航行。除此之外，潜水器还能够与水面之间进行高速的水声通信，实时传输水下的文字、语音以及视频等，这样就使得我们的母船能够随时知道潜器在水下的状态。$ o7 n3 \$ k$ O
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这是我第一次跟随“深海勇士”号进行下潜，也是我第一次目睹冷泉生物的盛况。很难想象，在水深1000多米完全没有光的深海，竟然是一片生机盎然。
8 ?# N1 a" T2 {$ \0 w. r那么，这里的冷泉生物是如何解决它们的吃喝问题的呢？在大家都看不到可见光的深海，没有了光合作用的条件，这里的微生物通过摄取冷泉流体渗漏出来的化学物质，从化学反应中获取能量，合成有机质来供自己生长。我们把它称之为“化能自养微生物”。3 Y& o$ `% _- G" Y1 S
这种黑暗世界里的初级生产者又能够进一步供养比它们更高一级的生物，例如说像贻贝、铠甲虾、管状蠕虫、螠虫等等。冷泉流体渗漏就提供了这样一个“自助餐”式的深海环境，使得这些冷泉生物能够在这里过得饮食无忧。0 _& X+ m7 Y+ b v
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S1 z& |' }6 e. d u然而随着冷泉渗漏强度由强到弱的变化，这些冷泉生物群落也会随之发生结构性的改变。我们在上面介绍的海马冷泉的东北方向还发现了另外两处新生的冷泉区。这里可以看到更加明显的裸露水合物。这里的流体渗漏强度也是更加剧烈的，但是我们在这里仅观察到了非常少量的生物。这里能否支撑起像海马冷泉一样的生态群落还有待我们进一步的研究。+ B& X" `6 c- L- }
遍访世界各大洋是所有海洋科学家的梦想。2018年11月，我们又迎来了一个激动人心的航次——在南半球的西南印度洋热液调查航次。
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# q# Q; F) ]. v3 u" X' d4 }这是一片被西南季风笼罩的海域，大部分时间浪高超过4米，风速超过28节，这样的恶劣海况让潜水器的每一次布放和回收都变得惊心动 魄 。2 s- @& j' u/ l3 l$ W3 Q
& n9 ?" J6 y4 M- \$ ^' ^海底的景象同样也是惊心动魄的。在水深接近2800多米的龙旂热液区，灯光所及之处，烟囱林立、黑烟滚滚，可见度非常非常低。我们的潜水器需要非常小心翼翼地在烟囱林里穿行，否则一不小心就很有可能撞到这些烟囱，或是被高温流体所灼烧。
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: c Q+ X. W) \/ Q9 q然而在这样一个看似严酷无比的深海环境条件下，生命皆以各种意想不到的方式顽强生存。我们可以看到，在中印度洋的这两处热液烟囱壁上，密密麻麻布满了盲虾，它们可谓是真正生活在“水深火热”之中。然而生活的困难还不止于此，它们还需要在去寻找食物的路上尽可能躲避海葵的吞食，否则一不小心就会成为海葵的盘中餐。
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这里的生物也是与开阔大洋或者冷泉完全不一样的。比如像这种无口无肛门的管状蠕虫、无眼的盲虾、穿铁靴的蜗牛、嗜热的基瓦多毛怪——雪人蟹……可谓是一方水土养一方“人”。这种穿铁靴的蜗牛，其实就是它们为了适应高温环境而演化出覆铁的 麟角 ，它们甚至可以根据不同的化学环境，给自己穿上不同型号的靴子。3 e" h- Q8 S& E4 ?, ?; U0 V d
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! }" \4 |1 K) R! J; n除了宏生物，这里的热液微生物更可谓是百毒不侵。它们可以生吞下铁、吃下有臭鸡蛋味道的硫化氢、耐受高温甚至嗜好高温。还有一种有着特异功能的光养型微生物，在无法利用可见光的深海，它们演化出一种能够吸收利用热辐射的能力，可谓是战士中的斗士。
8 r, M. B1 T/ ^2 i深海之下还有另外一处秘境，我们喜欢叫它“冷水珊瑚花园”，在水下几百米到6000多米的地方都发现。与我们所熟知的暖水珊瑚不一样的是，冷水珊瑚不依赖阳光，也不需要与单细胞藻类共生，它们以海水中的浮游生物和沉降有机质为食。
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' L& u, d( a2 Y▲ 最常见的冷水珊瑚——柳珊瑚0 b' N3 \0 j7 f* x, c- x2 i t
最常见的冷水珊瑚是柳珊瑚， 触手多为八放型，它们的骨骼也是以碳酸钙为主。 其中最为常见的是经常被我们称作海洋活化石的竹节柳珊瑚，它拥有着长达上千年的生命周期，也有着像树木一样的年轮。 它们的年轮中记录着曾经经历过的温度等环境变化，因此是一个非常好的古地质温度计。; {7 h. B1 Y5 o7 p' l3 P7 c8 [
我们在南海进行下潜的时候，还发现了一大片珊瑚骨骼化石，其中的一处珊瑚化石据分析可能曾经生活在距今14000年以前。因此，我们可以利用在世界各大洋采集到的冷水珊瑚以及化石样本，帮助建立起世界大洋沧海巨变的框架。6 E& d) t# F! ?" F9 m: E
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▲ 披着“彩色外衣”的黑珊瑚
0 S& g8 @4 S/ u2 P- ^, Q在深海之中还有另外一种类型的冷水珊瑚，它们的触手多为六放型，也拥有着多种多样的形态和表观颜色。但是因为它们的骨骼通常都是以有机质为主，呈现出黑色，所以我们把它称作为黑珊瑚。
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9 t% g0 O( N" e5 @8 D* ]冷水珊瑚的发现给我们带来了很多问题。比如在深海之下是无光的，深海生物之间并不需要看见彼此，像深海鱼往往是白化和视觉退化的，但是冷水珊瑚为什么要给自己披上彩色的外衣？又是什么样的生理机制驱动着它们需要拥有色彩？我们又该去如何谱写冷水珊瑚的家族谱？6 E4 V$ V* ]- B/ d) E/ ~/ }) a
这些问题我们现在其实还没有办法给出答案，我们也非常期待在不久的将来，能够通过深潜找到答案。. c0 D$ v5 @. @5 ]" M$ Q
深渊生命之谜
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$ f5 B6 x9 u1 c6 r科学上的深渊是指水深超过6000米的区域，全球总共有37条深渊，其中有5条超过了万米。深渊也是地球系统上最为神秘的系统之一，因为这里有着低温、超高压、黑暗无光、地震频发等特点。深渊到底是生命的禁区，还是生命的起源之地？地球生命的极限在哪里？它们适应极端环境的机制又是怎样的？1 k d4 w( a7 @8 l" i
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▲深渊是怎么形成的？# b m4 e/ ]0 U6 y& }
我们要想回答这些问题，首先需要搞清楚深渊是怎么形成的。深渊的形成是两个板块发生碰撞的结果。以马里亚纳海沟为例，它是由于太平洋板块俯冲插入到亚欧大陆板块之下的碰撞，形成了全球最深点——马里亚纳海沟挑战者深渊。
9 j9 ]) X% i& \5 T2 J这样的碰撞会在海底造成大量的裂隙，就好比把地球的深部撕开了一个个大大小小的口子。因此巨量的海水得以下渗到岩层的深处，同时受深部热源的加热，不断地淋滤出岩石中的金属、碳等元素。由于流体的密度和浮力的改变，它们又会再从洋底喷出，以热液或者是泥火山的方式释放出来。恰恰是由于这样的底部流体释放过程，给深渊底部带来了大量的碳等营养元素，对孕育深渊底部的生物群落是至关重要的。
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1 f- O, d! T0 P4 v8 J: y▲全球每年有数百万吨的碳在深渊“消失”
; o1 a- P) t* ~# ?7 Z* z我们对于全球深渊俯冲带的碳循环研究发现，每年俯冲进入到深渊的碳，底部埋藏的碳和再循环释放的碳并不平衡，也就意味着每年有上百万吨的碳消失在了深渊俯冲带。这些碳去哪儿了？
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7 p3 s* g1 L4 ?1 O5 W我们在马里亚纳弧潜区下潜的时候，意外地发现了一片大型的碳酸盐岩山脉。根据我们目前的分析推断，这些山脉是浅层流体再循环的结果，意味着或许在全球的深渊俯冲带中，埋藏了大量的我们还没有发现的碳。如果这一发现被证实，意味着我们找到消失的这些碳，也为全球的深渊碳循环失衡问题找到了答案。
4 c! k$ K- a0 Z% c0 o- `4 p我们之所以关心碳，是因为碳对于地球生命是至关重要的。关于地球早期生命的起源，有一种学说认为地球早期的生命体发生在深海，很有可能就发生在深渊。这是由于在深渊俯冲带的深部，由于高温高压下的水岩反应，会反应释放出氢气和二氧化碳。它们进一步反应生成甲烷以及有机小分子。这样一个由无机到有机的过程，就为地球早期初始生命体所需要的必要碳质元素提供了关键基础。
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" E( Q7 ^6 F6 U8 U# }, `) S虽然这一假说目前还没有得到充分的证实，但是我们在深渊俯冲带的一些最新的发现或许能够提供一些线索。我们通过载人潜水器在俯冲板块上发现了目前全球已知最深的泥火山。1 b2 D; D3 x- E
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并且这里的深渊生命在地下14公里处仍能存活——这里很有可能就代表了全球最深的深部生物圈。$ x! w% f$ C7 v( H6 U
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. Q9 C+ X/ z: ^% S. ], w因为深渊环境有着低温、超高压等极端环境特征，这里的生物无论是生理机能，还是形态等各方面，都发生了适应性的改变。 q6 Z9 k. A2 s- L# R; V" ^
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这是我们目前人类已知生存最深的鱼，我们把它叫做深渊狮子鱼。深渊狮子鱼可是个狠家伙，为了适应这里的超高压力，它们把自己硬硬的鱼骨变成了软骨，头颅也打开以实现内外压的平衡。此外它们还通过调节体内的抗压物质来适应高压。但是这种抗压方式的极限也就只有80兆帕左右，相当于在水下8000多米处的静水压力，所以深渊狮子鱼的深潜之路也就只能止步于此。
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$ @6 K$ I! J$ l p9 r5 H: r4 [+ S在万米的海底，我们观察到的生物就只有海参、钩虾和多毛类。这些宏生物为了适应极高压力的万米海底，可谓是各显神通。比如海参它们会把个体缩小、通体白化透明，甚至把支撑躯干的骨针都退化掉；深渊钩虾更是从骨架蛋白、线粒体蛋白的特异性调控方面来适应高压。除此之外，这些宏生物的共生微生物还通过为宿主提供营养以及免疫防御等方式，帮助这些生物能够安然以万米为家。( b6 `/ q5 M; W @
这里的深渊微生物可谓是练就了一身“绝处逢生”的本领——它们可以降解掉难降解型的有机质，甚至转化有毒金属为自己所用。这种爱啃硬骨头的本事也使深渊微生物的新颖性指数在水深越深的地方反而越高。2 t! M3 C' Z7 P$ c' A
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& J \8 k3 w: O▲“长毛”的岩石
4 r% w; v- [' G* E4 S除了水体和沉积物，它们连岩石都不放过。我们在万米海底发现了全新的岩栖动物区系，这种看似“长毛”的现象其实是在岩石表面生长的一种原生生物，代表了未被认知的深渊新物种。/ `' G% b& X3 e" N0 L' d+ ?
我们甚至在岩石内部都观察到了不同类型的微生物，它们绞尽脑汁地去利用岩石内部的各种元素来形成不同类型的菌席，就好像油画一般。由此可见深渊生命的顽强。
1 M# z' q# V: K- K深渊中也蕴藏着独一无二的基因资源、化合物资源有待我们进一步的研究和开发。
, o" A, S! M% o6 i/ A. J关于深渊，还有一个问题特别地值得一提。我们发现深渊已经不再是一片净土，我们在水体、沉积物甚至在深渊生物的体内都发现了有诸如微塑料、POPs（持久性有机污染物）和甲基汞等人为污染物，并且这些深渊环境对人为污染物还有着明显的累积和放大效应。- G$ E- X1 O" e. g# X" c
目睹海上丝绸之路的沉船
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如今，载人潜水器已经带着我们下潜到了世界大洋的很多地方。每一次下潜，每当舱口盖关闭的一刻，就仿佛又重新为我打开了一扇新的通往未知世界的大门。 在我跟随“深海勇士”号500潜次下潜的时候，就“穿越”回了500年前。" e L( K8 \0 Q! E {5 X* [
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▲一号沉船：数十万件外销瓷器2 B9 c0 i B9 [5 u% e5 p/ s
我们在南海西北陆坡一处水深1500米的区域发现了一艘大型的古代沉船，这艘沉船的体型以及物品规模都远超我们过去所见。这艘沉船所携带的货物主要以外销的瓷器为主，我们可以看到这些色彩绚丽的珐华器。这些瓷器的散落范围达上万平方米，推测数量有数万件，初步判断时代为明朝正德年间。
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▲ 载人深潜开启深海考古新篇章
8 G7 u. k* O+ K. q9 P0 _在今年(2023年)的5月20日，我们在一号沉船的核心堆积区附近布放了首个沉船水下永久测绘基点，正式开启了这艘古代沉船遗址的考古调查工作。我们希望通过一系列新技术、新装备的加持，能够逐渐揭开海上丝绸之路的神秘面纱。) o/ e5 S- T* t: R/ d8 K
科学家的使命在于探索未知，而载人潜水器就是通往历史和未来的时光机。在深海深渊之下，依然存在着许多的谜题等待我们一一破解。
) J+ l( A+ k; e8 i谢谢大家！
$ t7 o2 ~0 V9 ]3 s文章和演讲仅代表作者观点，不代表格致论道讲坛立场。
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