大海深處有什麼？要如何探測海底深處的物質？把海底的物質帶回陸地實驗室測量往往會出現測不準、測不對、采不到的問題，故科學家希望“把實驗室搬到海底”，在海底進行原位探測、做實驗，結果有了許多不一樣的新發現！他們是怎麼做到的呢？

出品："格緻論道講壇"公衆号（ID：SELFtalks）

以下内容為中國科學院海洋研究所張鑫演講實錄：

深海有什麼呢？它是不是一片荒漠？

海洋的平均深度，已經達到了3700多米，而超過1000米的深海面積已經超過了90%。

普通觀點認為，在200米以下的真光層以下，幾乎是沒有各種生命的。這也是1977年，在深海的熱液系統發現之前，大家認為深海是一片荒漠。

但是，深海下是有各種極端環境的。

一個比較極端的例子，叫深海的熱液系統。

這個系統是由于海底大量的高溫高壓、強酸或強堿的流體快速地噴出海底形成的。

它攜帶了大量的甲烷、二氧化碳氣體的同時，還有各種的金屬元素，它可以在海底堆積形成熱液硫化物礦物。同時，它還孕育了各種生命的現象。

另一種生态系統，我們叫它冷泉。

冷泉并不冷，它隻是在熱液發現之後，大家發現有一種低溫的流體。

它的溫度和周圍海水相當，而裡邊含有的物質，并沒有大量的金屬硫化物顆粒，而以水、甲烷、硫化氫這些氣體以及一些細粒沉積物為主。

它同時也孕育了一種能源，或者說未來的戰略能源，我們叫它可燃冰。

因此，它的資源以及能源，或者說效應是毋庸置疑的。

熱液冷泉這種極端環境，還孕育了一種特殊的生命現象。

一般認為，萬物生長靠太陽，是需要光合作用的，沒有光是沒有生命的。

後來我們發現，深海的這種生物特别神奇，它可以利用熱液冷泉噴出的甲烷、硫化氫這些氣體，通過微生物合成的方式，把無機物轉化為有機物，進而産生大分子。

這種生命現象就不需要光的參與，我們叫它化學合成的自養生态系統。

既然海底有這種特别神奇的，和我們地表生态圈完全不同的生态系統，我們就要去探測。

是不是可以直接把熱液冷泉裡邊的東西都帶回實驗室做各種分析？

可能不太行。

首先，你測不準。

還有可能測不對。

底下那些點，是國際大洋鑽探計劃使用非保溫保壓的技術，也就是傳統的沉積物取樣技術獲得的。

沉積物孔隙水中的甲烷濃度大概在1毫摩爾左右。

1毫摩爾是什麼概念？就是正常的25度1個大氣壓下，水中甲烷的溶解度。

上邊那些黑點是使用了一種新技術獲得的，叫保溫保壓采樣技術。它的甲烷濃度可以達到1000毫摩爾。

如果這是它的真實濃度，那原來測得的傳統的數據和真實濃度就相差了1000倍。

所以，很多數據是測不準的。

還有就是，它很容易分解變質。

我在我們國家的南海，進行了一個天然氣水合物，也叫可燃冰的原位合成實驗。

我在3度 11個兆帕，1100米的深度，原位合成了天然氣水合物。

當我把它帶到了700米水深，水溫大概7度的時候，它已經開始分解了，所以壓根兒就沒有到海表。

所以很多可能帶回來的東西，已經不是原位的這些物質成分了。

還有就是，你根本采不到。

這個白色的是潛铠蝦，底下是一些深海偏頂蛤。再往下是它生長的基底，我們叫它自生碳酸鹽岩。

自生碳酸鹽岩和潛铠蝦之間的這個物質，叫生物群落中的下覆水。

這個流體是采不到的，因為它隻有大概幾厘米到十幾厘米的厚度，各種采樣技術都不可能得到。

自生碳酸鹽岩，這麼大的一塊兒石頭，也不可能都搬回實驗室。

所以，我們把樣品帶回實驗室，分析的各種數據，可能代表不了數據的真實值，或者根本就采不到這個樣品。

那怎麼做呢？

我最近做的工作，或者說我最近十幾年做的工作，還沒有完成我的夢想，是把實驗室搬到海底。

我隻是做了一個簡單的探針，叫拉曼光譜探針，帶着它去深潛。

從大概2008年，我的第一個探針沉積物孔隙水探針誕生到現在，已經經曆了三代。

可以做什麼呢？

可以探測沉積物孔隙水和冷泉流體，可以探測天然氣水合物，也叫可燃冰。

最後，也是最近我們的突破是，可以探測高溫高壓的熱液噴口流體。

這個探針是一套特别龐大的系統，它使用了我們的“發現”号機器人。

“發現”号機器人搭載在哪兒呢？

它是一個ROV機器人，它搭載到我們國家的一個重大基礎設施，“科學”号科考船上。

這個機器人像人一樣，可在海底下做各種的操作，我使用了這個機器人幾乎所有的功能。

我要用它的電力給我的探針供電，用它的通訊來控制我的探針進行各種操作， 還需要用機器人的兩隻手，抓着探針去探測不同的位置。

那個探針就像《星球大戰》裡邊的激光劍一樣，它指哪兒打哪兒。

當然，這個手是一個機械手，那它到底指到哪兒了呢？

首先，我做了一些海底的固體物質。

天然氣水合物，也叫可燃冰，我們在南海首次發現，在裸露在海底的地方存在這種可燃冰。

激光劍發出一束藍綠激光，打在可燃冰的表面，我們就可以得到它的化學成分。

但是現在冷泉噴口裡邊的可燃冰，是不可能把樣品帶回來的。

這束光打過去之後，它就把它的物質成分全都拿了回來。

我們不隻進行物質成分的探測，我們還在海底下做原位的實驗。

這個像蜂巢一樣的裝置，就是我們在海底，使用冷泉流體合成了可燃冰，然後發現在海底下，0秒鐘可能就可以合成可燃冰。

而如果在實驗室可能需要幾天、十幾天的時間合成。為什麼呢？

因為冷泉流體裡邊含有大量的礦物顆粒，它就像我們人工增雨的核一樣，會使可燃冰的形成速度快速增加。

我探測了冷泉的自生碳酸鹽岩和熱液的硫化物。

在把探針帶下海之後，每個點去探測，就像你在做CT一樣，這樣可以得到一個生态系統，或者說流體形成的一種模型和模式。

除了這種石頭和水合物，我還探測生物。

放心，我現在探測的這些生物都沒有死，它好好地在我們的這個深海生存着。

我給拉曼探針起的名字，就像我的孩子一樣，叫RiP。

RiP是什麼呢？如果大家在國外待過，可能會發現墓地墓碑上都有RIP，它是安息的意思。

我想用拉曼探針做的工作也是，隻是打一束光過去，然後這束光的返回信号可以告訴我你的生理狀态，或者說你的化學成分，但是我不會破壞你生存的環境。

所以說它們是在安息的，我們隻是過去看了一下，我們像過客一樣。

那紅海葵和白海葵的不同在哪兒呢？

很簡單，紅海葵裡邊有類胡蘿蔔素，這是大型生物裡邊都有的。

我還去測了各種螺，那些螺和你們吃的海螺長得差不多，但是它的物質成分有天壤的區别。

測了這麼多固态物質，那其他時候測點什麼呢？

那我們要不然測一些流體吧。那流體都有什麼呢？

首先我做了沉積物孔隙水。

什麼叫沉積物孔隙水？

大家可以想象，你從地裡拿了一塊泥巴到手裡，你使勁攥攥它，可能會擠出一點水來。或者你在沙灘上跟孩子玩的時候，拿出一捧沙子，水會滴下來。

孔隙水，就是在這個沉積物或者岩石，或者這種沙質沉積物泥質沉積物中間的水。

那為什麼要測它？

因為沉積物中有大量的這種甲烷氧化菌，它消化了大量從海底下上來的甲烷。如果沒有它，地球上甲烷濃度就會升高很多。

那現在的溫度可能就不是我們現在的20攝氏度，可能要變成200度。

那怎麼測呢？

傳統的技術就是把樣品帶回來，那我做的工作，就是把一個探針插入它不同的深度，就可以得到它的光譜，然後進行我們相關的定量分析，就得到它的數據。

它的甲烷濃度和普通傳統取樣的甲烷濃度相差了20倍，這樣的話，全球沉積物中的甲烷濃度是不是被低估了20倍呢？

不知道。但至少被大大地低估了。

那甲烷的整個的儲量，或者是它的含量，可能在全球尺度上也被低估了。

沉積物孔隙水太複雜，舉個簡單的例子。

我們去做冷泉的流體，下覆水隻有大概十幾厘米或者幾厘米的厚度。我也是把我的探針插入它的不同的深度，那發現了什麼？

普遍認為甲烷的厭氧氧化，會産生硫化氫氣體和二氧化碳，但是我們沒有打到任何的硫化氫氣體，卻測到了很多的單質硫。

這樣，就颠覆了大家對甲烷的氧化過程的傳統認知。

所以，原位探測是可以颠覆一些傳統的基于取樣或者其他的模拟技術得到的一些認知。

最近我比較主要的一些進展，就是我現在敢把一個光學探頭，插入一個三四百度高溫的而且有些黑煙的體系。

這個體系首先高溫，我們這個技術就解決了光學鏡頭在高溫、高壓、強腐蝕、渾濁環境下的探測。

這個技術可能是現在全球唯一一個可以插入熱液噴口進行原位探測的光學傳感器。

我們不隻做高溫的熱液流體，有“黑煙囪”，還有“白煙囪”。

它的溫度不是特别高，我叫它低溫，但它也有100度了，但是它的pH值特别低。

你可以想象一個濃硫酸在海底下，然後我把探針打下去了，而且發現探針測得的數據裡邊有大量的氫氣。

氫氣是生命從無機到有機，或者說有機的轉化需要的一個很重要的氣體，那它可能就和深海的這種生命起源有一定的關系。

固體和液體沒有什麼特殊的，海底下肯定有石頭，肯定有海水，那你能相信海底下有氣體嗎？

我們測到了海底的氣體，而且這些氣體是不可能脫離那個環境，帶回海表面的。

在我們最近剛發表在《科學通報》英文版上的一篇文章中，我們在自然界中首次發現存在自然狀态下的超臨界态二氧化碳。

我這件衣服是羊毛的，需要幹洗，那幹洗店用的是什麼呢？就是用的超臨界态二氧化碳。

它有什麼特點？

它具有氣态和液态的特點，它首先可以溶解有機質。

在它變成超臨界态的時候，把有機質，就是衣服上的一些機質、污垢給帶走了。

然後當它溫度壓力降下來的時候，變成了氣态，就可以抽回去再利用，這是幹洗的原理。

它還有一個原理，就是石油行業用它做一個有機溶劑。

它還可以進行各種催化。

超臨界态二氧化碳形成的環境，是需要30多度和70多個大氣壓，這在我們地表是不可能存在的，隻有在深海或者深地有。

我們就在這種熱液區域，發現存在這種泡泡。

這種泡泡你是帶不回來的，因為它的溫度達到了大概90多度。

隻能把我們的光打下去，然後測得它的成分，發現和超臨界态二氧化碳在實驗室模拟的成分是一模一樣的。

這個泡泡裡邊還帶了大量的氮氣，生命起源是需要氮氣的。米勒的放電實驗，就是産生氨基酸的實驗，裡邊也需要氮。

熱液系統一直認為是地球生命起源可能的一種解釋，但在它其中沒有發現大量的氮氣。

我們發現，超臨界态二氧化碳可能對氮氣有富集作用。這樣的話我們就提出了一種新的早期地球生命起源，或者說從無機到有機轉化的過程。

所以，你幹洗衣服的超臨界态二氧化碳，可能和生命有關。

我們還在海底下發現了一個氣态的水，這個也比較神奇。

如果它是氣态的東西的話，它溫度降下來之後就變成了水，變成液态，或者它要上升到海表。

那它怎麼沒有變成液态，沒有上升呢？

它有一個倒置的湖。

你可以想象，把你家裡的大臉盆扣在海底，然後有一個冒着熱氣泡的水蒸氣，一直把你的臉盆充滿了，而且那個水蒸氣會一直給它供給熱量。

這樣，它就會形成一個倒置湖的結構。

這個倒置湖結構很神奇，它裡邊首先有氣态的水，這樣就把我們地球科學這種水氣分離，或者說相分離的現象，從海底深處移到了海底的表面。

另外就是 ，這種倒扣盆會形成一個很平的鏡面，這種鏡面就會抑制硫化物顆粒大量噴出到海洋環境中。

這些硫化物顆粒會大量堆積在噴口的周圍，它對周圍海洋環境的影響就要降低。

這個探針去了哪兒呢？

它去了好多好多的熱液區，已經下潛了150餘次，跟着國内和國外的幾台機器人下了太平洋幾乎所有的弧後盆地的熱液區和冷泉區，以及西南印度洋的熱液區。

我們用“發現”号機器人，也就是我們中科院海洋所的機器人，還有“海星”機器人，它是我們國家第一台6000米級電力推進的機器人。

我們和它配對，在深海做天氣水合物，也叫可燃冰的合成實驗。

我們還和“海龍”進行交流，“海龍”也是個機器人，它是我們國家進行大洋科考的機器人。

我們跟着“海龍”去了西南印度洋，然後在洋中脊做了各種探測工作。

我們還和“蛟龍”進行探海，“蛟龍”号是我們國家，或者說全球現在下潛深度最深的載人潛水器。

我們已經搭載它進行了相關的聯合測試工作，預計在2020年的9月份就要和它一起出海。

我們還走出了國門，和美國合作，我們合作對整個美國和加拿大西海岸的所有的冷泉和水合物區進行了原位的探測。

我并沒有把實驗室搬到海底，隻是帶着我的探針下海了而已，那真正在海底建實驗室要怎麼建呢？

我們從2016年已經開始探索，我給它起的名字叫“海洋之眼”，就像一隻眼睛一樣在海底盯着，盯了不長的時間，也就一年的時間。

圖中可以看到冷泉生态群落有巨大的變化。可以看到潛铠蝦從無到有，從有到多、變少。

我做的實驗是水合物的合成實驗，可以發現裡邊的鹽度的變化在375天就特别的巨大。

我們在今年的6月份，在疫情比較嚴重的時刻進行了一個科考，克服了各種困難。

我們把第三代系統放到了海裡，這個系統特别複雜，光耐壓艙就有7個，裝了各種傳感器然後進行了一個相關的實驗。

并不是說我隻是去觀測深海的東西，而是要在深海做各種實驗。

但是裡邊并沒有我們的拉曼系統，沒有各種光譜的系統，更多的還是一些電化學傳感器和普通的光學圖像。

我未來的夢想是什麼呢？

就是要在深海建立一個光譜學的實驗室。

這個實驗室不隻使用我剛才講的拉曼探針或者拉曼光譜技術，還要把深海的激光誘導擊穿光譜技術、熒光光譜技術、紅外光譜技術，這些所有的光譜技術放在海底。

幹什麼呢？

去觀測海洋的變化，去做一些實驗。

好處是什麼？

因為是光，它不會破壞那些生物生存的環境，我隻需要打一束光過去，就可以得到我需要的信息。

這個夢想的實現，離不開我們國家現在日益強大的科研實力。

這是我們的“科學”号科考船，我在這條船上已經工作了接近8年的時間。

它就像一個母船，或者像我們的母親船一樣，可以帶領我們做各種深海實驗。

希望各位同學在你們以後，或者說以後從事科研的時候，可以加入海洋，探索深海。

“格緻論道”，原稱“SELF格緻論道”，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。緻力于非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物緻知”的精神探讨科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自“格緻論道講壇”公衆号（SELFtalks），轉載請注明公衆号出處，未經授權不得轉載。

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