一、引言

说到海洋，给人的印象是无边无际，深不见底。在地球上，海洋所占有的总面积大约为3.6亿平方公里，占地球表面积的71%，海洋科学是地球科学的重要组成部分，研究海洋有着重大的意义。

海洋不仅大，而且深。海洋的平均水深约为3795m，有着“海底深渊”的马里亚纳海沟更是有10911m之深。我们知道，在超过200m的海域在海洋学上就可以称得上是深海了。其显著特征是在透光层之下，也就是处于没有阳光的黑暗环境当中。在那里没有我们所赖以生存的光合作用，也就没有了传统生态系统上的生产者。没有了生产者也就意味着生态系统无法实现从无机到有机的碳循环，意味着能量无法传递到生命中，是不是也就意味着深海就没有生命了呢？

二、深海是否存在生命？

在1977年之前，也就是深海热液系统发现之前，科学家和我们上面所分析的一样，都认为深海是一片荒漠，是不存在生命的。但是随着“海底热液系统”的发现，打破了人们对深海生命的认知。

所谓“海底热液系统”，简而言之，就是在海底存在着这么一种现象：大量高温高压，强酸或者强碱的流体快速喷出海底。这种流体还携带了大量的甲烷，二氧化碳等气体，这便成为了海底荒漠中的绿洲，为深海生命带来了福音。

图一 海底热液系统

和热液类似，还有一种生态系统，我们称之为冷泉。冷泉并不冷，它的温度和周围的海水相当。之所以称之为冷泉，是因为它是继热液发现之后，人们所发现的一种和热液相类似的地质现象。其表现为以水、甲烷、硫化氢为主要成分的流体不断从海底喷出。说到海底的甲烷，大家对于“可燃冰”这个词一定不陌生吧，它就是甲烷的水合物，学名叫做“天然气水合物”。它燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多，但能量高出十倍。冷泉便是可燃冰的诞生地，是未来新能源的存储基地！

那么热液冷泉和深海处的生命有何联系呢？传统的观点，我们会说“万物生长靠太阳”，没有了太阳就没有了光，就没有了光合作用，就没有了生命。但是随着科学家们的研究发现，在海底确实存在不需要太阳就可以活的很好的生命。在深海的冷泉热液区，存在一些生物，它们可以把甲烷、硫化氢等这些无机物转化为有机物，进而产生有机大分子，从而诞生了生命，最终形成了生态系统。这种不需要阳光的生态系统，科学家将其称之为化学合成的自养生态系统。深海存在着这种不需要阳光便可以生存的生命，那么就意味着最初的生命起源极有可能就诞生在这里。甚至在外太空，在其他没有阳光照射的星球上，或许也存在着在这种模式下孕育的生命，启发了我们寻找外星生命的一个方向。

三、走进海洋，潜入深海

研究深海，不仅对我们人类当前的资源与环境有着重大的意义，还和生命起源等重大科学问题紧扣。但是当前我们人类对深海的了解甚至不及对月球表面的了解，我们对深海还知之甚少，一片盲区。当然，这也就带给了我们新一代的年轻人更多的机遇和挑战，让我们一起去潜入海底探索未知，深海探测！

    我们就开始行动吧。我们想研究冷泉热液系统，我们得先去一趟海底看看到底是个什么样子。怎么去？工欲善其事，必先利其器。研究深海，前提是抵达。中国曾因缺少专为深海设计的科考船而望洋兴叹，直到科学号科学考察船设计建造成功。科学号海洋科考船采用的吊舱式全回转电力推进系统，是国际最先进的推进方式之一。其合为一体的推进器与螺旋桨不仅节省仓容空间，也提高能量转换效率，可增加船体机动性与灵活性，并减少船舶的震动噪声，有利于科学考察人员进行海上作业。

图二 “科学号”综合考察船

让我们跟随科学家，搭载科学号出海吧。备航，出发！我们启航出发来到了汪汪大洋，遥望四周，除了无边的洋，就是蔚蓝的天，很清楚地可以看见水天相接的分界线，却又在海风和波浪的伴随下不那么明显......好啦，短暂地欣赏美景之后我们要开始干活了！汪洋大海，寻找冷泉热液，谈何容易。虽然相比于大海捞针轻松一些，也可以称的上是“众里寻他千百度”的难度吧。不过也不要着急，科学号上配备有各种各样先进的武器来辅助科学家们进行试验。勇敢牛牛，不怕困难，开始行动吧！

四、海洋科考的十八般武器

在我们行动之前，先给大家介绍一下科学家们的“武器”。

首先是海底声学设备。声信号在海水中传播具备传播快，损耗低等优势，是进行海底探测的主要手段。我们通过声学设备向海底发射声信号，这些声信号接触海底之后会产生回声，然后返回。我们可以利用探测器来对这种回声信号进行采集处理，从而获得了海底的深度信息。大量的海底深度信息组合在一起，便可以反演出三维的海底地形地貌信息，进而根据经验对海底地形地貌信息进行分析，便很容易就找到冷泉热液了。

 图三 海底声学探测设备

在使用这个声学探测设备的同时，还需要一个搭载器，作为一个平台搭载声学设备入海。这个搭载器，将其称之为ROV（Remotely Operated Underwater Vehicle），即水下机器人，科学号上所搭载的ROV我们将其命名为“发现”号。科学家可以在科学号上通过操控手柄来遥控发现号，从而实现携带着我们的声学设备在海洋中自由“飞翔”。             

图四 “发现”号水下机器人               

图中所展示的就是科学家在ROV操控室利用手柄来控制发现号的行动，操控起来非常方便，就像我们玩的3D游戏一样简单，极大地提高了工作的效率。发现号上可谓是十八般武艺样样精通。该机器人装备了温度计、生物采集器、采泥箱等，是开展深海探测研究的先进工具。而且带有水下定位系统和深水超高清摄像系统，还配备了机械手，能直接抓取重达300公斤以上的生物和岩石。

图五 科学家在操控水下机器人（红色圈圈标注的为操控手柄）

除此之外，发现号还搭载了一个利器，是由中科院海洋所自主研发的设备，我们可以将其称之为“哪里不会点哪里”的“激光笔”。这个激光笔也是要搭载在发现号ROV上，由ROV携带其移动，并且给它供电。这就是所谓的拉曼光谱探针，这个名字不太好记，科学家就给他起了一个名字叫”RiP”。”RiP”是什么意思呢？去过国外的朋友应该知道，在国外的墓地的墓碑上就刻有这三个字母，翻译过来是“安息”的意思。是不是说起来还蛮恐怖的？朋友们不会把这个当成了一个杀伤性的武器吧！其实截然相反，RiP是一种探测装置，其原理就是往目标处打一束光，然后根据这束光返回的信号来获取所探测物体的生理状态、化学成分，而丝毫不会干扰到生物的生存环境。

图六 RiP拉曼光谱探针

我们人类去探索这些来自于深海的生命，甚至这些生命比我们还要古老，我们只是作为来自陆地上的客人来对他们进行拜访，就像是他们生命中的过客，只看一下，不会干扰他们的生存，让他们继续沉睡在海底，安息。这种在海底直接进行获取参数的探测方式，称之为原位探测。

五、带着探针去海底

我们就带着这些先进的高科技武器去海底吧！我们来到了茫茫的大海中央，首先要做的是对该海域的海底地形地貌进行一个高精度的测绘。利用海中的千里眼——海底声学设备，对海底地形进行一个彻底的扫描，根据地形来寻找海底的特殊地质现象。科学家们把搭载着声学设备的发现号ROV下放到海底，开始沿着设计好的测线，对海底进行扫描。就像我们去医院拍片一样，看看那么深的水所覆盖的地形地貌是什么样的，对海底进行一个初步的诊断，方便我们“对症下药”。

经过科学家们的不懈努力，利用海底声学设备获得了热液区、冷泉区等重点调查区的高精度声学资料、高分辨率影像资料以及相关物理化学参数，终于对其所在的位置进行了精准定位，我们可以下潜去研究它了！

发现号ROV上是有眼睛的，即深水超高清摄像系统。图中就是发现号ROV所看到的画面。来到了数千米深的海底，果然和我们所想象的不太一样，这里虽然没有阳光，但是并不是一片荒漠。恰恰相反，这里有着各种各样的生命！像图中所展示的，有贻贝、潜铠虾等形形色色的生命，一片生机勃勃，繁荣昌盛！这些生命是以甲烷、硫化氢等为食，是海底冷泉流体的喷出孕育了这一片生机！这说明我们真的到了冷泉区了，那我们开始对它进行定量的研究吧！

图七 冷泉区的生命（白色的部分为潜铠虾，红褐色部分为贻贝）

我们的拉曼光谱探针RiP派上用场了。它就像一个点读机的笔一样，由发现号ROV手持，科学家用手柄操控，哪里不会点哪里。我们到了海底，要想想该测点什么了！

首先我们测点不一样的，就先测一下无法带到陆地上来的一些物质吧。比如我们先测一下潜铠虾和它们所依附的自生碳酸盐岩之间的流体吧。这些流体被称作生物群落中的下覆水。测量这个流体的成分，可以最直接最真实地反映潜铠虾生存环境的参数信息，对于研究这些生命具有重要意义。但是这个流体是无法采集的，因为它只有大概几厘米到十几厘米的厚度，各种采样技术都不可能得到。自生碳酸盐岩，这么大的一块儿石头，也不可能都搬回实验室。所以必须依靠探针进行原位探测。

图八 RiP拉曼光谱探针正在工作

然后我们测一下他们的主要食物吧——天然气水合物。天然气水合物，也叫可燃冰，在裸露在海底的地方存在这种可燃冰。我们的探针发射出出一束蓝绿激光，打在可燃冰的表面，我们就可以得到它的化学成分。但是在冷泉喷口里边的可燃冰，是不可能把样品带回来的。这束光打过去之后，它就把它的物质成分全都拿了回来，我们便得到了我们所需要的东西。 

再去测一下沉积物孔隙水吧。所谓沉积物孔隙水，就相当于你从地里拿了一块泥巴，使劲攥紧它，可能会挤出一点水来。或者你在沙滩上，用手抓紧一捧沙子，水会滴下来。这种藏在岩石中、土壤中的水就叫做孔隙水。测量孔隙水有着非常重要的意义。因为沉积物中有大量的甲烷氧化菌，它消化了大量从海底下上来的甲烷。如果没有它，地球上甲烷浓度就会升高很多。那现在的温度可能就不是我们现在的20摄氏度，可能要变成200度。测量起来也是非常简单：把一个探针插入它不同的深度，就可以得到它的光谱，然后进行我们相关的定量分析，就得到它的数据。普遍认为甲烷的厌氧氧化，会产生硫化氢气体和二氧化碳，但是没有测量到任何的硫化氢气体，却测到了很多的单质硫。这样，就颠覆了大家对甲烷的氧化过程的传统认知。所以，原位探测是可以颠覆一些传统的基于取样或者其他的模拟技术得到的一些认知。

六、把实验室搬进海底

到现在为止，科学家们还没有真正实现把实验室搬进海底的梦想。刚刚所讲的仅仅只是对海底进行探测，并没有实现在海底做实验。中国科学院海洋研究所从2016年就已经开始探索如何实现这个目标。他们在海底深处放了一只眼睛对海底进行监视，给它起了个名字叫“海洋之眼”。这套装置在海底盯一年多的时间。图中可以看到冷泉生态群落有巨大的变化。可以看到潜铠虾从无到有，从有到多、变少。

图九 海洋之眼所检测的海洋环境变化

在未来，要想真正地实现把实验室搬到海底的梦想，就要在深海建立一个光谱学的实验室。这个实验室要有拉曼探针或者拉曼光谱技术，还要有深海的激光诱导击穿光谱技术、荧光光谱技术、红外光谱技术等。要把这些所有的光谱技术放在海底，去观测海洋的变化，去做一些实验。因为光不会破坏那些生物生存的环境，只需要打一束光过去，就可以得到需要的信息。把实验室搬到海底的梦想的实现，离不开我们国家现在日益强大的科研实力。我相信，在不久的将来一定可以做到！