杜夢然：我們潛入海面下9000多米，竟然發(fā)現(xiàn)了一個生機勃勃的世界

2024年，杜夢然和團隊乘坐“奮斗者”號載人潛水器潛入海面下9000多米，發(fā)現(xiàn)了地球已知最深的動物生態(tài)系統(tǒng)。以下內(nèi)容為杜夢然在2023年關(guān)于深海工作所做的演講：

大家好，我是杜夢然，來自中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所。今天我想與大家一起分享深海的故事。

深海，我想大家可能對它既熟悉而又陌生。過去人類無法進入深海，只能靠憑空想象創(chuàng)造出許許多多的深海神話和科幻電影，然而真實的深海海底到底是什么樣子呢？今天，我就請大家一起跟隨我們的深海載人潛水器，到不同的深海秘境一探究竟。

逼近海底最深處的歷程

首先我們一起來了解一下深海載人潛水器的發(fā)展歷程。

遠在16世紀(jì)，人類就已經(jīng)開始了對潛水服的研究；在17世紀(jì)末的時候，人類就發(fā)明出了潛水鐘；在19世紀(jì)的時候，又把它演化為潛水球。自此之后，全世界就開始迅速掀起了對載人潛器的探索，一直到1961年，它首次成功地把兩人帶到了萬米的海底——人類首次萬米深潛在海底停留了20分鐘。然而，一直到了51年后的2012年，萬米海底才迎來它的第3位人類朋友。我們可以看到，在載人潛水器發(fā)展的300余年歷程中，已經(jīng)有12人到過月球、有500多人到過太空，然而卻只有3人成功到達了萬米海底。

萬米深潛困難重重

難道萬米深潛比深空探索更加困難嗎？答案恐怕是肯定的，因為要下潛到萬米，我們要克服重重的困難，它涉及到了太多不同領(lǐng)域的尖端技術(shù)。

比如我們首先需要克服的是超高壓力所帶來的困難。在深海里每下潛10米便會增加1個大氣壓，下潛到萬米海底就需要承受1000個大氣壓 ，它相當(dāng)于每平方米需要承受1萬噸的壓力，因此我們就需要研制出既有高強度又有高韌性的鈦合金耐壓材料。

接下來，為了潛水器能夠下得去、上得來，我們還需要去研制出質(zhì)量足夠輕，同時吸水率又足夠低的浮力材料；我們的潛水器要在水下工作，還需要能源，那么如何研制出既有高安全性，同時又有高能量密度的深海電池，又成了另一項技術(shù)難題；除此之外，還有一系列的諸如水下通信、導(dǎo)航、定位等等關(guān)鍵技術(shù)需要我們?nèi)ヒ灰还タ恕?/p>

2020年11月10號，我國自主研制的全海深載人潛水器“奮斗者”號抵達了全世界最深點——海平面以下10909米的馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵，創(chuàng)造了中國載人深潛的新紀(jì)錄。這是國際上首次同時將3人帶到萬米的海底，也是國際上首次實現(xiàn)萬米海底的高清視頻直播。

如果說深淵曾經(jīng)是深海科學(xué)研究的無人區(qū)，那么“奮斗者”便使得這條通往深淵海底的10公里道路成為了坦途。因為我們有了載人潛水器，才有機會真正進入深海，才能夠下潛到南海去見識婀娜多姿的冷水珊瑚和神奇的冷泉綠洲；才能夠下潛到西南印度洋熱液區(qū)，去體驗深海之下的水深火熱；才能夠下潛到馬里亞納海溝，目睹神秘的萬丈深淵。

在20世紀(jì)70年代末，海洋科學(xué)家通過研究發(fā)現(xiàn)，海底竟然是“漏”的：一種是在大洋中脊和斷裂帶上。這是由于在海底有大量的裂隙，巨量的海水沿裂隙下滲，又受深部熱源的加熱作用，便會溶解地球深部的金屬等元素，再從洋底噴出，如同煙囪一般十分壯觀。它們的流體溫度可以高達400℃，因此被稱作深海熱液。

還有另外一種通常發(fā)生在大陸架的邊緣，它是由于水合物不穩(wěn)定發(fā)生分解等原因，釋放出甲烷以及其他的烴類氣體，因此被稱作深海冷泉。

深海熱液和深海冷泉可以把地球深部的物質(zhì)和能量源源不斷地輸入到貧瘠的海底，因此孕育了非常獨特的深海冷泉和熱液生態(tài)群落，就如同沙漠里的一片綠洲。

生機勃勃的海底生命世界

在2018年6月份，我非常有幸地跟隨著“探索一號”科考船和“深海勇士”號載人潛水器，來到了南海的一處冷泉區(qū)進行科學(xué)考察。

我們的“深海勇士”每次可以帶3人一起下潛，一般是兩名潛航員帶一名科學(xué)家。我們在水中的工作時間大約為8個小時，所以我們一天的吃喝拉撒都需要在這個直徑為2米的鈦合金球艙里來解決。

潛水器會配有一套完整的生命支持系統(tǒng)，以此保證下潛人員的水下作業(yè)安全。它還配有聲納系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等等，使它在水中能夠自主航行。除此之外，潛水器還能夠與水面之間進行高速的水聲通信，實時傳輸水下的文字、語音以及視頻等，這樣就使得我們的母船能夠隨時知道潛器在水下的狀態(tài)。

這是我第一次跟隨“深海勇士”號進行下潛，也是我第一次目睹冷泉生物的盛況。很難想象，在水深1000多米完全沒有光的深海，竟然是一片生機盎然。

那么，這里的冷泉生物是如何解決它們的吃喝問題的呢？在大家都看不到可見光的深海，沒有了光合作用的條件，這里的微生物通過攝取冷泉流體滲漏出來的化學(xué)物質(zhì)，從化學(xué)反應(yīng)中獲取能量，合成有機質(zhì)來供自己生長。我們把它稱之為“化能自養(yǎng)微生物”。

這種黑暗世界里的初級生產(chǎn)者又能夠進一步供養(yǎng)比它們更高一級的生物，例如說像貽貝、鎧甲蝦、管狀蠕蟲、螠蟲等等。冷泉流體滲漏就提供了這樣一個“自助餐”式的深海環(huán)境，使得這些冷泉生物能夠在這里過得飲食無憂。

然而隨著冷泉滲漏強度由強到弱的變化，這些冷泉生物群落也會隨之發(fā)生結(jié)構(gòu)性的改變。我們在上面介紹的海馬冷泉的東北方向還發(fā)現(xiàn)了另外兩處新生的冷泉區(qū)。這里可以看到更加明顯的裸露水合物。這里的流體滲漏強度也是更加劇烈的，但是我們在這里僅觀察到了非常少量的生物。這里能否支撐起像海馬冷泉一樣的生態(tài)群落還有待我們進一步的研究。

遍訪世界各大洋是所有海洋科學(xué)家的夢想。2018年11月，我們又迎來了一個激動人心的航次——在南半球的西南印度洋熱液調(diào)查航次。

這是一片被西南季風(fēng)籠罩的海域，大部分時間浪高超過4米，風(fēng)速超過28節(jié)，這樣的惡劣海況讓潛水器的每一次布放和回收都變得驚心動魄。

海底的景象同樣也是驚心動魄的。在水深接近2800多米的龍旂熱液區(qū)，燈光所及之處，煙囪林立、黑煙滾滾，可見度非常非常低。我們的潛水器需要非常小心翼翼地在煙囪林里穿行，否則一不小心就很有可能撞到這些煙囪，或是被高溫流體所灼燒。

然而在這樣一個看似嚴(yán)酷無比的深海環(huán)境條件下，生命皆以各種意想不到的方式頑強生存。我們可以看到，在中印度洋的這兩處熱液煙囪壁上，密密麻麻布滿了盲蝦，它們可謂是真正生活在“水深火熱”之中。然而生活的困難還不止于此，它們還需要在去尋找食物的路上盡可能躲避海葵的吞食，否則一不小心就會成為海葵的盤中餐。

這里的生物也是與開闊大洋或者冷泉完全不一樣的。比如像這種無口無肛門的管狀蠕蟲、無眼的盲蝦、穿鐵靴的蝸牛、嗜熱的基瓦多毛怪——雪人蟹……可謂是一方水土養(yǎng)一方“人”。這種穿鐵靴的蝸牛，其實就是它們?yōu)榱诉m應(yīng)高溫環(huán)境而演化出覆鐵的麟角，它們甚至可以根據(jù)不同的化學(xué)環(huán)境，給自己穿上不同型號的靴子。

除了宏生物，這里的熱液微生物更可謂是百毒不侵。它們可以生吞下鐵、吃下有臭雞蛋味道的硫化氫、耐受高溫甚至嗜好高溫。還有一種有著特異功能的光養(yǎng)型微生物，在無法利用可見光的深海，它們演化出一種能夠吸收利用熱輻射的能力，可謂是戰(zhàn)士中的斗士。

深海之下還有另外一處秘境，我們喜歡叫它“冷水珊瑚花園”，在水下幾百米到6000多米的地方都發(fā)現(xiàn)。與我們所熟知的暖水珊瑚不一樣的是，冷水珊瑚不依賴陽光，也不需要與單細胞藻類共生，它們以海水中的浮游生物和沉降有機質(zhì)為食。

最常見的冷水珊瑚——柳珊瑚

最常見的冷水珊瑚是柳珊瑚，觸手多為八放型，它們的骨骼也是以碳酸鈣為主。其中最為常見的是經(jīng)常被我們稱作海洋活化石的竹節(jié)柳珊瑚，它擁有著長達上千年的生命周期，也有著像樹木一樣的年輪。它們的年輪中記錄著曾經(jīng)經(jīng)歷過的溫度等環(huán)境變化，因此是一個非常好的古地質(zhì)溫度計。

我們在南海進行下潛的時候，還發(fā)現(xiàn)了一大片珊瑚骨骼化石，其中的一處珊瑚化石據(jù)分析可能曾經(jīng)生活在距今14000年以前。因此，我們可以利用在世界各大洋采集到的冷水珊瑚以及化石樣本，幫助建立起世界大洋滄海巨變的框架。

披著“彩色外衣”的黑珊瑚

在深海之中還有另外一種類型的冷水珊瑚，它們的觸手多為六放型，也擁有著多種多樣的形態(tài)和表觀顏色。但是因為它們的骨骼通常都是以有機質(zhì)為主，呈現(xiàn)出黑色，所以我們把它稱作為黑珊瑚。

冷水珊瑚的發(fā)現(xiàn)給我們帶來了很多問題。比如在深海之下是無光的，深海生物之間并不需要看見彼此，像深海魚往往是白化和視覺退化的，但是冷水珊瑚為什么要給自己披上彩色的外衣？又是什么樣的生理機制驅(qū)動著它們需要擁有色彩？我們又該去如何譜寫冷水珊瑚的家族譜？

這些問題我們現(xiàn)在其實還沒有辦法給出答案，我們也非常期待在不久的將來，能夠通過深潛找到答案。

深淵生命之謎

科學(xué)上的深淵是指水深超過6000米的區(qū)域，全球總共有37條深淵，其中有5條超過了萬米。深淵也是地球系統(tǒng)上最為神秘的系統(tǒng)之一，因為這里有著低溫、超高壓、黑暗無光、地震頻發(fā)等特點。深淵到底是生命的禁區(qū)，還是生命的起源之地？地球生命的極限在哪里？它們適應(yīng)極端環(huán)境的機制又是怎樣的？

深淵是怎么形成的？

我們要想回答這些問題，首先需要搞清楚深淵是怎么形成的。深淵的形成是兩個板塊發(fā)生碰撞的結(jié)果。以馬里亞納海溝為例，它是由于太平洋板塊俯沖插入到亞歐大陸板塊之下的碰撞，形成了全球最深點——馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵。

這樣的碰撞會在海底造成大量的裂隙，就好比把地球的深部撕開了一個個大大小小的口子。因此巨量的海水得以下滲到巖層的深處，同時受深部熱源的加熱，不斷地淋濾出巖石中的金屬、碳等元素。由于流體的密度和浮力的改變，它們又會再從洋底噴出，以熱液或者是泥火山的方式釋放出來。恰恰是由于這樣的底部流體釋放過程，給深淵底部帶來了大量的碳等營養(yǎng)元素，對孕育深淵底部的生物群落是至關(guān)重要的。

我們對于全球深淵俯沖帶的碳循環(huán)研究發(fā)現(xiàn)，每年俯沖進入到深淵的碳，底部埋藏的碳和再循環(huán)釋放的碳并不平衡，也就意味著每年有上百萬噸的碳消失在了深淵俯沖帶。這些碳去哪兒了？

我們在馬里亞納弧潛區(qū)下潛的時候，意外地發(fā)現(xiàn)了一片大型的碳酸鹽巖山脈。根據(jù)我們目前的分析推斷，這些山脈是淺層流體再循環(huán)的結(jié)果，意味著或許在全球的深淵俯沖帶中，埋藏了大量的我們還沒有發(fā)現(xiàn)的碳。如果這一發(fā)現(xiàn)被證實，意味著我們找到消失的這些碳，也為全球的深淵碳循環(huán)失衡問題找到了答案。

我們之所以關(guān)心碳，是因為碳對于地球生命是至關(guān)重要的。關(guān)于地球早期生命的起源，有一種學(xué)說認為地球早期的生命體發(fā)生在深海，很有可能就發(fā)生在深淵。這是由于在深淵俯沖帶的深部，由于高溫高壓下的水巖反應(yīng)，會反應(yīng)釋放出氫氣和二氧化碳。它們進一步反應(yīng)生成甲烷以及有機小分子。這樣一個由無機到有機的過程，就為地球早期初始生命體所需要的必要碳質(zhì)元素提供了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

雖然這一假說目前還沒有得到充分的證實，但是我們在深淵俯沖帶的一些最新的發(fā)現(xiàn)或許能夠提供一些線索。我們通過載人潛水器在俯沖板塊上發(fā)現(xiàn)了目前全球已知最深的泥火山。

并且這里的深淵生命在地下14公里處仍能存活——這里很有可能就代表了全球最深的深部生物圈。因為深淵環(huán)境有著低溫、超高壓等極端環(huán)境特征，這里的生物無論是生理機能，還是形態(tài)等各方面，都發(fā)生了適應(yīng)性的改變。

這是我們目前人類已知生存最深的魚，我們把它叫做深淵獅子魚。深淵獅子魚可是個狠家伙，為了適應(yīng)這里的超高壓力，它們把自己硬硬的魚骨變成了軟骨，頭顱也打開以實現(xiàn)內(nèi)外壓的平衡。此外它們還通過調(diào)節(jié)體內(nèi)的抗壓物質(zhì)來適應(yīng)高壓。但是這種抗壓方式的極限也就只有80兆帕左右，相當(dāng)于在水下8000多米處的靜水壓力，所以深淵獅子魚的深潛之路也就只能止步于此。

在萬米的海底，我們觀察到的生物就只有海參、鉤蝦和多毛類。這些宏生物為了適應(yīng)極高壓力的萬米海底，可謂是各顯神通。比如海參它們會把個體縮小、通體白化透明，甚至把支撐軀干的骨針都退化掉；深淵鉤蝦更是從骨架蛋白、線粒體蛋白的特異性調(diào)控方面來適應(yīng)高壓。除此之外，這些宏生物的共生微生物還通過為宿主提供營養(yǎng)以及免疫防御等方式，幫助這些生物能夠安然以萬米為家。

這里的深淵微生物可謂是練就了一身“絕處逢生”的本領(lǐng)——它們可以降解掉難降解型的有機質(zhì)，甚至轉(zhuǎn)化有毒金屬為自己所用。這種愛啃硬骨頭的本事也使深淵微生物的新穎性指數(shù)在水深越深的地方反而越高。

“長毛”的巖石

除了水體和沉積物，它們連巖石都不放過。我們在萬米海底發(fā)現(xiàn)了全新的巖棲動物區(qū)系，這種看似“長毛”的現(xiàn)象其實是在巖石表面生長的一種原生生物，代表了未被認知的深淵新物種。

我們甚至在巖石內(nèi)部都觀察到了不同類型的微生物，它們絞盡腦汁地去利用巖石內(nèi)部的各種元素來形成不同類型的菌席，就好像油畫一般。由此可見深淵生命的頑強。

深淵中也蘊藏著獨一無二的基因資源、化合物資源有待我們進一步的研究和開發(fā)。

關(guān)于深淵，還有一個問題特別地值得一提。我們發(fā)現(xiàn)深淵已經(jīng)不再是一片凈土，我們在水體、沉積物甚至在深淵生物的體內(nèi)都發(fā)現(xiàn)了有諸如微塑料、POPs（持久性有機污染物）和甲基汞等人為污染物，并且這些深淵環(huán)境對人為污染物還有著明顯的累積和放大效應(yīng)。

目睹海上絲綢之路的沉船

如今，載人潛水器已經(jīng)帶著我們下潛到了世界大洋的很多地方。每一次下潛，每當(dāng)艙口蓋關(guān)閉的一刻，就仿佛又重新為我打開了一扇新的通往未知世界的大門。在我跟隨“深海勇士”號500潛次下潛的時候，就“穿越”回了500年前。

一號沉船：數(shù)十萬件外銷瓷器

我們在南海西北陸坡一處水深1500米的區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一艘大型的古代沉船，這艘沉船的體型以及物品規(guī)模都遠超我們過去所見。這艘沉船所攜帶的貨物主要以外銷的瓷器為主，我們可以看到這些色彩絢麗的琺華器。這些瓷器的散落范圍達上萬平方米，推測數(shù)量有數(shù)萬件，初步判斷時代為明朝正德年間。

載人深潛開啟深海考古新篇章

在今年（2023年）的5月20日，我們在一號沉船的核心堆積區(qū)附近布放了首個沉船水下永久測繪基點，正式開啟了這艘古代沉船遺址的考古調(diào)查工作。我們希望通過一系列新技術(shù)、新裝備的加持，能夠逐漸揭開海上絲綢之路的神秘面紗。

科學(xué)家的使命在于探索未知，而載人潛水器就是通往歷史和未來的時光機。在深海深淵之下，依然存在著許多的謎題等待我們一一破解。

謝謝大家！

來源：科學(xué)大院微信公眾號

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