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挺进地球最深渊:高科技潜水器探索海洋秘密

 

本文转自新浪科技的一篇文章,讲述了现阶段国外对深渊区域的探索,深渊中心主任崔维成教授进行了点评和补充,希望未来越来越多的国人了解深渊,为人类探索深渊世界做出自己的贡献:

2014年4月10日,美国科考船“托马斯?G?汤普森”号(Thomas G. Thompson)将从新西兰出发,向东北方向航行900千米,然后停泊在广阔的太平洋上。如果一切顺利的话,“海神”号(Nereus),一部与微型轿车差不多大小的自动潜水器,将在这里入水,并一路下潜,前往世界上最深、最危险的地方之一——克马德克海沟(Kermadec Trench)。当下潜深度达到10000米出头时——相当于一座珠穆朗玛峰再加一座大烟山(Smoky Mountain)的高度,“海神”号将到达海沟底。那里寒冷刺骨,没有一丝光线,水压高达15000磅/平方英寸(psi,1psi=6.895kPa)——相当于三辆SUV压在你的大脚趾上,“海神”号的灯光将第一次照亮这片未知海域。下潜过程中,“海神”号会释放一根头发丝粗细的光纤,并通过这根在海水中飘荡的光纤与“汤普森”号相联,把摄像机拍到的图像传送到科考船上。
届时,船上的科学家将密切注视电脑屏幕,观察那里到底会出现什么样的奇异生物。在向科学家传送视频的同时,“海神”号还会挥动机械臂,搜集海沟底部的动物和岩石样本。它会把一根硬质管扎入海床,提取沉积物矿样;还会抽取水样,看看在那样的极端环境中,是否存在细菌或其他生命体。
“海神”号肯定会发现一些不可思议的东西,生物学家和地质学家都对此深信不疑。但除此以外,这次考察还有另一层更为重大的意义。人类很少探索深度超过6000米的海沟,也就是那些被称为“超深渊带”(hadal zone)的海沟。4月份这次由美国伍兹?霍尔海洋研究所(WHOI)主持的考察,将系统探索这颗星球上最后的“处女地”,这是科学家花费数十年时间才取得的成果,将开启深渊探测的新纪元。夏威夷大学马诺阿分校的海洋地质学家帕特里夏?弗赖尔(Patricia Fryer)评价说,“海神”号任务就像为超深渊的系统性研究投下了第一缕曙光,将带来不可思议的发现。
超深渊探索之所以能够水到渠成,是因为资金、技术和舆论都已到位。2012年,美国电影导演兼探险家詹姆斯?卡梅隆(James Cameron)驾驶一艘单人潜艇,到达了另一条超深海沟——马里亚纳海沟的沟底,这一壮举让超深渊探索成为公众关注的焦点。伍兹?霍尔海洋研究所改良了一些深海技术,使得“海神”号既拥有强健的“筋骨”,又能保持矫健的“身手”。研究经费增加,其他潜艇也正在建造中,探测世界最深海沟这一宏伟目标正离我们越来越近。
当然,资金依然算不上宽裕,任务也十分繁重——全世界超深渊带的海沟总面积接近整个澳洲。深海潜艇该去哪些地方?寻找什么东西?我们采访了十几位海洋专家,大家一致认为,当务之急是解决几个重要问题:生物为什么能在巨大压力下存活;深海生物体内的一些新化合物能否用于开发新药;引发海啸的地震是如何发生的。另外,我们还需要回答一个终极问题:地球上的生命是否起源于这些海沟之中?一些科学家有这样的怀疑,却没有办法去证实或证伪。
精彩速览:
4月,“海神”号潜水器将潜入深达10047米的克马德克海沟底部。利用潜艇携带的摄像机和一条与科考船相联的光纤,它能将拍摄到的奇异生物图像,实时传送到科考船,同时它还会搜集岩石、沉积物和海水样品。不管从技术方面、资金方面,还是民众的热情方面来说,现在都是开始系统性探索世界最深海沟的绝佳时机。通过探索超深渊带,科学家最想搞清楚的问题是:生物何以能在巨大的水压下存活;地球生命是否起源于海沟,支持生命萌芽的是否是化学能而非太阳能。深海生物体内的罕见化合物可能有助于研发新药,而海沟的岩石则可能会帮助我们弄清为何某些海啸的威力如此巨大。
此外,对于未来的探索任务到底应该是载人的还是无人的,二者相比哪一种回报更高,科学家们还存在争议。(崔点评:载人无人各有特点,不能替代,我们的深渊科学技术流动实验室必须同时配备,这将提供迄今为止最好的科研调查能力。)
新生命“博览会”
如果“海神”号能经受住水压的考验,并且机械臂和传感器能够正常工作,深海探索事业将取得重大进展。与研究人员以前送入水下的众多“海底车”(这些小机器人能沉入海沟底部,但无法移动,它们能提供有用的信息,但信息量有限)相比,这台价值800万美元的自动潜水器最大的优点是它能拍摄实时视频,覆盖的探索区域要大得多,能搜集更多的岩石、沉积物和海水样品。而且,“海神”号最长能在水下停留12小时,哪怕系索断裂,它也能自行返回科考船。
这些优势意味着,“海神”号十分适合观测那些奇异的海底生命——这也是这次计划的首要任务。迄今为止,科学家探索的都是孤立的地点。而这一次,“海神”号将带领大家“畅游”克马德克海沟,搜集各种生物样品。“‘海神’号肯定会让我们大吃一惊的,”蒂莫西?尚克(Timothy Shank)是伍兹?霍尔海洋研究所的深海生物学家,同时也是本次任务的首席科学家,他说,“‘海神’号会发现一些超乎我们想象的东西,哪怕我们觉得自己已经考虑得很周全了。正是这个想法,让我充满了热情”。
在尚克的实验室里,存放着各种经过防腐处理的标本,有海蛇尾、虾、管虫和其他深海“居民”;细心的参观者会发现,每个陈列架上都标着样品采集地的名字,譬如加拉帕戈斯裂谷(Galápagos Rift)或是大西洋中脊(Mid-Atlantic Ridge),可是没有任何一个架子上标着超深海沟的名字,这是因为搜集到的深海样品寥寥无几。
在为数不多的几次探索任务中,载人和无人潜艇最多只能按计划下潜到略微超过6000米的深度,也就是超深渊带的边缘。由于高压和其他因素,再往下潜,对技术和资金的要求都会飙升。实际上,对超深渊带的探索几乎完全是空白的。只有4艘潜水器曾经抵达过这颗星球上最深的地方——挑战者深渊(Challenger Deep),它位于关岛附近的马里亚纳海沟,深达10989米。1960年,美国海军军官唐?沃尔什(Don Walsh)和瑞士海洋工程师雅克?皮卡德(Jacques Piccard)乘坐的“特里雅斯特”号(Trieste,这艘深海潜艇经过大规模加固,外型鼓鼓囊囊的)首次完成了这一壮举。然后直到1995年,日本海洋与地球科技研究社(JAMSTEC)一架名为“始音”号(Kaiko)的遥控潜水器下水,挑战者深渊才再次迎来访客。接下来是2009年,“海神”号来到那里。3年后,卡梅隆驾驶着自己的私人潜艇“深海挑战者”号(Deepsea Challenger)亲自潜入了挑战者深渊。
大部分深潜任务都搜集到了一些科研样品,不过它们的首要目标是工程学测试——如果你能够潜到这样的深度,那么别的任何地方都难不倒你了。科学家曾对“始音”号寄以厚望,希望它能胜任长期的科研任务,不过在超深渊带完成了一些有限的工作后,2003年,在一场猛烈的暴风雨中,“始音”号迷失在了深海里。而它的主要“续任者”只能潜到7000米的深度。另一架潜水器“深渊”号(Abismo)能潜到10000米,但它的性能大大不如“始音”号,而且几乎毫无建树。
尚克希望,不久后“海神”号的发现,能堆满标着“克马德克”的陈列架。这次考察是超深渊生态系统研究计划(HADES)的一部分,该计划的资助者是美国国家科学基金会(National Science Foundation)——在超深渊生态系统研究计划的框架下,来自美国、英国、新西兰和日本的科学家将着手完成超深渊带的探索任务。早期的探险主要集中在挑战者深渊的平坦腹地,那是一片由沉积物形成的平地;科学家之所以对这片平原情有独钟,是因为它是世界上最深的地方,但从科学意义上说,它并不是最有趣的研究地点。对科学家来说,海沟最迷人的地方是崎岖不平的外露岩层和侧面的斜坡。
研究人员选择了克马德克海沟的峭壁作为第一个目标,因为该海沟上方的水体里有很多生物,这意味着海沟底部的生物可以获得更多食物(比如上层水体中的生物死亡后,就会沉入更深的水体。相比之下,马里亚纳海沟所在的海洋里没有这么多生物)。因为“海神”号能连续工作数个小时,所以研究人员希望它不仅能观测到那些生物,还能捕捉一些回来进行基因分析——只要它们的个头别太大,游得别太快。对克马德克海沟的这次探索,“注定会成为首次系统性探索的里程碑,它将为以后的研究树立基准,”尚克说,“然后,我们还会探索其他海沟,以作对照”。尚克对此很有信心,因为“现在势头正盛”。
每一条海沟都可能拥有自己独特的物种,不过对这一假设,超深渊生态系统研究计划的领导持谨慎的态度。研究人员曾一度认为,每座海山(海下的山)上都生活着独特的物种,不过后来的研究推翻了这个假说,而他们之所以做出了错误的判断,主要是因为当时的考察太有限。
  高压下的蓬勃生命
此次考察在生物学上的第二个任务,几乎和第一个一样重要:弄清深海中那些大大小小的生物体内的细胞,为何能在如此高的压强下正常工作。搞清楚它们的内在机制,能帮助人类研发出新的药物。这个谜题的源头要回溯到1960年,沃尔什和皮卡德的那次下潜。他们在海沟底部呆了20分钟,并报告说看到了一条比目鱼,但当时他们没有相机,所以无法拍照。现在,生物学家开始质疑这一发现。
“他们不可能看到比目鱼,绝对不可能,”深海鱼类专家兼超深渊生态系统研究计划领导人杰弗里?C?德拉森(Jeffrey C. Drazen)表示。科研文献表明,鱼类根本无法承受那么大的压力。目前,有影像资料证实的、鱼类出现的最大深度是大约7700米。沃尔什承认自己并非专业的鱼类学家,但他坚持自己的观点。“我只能说,我觉得自己看到了几条鱼。但是他们老是对我说,‘你不可能看见’”。
20世纪90年代,美国惠特曼大学生物学家保罗?扬西(Paul Yancey)发现,鱼类细胞里的氧化三甲胺(TMAO)的浓度,会随着深度的增加而上升——你闻到的鱼腥味儿就来自这种化合物。这一模式在7000米深度时仍然有效——这也是扬西和德拉森(德拉森现在是扬西的合作者)取样的最大深度。TMAO也许能帮助蛋白质抵抗高压,但具体的机制我们尚不清楚,而且它的效用或许也有限。TMAO在鱼类血液中的作用类似于盐,能帮助鱼类保持渗透压,决定细胞到底是摄入水分还是排出水分。在大约8000米的深度,鱼体内的含盐量应该和海水大体相当。根据这一假说,如果鱼游得太深,那么将有过多水分进入它体内的细胞,导致鱼类死亡。科学家无法举出反证,但如果他们不能在更深的超深渊带观察到鱼类的存在,那么他们就有充分的理由认为,该区域不可能存在鱼类。尽管如此,扬西仍表示,如果“海神”号能证明他是错的,他会很高兴,“我其实很希望‘海神’号能看到鱼,好让我搞明白到底是怎么回事”。
根据目前我们得到的有限信息,虾和蟹之类的其他生物存活的极限,似乎也是海底8000米左右。但是,在过去的几次任务中,研究人员曾在深海中发现过海参和一种片脚类甲壳纲动物(amphipod),至于微生物,那就更多了。扬西认为,这些生物体内也许有其他能稳定蛋白质的化合物(抗压剂),他曾在卡梅隆小组捕获的片脚类动物身上发现过这种物质。
生物医学研究者正在研究扬西发现的另一种化合物——青蟹肌醇(scyllo-inositol),这种物质有可能用于治疗阿尔茨海默病(Alzheimer's disease,一种与蛋白质折叠有关的疾病)。这一发现让生物学家激动不已,因为这意味着我们有望在海沟生物体内发现有用的蛋白质稳定剂。
斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography)的微生物学家道格?巴特利特(Doug Bartlett),初步研究了海底车搜集的超深渊带细菌和卡梅隆取回的沉积物。巴特利特也将对这次“海神”号采集的水生细菌、沉积物和动物样品进行研究,他希望样品能盛放在模拟现场压力的容器中带回地面,这样他就能观察细胞是如何在海底高压环境下存活的。
碳与海啸
我们对超深渊带的研究十分有限,所以“海神”号或其他超深渊任务带回的任何数据,都能帮助我们实现多学科的重大突破,比如,弄清一个关键问题:到底有多少碳飘落或滑落到了那些海沟里。
对海洋生物来说,碳基分子就是食物。倾泻而下的“碳流”中含有各种成分,例如藻类和鱼类尸体、浅海“居民”的排泄物。越往深处走,“碳流”就越弱,因为大部分碳基分子在下沉的过程中被消耗掉了。不过海沟的作用也可能类似漏斗,从上方海水中沉降下来,以及沿着海沟峭壁向下飘落的沉积物,也会带来有机物,并富集在海沟底部。在这种碳富集的地区,生物学家也许能找到更为丰富多样的生物;而且,充足的食物意味着那里的动物或许比我们想象的更大、更多。
地球化学家也对碳的问题情有独钟,因为人类和大自然释放到大气中的二氧化碳有40%~50%被海洋吸收,这减缓了温室效应。研究人员认为,也许有大量碳被埋进了海床,但他们完全无法确定海沟里到底有多少碳。“海神”号将搜集沉积物样品,供超深渊生态系统研究计划小组分析碳含量。他们还将测量氧含量以评估海沟底部的生物活跃度(biological activity)。“我研发的氧传感器,能在海洋最深处使用,我盼着它早日派上用场,”德拉森说。地质学家则对海沟的另一个问题很感兴趣,同时也是公众的兴趣(或者说痛处)所在。
2011年,日本东北地区海域发生9级强震,引发剧烈海啸,导致福岛核反应堆发生核泄漏,那次地震的源头正是日本海沟。日本海洋与地球科技研究社的北里浩(Hiroshi Kitazato)表示,那里居然会发生这么强的地震,这让许多科学家都深感震惊。科学家曾利用海面科考船钻探日本海沟,采集沉积物核心的样品,也曾利用可潜到7000米深度的机器人搜集到少量岩石样品。
但实际上,日本海沟的深度比这个机器人的最大下潜深度还要再深1500米,而且震源还在海床之下很远。太平洋海啸预警中心(Pacific Tsunami Warning Center)的地球物理学家杰勒德?弗赖尔(Gerard Fryer)说,研究人员甚至不清楚该如何探索这样的区域。“如果我们能观测到下面的一些情况,一定会很有收获。”来自海沟深处的岩石样品能帮助我们了解断层带的压力情况,而更多的沉积物样品则可以帮助研究人员根据海沟沉积物的类型预测地震的烈度。
地质学者还希望通过探索超深渊带,了解另一个地质过程——蛇纹岩化(serpentinization)。在漫长的地质时期,构造板块如何在不断形成、破裂的过程中达到平衡?科学家认为,蛇纹岩化假说是理解这个问题的关键。当两块构造板块迎头相撞,板块遭到破坏,一块滑到另一块下面,就形成了海沟。此时,大部分物质融化了,水和特定岩石发生反应,生成蛇纹岩,这一过程正是保持构造板块平衡的关键所在。
伍兹?霍尔海洋研究所的地质学家丹尼尔?利萨拉尔德(Daniel Lizarralde)说,来自海沟的岩石和沉积物样品,以及对海沟进行实地观测,可以帮助我们验证各种理论。“海神”号将通过这次的克马德克探索任务,或是今年晚些时候的马里亚纳探索任务,带回这些信息。“蛇纹岩化过程的假说很合理,但实际情况是否真的如此?我们即将首次确认这一点。”弗赖尔说。
  生命的摇篮
蛇纹岩化或许还能部分解答另一个终极问题:地球上的生命是否诞生于深海中。蛇纹岩化过程会释放出热量、氢、甲烷和矿物质——这正是化学基(chemical-based),或称化能合成(chemosynthetic)生命的“配方”。在深海中的某些地方,生命所需的能量来自化学反应,而不是来自太阳的光合作用。某些科学家据此推测,生命可能诞生于深海热液孔(hydrothermal vent)附近——在海床上的这些孔洞中,海水不断浸入下方的岩石,而后又带着热量、化学物质和矿物质喷涌出来,如此循环不息。有很多人都见过巨型管虫(huge tube worm)的图片,它正是在这样的地方被发现的。
不过,热液孔的存在一般都很短暂,所以有科学家怀疑,这样的地方是否真能哺育生命。更新的假说认为,是蛇纹岩化过程,哺育了最初的生命,因为它波及的地域更为广阔,在地质年代中持续的时间也要长得多。卡梅隆表示,正是这一假说激起了他探索挑战者深渊的热情,“我觉得自己似乎正凝视着生命的摇篮。”事实上,在卡梅隆正式出发前的实验性下潜中,他的小组曾向赛琳娜海渊(Sirena Deep)派遣过一台装载着设备的海底车。赛琳娜海渊的情况和挑战者深渊十分相似,只是略浅一些。那辆海底车实际上是个由玻璃纤维制作的箱子,大小和冰箱差不多,上面装着水样采集器、带诱饵的采样器、摄像机和其他设备。有一次,它正好降落在一个物体面前,该物体看起来像是一张白色的微生物纤维毯。“这就像是闭着眼睛扔飞镖,结果正中靶心,”卡梅隆说。
美国航空航天局喷气推进实验室(JPL)的行星科学家兼太空生物学家凯文?汉德(Kevin Hand)也参与了那次探索,白色物体就是他从视频资料中发现的。海底车着陆时一定溅起了一些微生物,然后采样器捕获到了这些样品。早前的研究结果表明,这些细菌携带有特殊的基因,能利用蛇纹岩化过程释放的化合物来产生能量。在那些最深的海沟中当然也存在热液孔。浅海热液孔中发现的物种已经够奇怪了;超深海沟的底部水压巨大,到时候会发现什么奇异的生物,谁也不知道。
  深海的竞赛
科学家列出的超深渊带探索进程表令人激动,不过目前,这些计划还很难完成,因为他们手上只有“海神”号这一架主力潜水器。卡梅隆已授权伍兹?霍尔海洋研究所使用他的潜艇,包括潜艇涉及的专利技术,不过出于保险方面的原因,目前该研究所还没有为这艘潜艇安排任务。
到2015年底,科学家手头可用的潜水器会增加一些。谷歌公司执行董事长埃里克?施密特(Eric Schmidt)及妻子温迪?施密特(Wendy Schmidt)创立的施密特海洋研究所(Schmidt Ocean Institute)正携手伍兹?霍尔海洋研究所研发“海神”号的替代品——N11K潜水器。这架新潜水器将装备更好的取样装置,机械臂也将从一条增加为两条,这样它就能用一条机械臂抓紧海床,然后用另一条进行真正的挖掘(本文作者正是施密特海洋研究所的媒体传播顾问)。
至少在接下来几年内,载人潜艇还不太可能扮演重要角色。同太空计划一样,在深海探索领域,载人探索的优缺点也同样备受争议。尚克和弗赖尔的观点是,在黑暗的深海中,摄像机无法代替人眼的三维视力。
卡梅隆补充说,载人任务能激励更多的人去探险(见“采访”)。的确,维珍集团(Virgin Group)创始人理查德?布兰森(Richard Branson)和搭档克里斯?韦尔什(Chris Welsh)计划研发一艘单人潜艇,逐一造访5大洋(其实5大洋的分界线也很模糊)的最深点。不过,他们研发的原型机的透明穹窗出了点问题,拖慢了研究进度。
美国特里同潜艇公司(Triton Submarines)设计了一艘可执行超深渊带探索任务的三人潜艇,但还没筹到足够的资金来建造它。中国最近有一艘可潜到7000米深度的载人潜水器(“蛟龙”号)投入使用,同时中国还在研发能全面探索超深渊带的新潜艇。日本也有同样的计划,不过这两个项目的完成都还遥遥无期。(崔点评: 让我们共同努力,把文中所说的遥遥无期尽快梦想成真吧,中国人加油!)
美国航空航天局喷气推进实验室的汉德正在设计一种小型自动潜水器,能够从一艘小船侧面批量发射。他说,这种潜水器的造价大约是每部10000美元,这样就有可能实现编队探索,损失一部潜水器也不会带来太大的麻烦。汉德正与喷气推进实验室和卡梅隆小组的工程师一起,寻求美国航空航天局的资金支持。“他们向火星和更远太空发射的自动探测器,积累了不少经验教训,我们希望能够将这些经验用于海洋探索,”汉德说。
随着探索技术的进步和资金的积聚,研究人员将面临一个愉快的挑战:确定接下来该探索哪条海沟或海槽。南极洲北面的南桑德韦奇海沟(South Sandwich Trench)深8428米,那里的环境和其他海沟截然不同,生活的物种或许也迥然而异;波多黎各海沟(Puerto Rico Trench)也许能提供有价值的信息,让我们明白海沟之间的联系;超深渊带里还有一些开阔的海底平原,研究人员很乐意比较一下它们与海沟的异同。
弗赖尔正在努力筹集资金,希望举办一个研讨会,让全世界的深海科学家齐聚一堂,探讨未来最佳的深渊探索方向和方式。现在,在深渊探索项目方面,各国还只是各自为战;和外太空探索的情况一样,在深海探索领域,国际合作才是利用资金和人才的最有效方式,各国闷头竞赛绝对不是好办法。“我觉得全世界的海洋科学家已经做好准备”,去完成系统性的超深渊带探索计划,弗赖尔说。对此,德拉森表示赞同,“现在,我们已经有了探索超深渊带的技术。人们已经迫不及待了,让我们起航吧”。
  本文译者 阳曦,毕业于北京航空航天大学,自由撰稿人、自由译者、专栏作者,专注于科学报道及幻想文学,已出版译作《赶往火星》、《美国国家地理少儿百科》、《元素的盛宴》等。   (本文由《环球科学》(《科学美国人》中文版)授权转载,崔维成2014年7月2日下载后进行了编辑和点评)。