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深海冷泉区 海底深处的生命舞台

来源:光明网-《光明日报》2024-02-22 04:25

  作者:张雄 张鑫(分别系中国科学院海洋研究所博士研究生,研究员)

  寂静深海下的永冻土中,蕴藏着一种独特的天然气水合物——可燃冰。它是甲烷在极端的冷与压之下,被水分子紧紧拥抱,形成的如同宇宙尘埃凝结的闪亮冰晶。因其存在,这里孕育出一个比科幻小说还要奇异的生命舞台——深海冷泉区。地球内部的化学魔法师——硫化氢与甲烷,不断涌出,为深海“居民们”举办了一场绚烂的能量盛宴。这些生命体,不依赖阳光,却能在化学反应的魔法下茁壮成长,构建出一个完全独立于阳光的“异世界”。

  可燃冰和它周围的生态“舞者”们,共同演绎了一出生命力与自然奇迹共存的宏大史诗。它不仅扩展了我们对地球生命多样性的理解,还激发了科学家们对宇宙生命可能性的无限遐想:在遥远星球的某个角落,是否也有着这样的生命奇观?

深海冷泉区 海底深处的生命舞台

迷你深海原位实验室。 中国科学院海洋研究所提供

深海冷泉区 海底深处的生命舞台

深海冷泉石蟹海底漫游。 中国科学院海洋研究所提供

  1、藏在海底深处的生命绿洲

  海底并不是一无所有的荒漠—设想一次潜水旅行,带你穿越到深海的幽暗深处,那里隐藏着一个令人眼花缭乱的生命绿洲“冷泉生态系统”。这不是普通的泉水,而是深藏在海底的神秘力量源泉—可燃冰。这些不同寻常的冰块,在特定条件下解体,宛如深海中的魔法师,释放出神秘而强大的流体。这些看似平凡的流体,其实携带着点燃深海生命之火的秘密元素:甲烷、硫化氢和二氧化碳。

  在这个遗世独立的海底王国中,生活着一群不同寻常的居民—化能合成微生物。它们如同潜水船下的魔术师,将看似毫无生命迹象的物质转化为神秘的生命能量。这些微生物不依赖阳光,只需吮吸冷泉释放的化学精粹即可茁壮成长,成为这片深海绿洲的守护神,维系着整个生态系统的生命之轮持续转动。

  但深海冷泉的神奇远不止于此。它是一个生物多样性的宝库,挑战着科学家们探索生命极限的勇气和智慧。冷泉生态系统颠覆了我们对生命能够存在的环境的传统认知,展现了在遥远深海,生命如何利用化能合成技巧,在没有阳光的环境中繁衍生息。从微小的微生物到依赖它们的复杂生物体,如管虫、贻贝,冷泉生态系统构建了一个错综复杂且自给自足的生态网络。

  特别值得一提的是,在中国南海的神秘深处,六个冷泉区域仿佛是大自然精心绘制的藏宝图,揭示着无尽的可能性和潜在的能源宝藏。这里独特的地质环境为科学家们搭建了一个完美的“自然实验室”,使我们能深入研究冷泉生态系统的深奥,及其对地球环境造成的深远影响。

  随着深海探测技术的跃进,从隐秘的无人潜水器到勇敢的载人潜水艇,再到精确的深海着陆器,我们的探索手段愈发先进。这些探测使者不仅让科学家能够揭开深海的神秘面纱,还抓住了揭开冷泉生态细节的关键线索。特别是耐久且高效的深海着陆器,已成为深海研究的强大助力。利用这些尖端技术,科学家们实现了对冷泉区域的长期持续观测,收集到了开启新世界之门的宝贵数据。

  中国科学院海洋研究所的团队在深海极端环境探测领域取得了显著的成就。科研团队开发的深海原位监测系统在南海冷泉区的长期作业不仅标志着中国深海研究的进步,也为全球科学界提供了珍贵的洞见和数据。这些宝贵的长期监测成果为我们深入理解冷泉喷发的神秘过程、生态系统的化学动力学,以及生物与环境的互动提供了关键的视角。

深海冷泉区 海底深处的生命舞台

深海原位实验室监测到可燃冰正在分解释放出气体。 中国科学院海洋研究所提供

深海冷泉区 海底深处的生命舞台

冷泉冷水珊瑚。 中国科学院海洋研究所提供

深海冷泉区 海底深处的生命舞台

冷泉区繁茂的化能合成生态系统。 中国科学院海洋研究所提供

  2、原位实验室,探索深海冷泉区的利器

  借助科技的力量,如今我们能够看到,在深海冷泉区,普通的甲烷和硫化氢化身为珍贵的化学元素,孕育了令人震惊的化能合成生态系统。在这个自然界的戏剧舞台上,甲烷厌氧氧化古菌和硫酸盐还原细菌成了主角,它们通过一项被称为甲烷厌氧氧化(AOM)的魔法过程,将化学能量转化为维系这片深海奇境生命的能量。

  这场深入海底的探险之旅,不仅对理解地球深处如何孕育顽强的生命至关重要,还为我们揭开全球碳循环的秘密,甚至是保护珍贵的生态多样性提供了钥匙。然而,深海的未知与极端环境对科学家来说一直是一大挑战,那些错综复杂的生物化学反应更是让人困惑不解的谜团。

  在解开深海之谜的旅程中,科研团队已经取得了突破性进展—成功研制出一种先进的深海原位实验室。这一创新成果是通过突破一系列关键技术实现的,包括水下耐腐蚀技术和能源管理技术,同时还探索了新型的水下设备布放及回收模式。

  这个多功能的深海原位实验室装备了一系列尖端仪器,能够在深海极端环境中稳定工作。其装备包括水下高清摄像机、温度、深度和电导率测量仪(CTD)、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、声学多普勒流速计(ADV)、多通道原位拉曼光谱仪、高光谱仪、重力仪、磁力仪、原位通量观测仪、海流计、二氧化碳/甲烷传感器,以及30通道保压流体取样器等。

  这些高端装备使实验室能够进行多方面的海洋观测,包括获取高清影像资料、近海底的理化参数测量,以及保压流体样本的采集。更令人兴奋的是,这个深海实验室还具备与潜水器进行光学通信和大容量数据传输的能力。这意味着,研究人员能够实时接收到深海观测数据,极大地提高了研究效率和数据的实时性。

  依托深海原位实验室,科研团队为探索海底神秘领域敞开了全新的大门。这个独特的工具使科学家得以直接观察冷泉流体如何在海底沉积层快速转变为水合物,及其对周围生命圈的深远影响。这种前所未有的实验方式,让我们满怀揭开冷泉喷发与生态系统神奇共存之谜的希望,进一步加深了我们对深海秘境及其在全球生态系统中作用的理解。

  3、可燃冰,英雄与反派的双重角色

  可燃冰是深海冷泉区最重要的角色,它既是这里的英雄,也是这里的反派。

  说它是英雄,它就像深海的电容器,充满了能量,随时准备为生态系统注入活力—甲烷水合物的诞生和消逝就像是海洋版的充电和放电过程,巧妙地向我们展示了深海冷泉如何精妙地管理它的能量储备。

  当深海的冷泉活跃起来,低温和高压的神秘环境促使甲烷与水分子结合,形成了这种奇妙的甲烷水合物。这个过程,就好比是自然界的能量充电站,给生态系统提供了一个稳定的能量后备。即使冷泉的活跃度有所下降,这些精心“储存”的能量也能慢慢地释放出来,通过“放电”来保证深海生命的持续繁荣。

  在探秘这个过程中,原位拉曼光谱和监测摄像成了我们手中的神秘钥匙,揭开了深海生态系统如何应对能量波动的秘密。它们让我们得以窥见冷泉如何影响其家园,展示了甲烷水合物在这场深海生命游戏中扮演的关键角色,确保了生态系统的平衡与稳定。这不仅让我们更深入地理解了甲烷循环的稳定性,还揭示了生态系统如何巧妙地适应能量的自然波动。这一全新视角,对于我们预测气候变化对深海生态影响、探索未知生物多样性,乃至开发可持续能源和管理碳循环具有重大意义,开启了一扇通向未知世界的大门,邀请我们勇敢探索。

  但同时,可燃冰又是一个大反派—它可能是全球气候变化的隐形威胁。甲烷本身是一种拥有超能力的温室气体,其力量远超二氧化碳。一方面,它如同洁净能源的光明骑士,提供了比煤炭和石油更为环保的能源选择。但另一方面,如果大量甲烷逃脱进入大气,就可能引发全球气候危机。想象一下,在地震或海底滑坡等自然界的剧变下,这些稳定储存的甲烷如同被打开的潘多拉之盒,一旦释放,可能会让全球暖化的挑战更加严峻。

  此外,在南海的海马、陵水和Site F冷泉区,科研团队进行了一项创新的实验,探索了气体水合物在这些活跃冷泉喷口的上升和分解过程。这一研究揭示了一个引人注目的现象:水合物膜的形成显著提高了甲烷气体的稳定性,使其能够携带甲烷上升到较浅的海洋层乃至大气中。这一发现暗示,水合物膜可能是冷泉气体影响上层水体和大气环境的关键传输机制;通过时间序列拉曼光谱和视频监测,研究团队详细观察了水合物形成的过程,发现冷泉流体中的低盐度可能促进了水合物的分解,释放出纯水并稀释周围环境。

  这种现象提供了所谓的“水合物记忆效应”的佐证,解释了冷泉环境中水合物能够快速生成的原因;该团队进一步通过开发新型纳米材料,突破了在深海极端条件下进行表面增强拉曼散射(SERS)检测的技术障碍,创造了国际上首个RiP-SERS探针。利用这一探针,科研人员获得了海马冷泉口海水—沉积物界面处生物信息分子的拉曼光谱数据,包括检测到纳摩尔级别的乙酰辅酶A和β-胡萝卜素等生物大分子。这标志着人类首次在原位条件下使用SERS技术获取深海生物大分子的拉曼光谱数据,为检测深海微生物代谢产物提供了一种新的方法。

  此外,研究团队还开发了一种基于遥测拉曼探头的气体发酵定量模型,专门用于海洋厌氧微生物的常规培养,以及一种冷泉产甲烷古菌代谢产物的拉曼光谱定量分析方法;共聚焦显微拉曼三维成像技术,以其低成本、快速、无需标记和非破坏性的特点,展示了定性、定量和可视化的完美结合潜力,为研究提供了新的视角。

  基于这些技术进展,科研团队构建了一套新的分析方法:在固态基底上对微生物群落进行拉曼三维定量原位分析。这种方法结合了光学可视化和拉曼定量分析,能够在时间和空间两个维度上无损地定量表征冷泉微生物群落的代谢过程,为深入理解冷泉环境中的生物化学过程开辟了新的路径。

  探索还在继续。科学家不仅探寻深海冷泉生态的奥秘,也将更深入挖掘可燃冰在控制全球碳平衡和影响气候变化大剧中的关键角色。了解可燃冰这个深海中的隐形守护者,对我们面对全球气候变化、环境保护乃至推进可持续能源进程至关重要。它启示我们,如何谨慎地平衡这把双刃剑的力量,同时也提醒我们探索更多维持生态平衡、寻找清洁能源的必要性。

  《光明日报》(2024年02月22日 16版)

[ 责编:邢彬 ]
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