水深万米，海底究竟瞒了我们多少秘密？
本期主播
张鑫 中国科学院海洋研究所研究员 七次作为“科学号”航次首席科学家 下潜深海ROV潜器百余次 | |
程巍William 高山书院2019级学员 火箭派航天、达尔文细胞创始人 深潜技潜极限运动员 登山运动员，2017年登顶珠峰 美国FAA飞行员 |
* 注：全文共2篇，本文为第2篇，第1篇见《揭秘：
一年出海200天，远洋科考是怎样一种体验？》）伸手不见五指的深海区，没有阳光，没有光合作用，真的是荒漠一片吗？其实并非如此，深海也有生命有呼吸，知“冷”知“热”。
“热”即深海热液，就是被岩浆加热，从海底涌出的水，富含甲烷、二氧化碳和氢气，随着微生物的生长和有机物的积累，热液喷口变成了海底的生命绿洲。很多科学家非常关注热液的生态体系，因为这很可能与远古时候地球生命的诞生有着某种联系。
“冷”则是指冷泉，是地道的宝藏，因为它下面有天然气之类的油气资源，分解后产生甲烷气泡并上升到海底的表面，这才形成了冷泉。
与热液相比，冷泉的生态系统也不甘示弱，微生物、大虾小贝比比皆是。不管是热液还是冷泉，它们都不依赖光合作用，能量来源都是化学能。对地外生命研究来说，这方面的发现是不是具有很大的借鉴意义？事实是，我们在木卫二上也有相关的发现。
深海资源丰富，是一块待开发的神秘疆域。然而深海的污染也是一个亟待解决的难题。
但科技的想象真的没有边界，什么都可以创造出来。海洋生态牧场、海上立风塔，中国概念，中国科研成果已经开始向不少国家输出了。
中国深海探索投入已经逐步超越欧洲，与美国并驾齐驱了。载人潜水器（HOV）、缆控潜器（ROV）、自主式潜水器（AUV）如同下饺子一般投向深海，新材料新技术的发展为我国带来了海洋探索新纪元。
小彩蛋：深海通讯靠喊吗？
错！其实靠的是水声通讯技术：把信息编码，再靠水声传出去，继而接收，解码，搞定！海底也可以发微信沟通啦～
深海藏着地外生命的秘密？
William：
跟太空一样，深海难以到达，所以也特别神秘。深海到底存在什么，我们能发现什么？
张鑫：
我研究的是深海的一些极端环境，比如热液和冷泉。
在真光层以下的几百米的深海区域，没有了太阳光线，没有光合作用，大家原以为它一定是荒漠一片……直到1979年，科学家发现了深海热液。
热液是什么？海底以下的岩石和沉积物之间的水经过岩浆的加热，最终从海底涌出，这些高温高压的流体就是热液。全球最浅的热液是台湾省龟山岛的热液，深度从几米到几十米（根据潮汐）；但一般语境下讨论的深海热液，是在数百至数千米左右，最深的约4500米。
热液中富含甲烷、二氧化碳、氢气，慢慢形成了一个热液生态圈。这个生态圈靠着化学能合成物质。先产生微生物，微生物长起来后形成微生物席，就像草原一样，但不是绿色的（因为没有叶绿素）。过程中它会产生一些有机物，有机物慢慢聚集起来后再产生一些较大型的生命。
和地表的生态体系直接对比，热液生态体系的生物量小，但特别密集；哪个地方有喷口，大量的生物就会聚集在那里，像是集体出洞的白蚁，不过是类似海蛎子、海红、青口、牡蛎这样的尺寸。
但是热液区的面积不大，整体约一个足球场那么大，呈斑块状分布。如果把深海比作沙漠，热液喷口就像是绿洲。
热液生态体系和我们普遍认知的地表生物圈都不一样。假如现在火山爆发，全世界被厚厚的火山灰盖住，没有阳光，全地表的生物都会受影响；但只要热液在喷，这个海底生态就一直欣欣向荣。
我们认为热液和地球的生命起源直接相关。早期的海洋也类似于热液环境，那我们说的地球生命起源于的原始汤有没有可能是热液？所以我们特别关注热液的生态体系，试图了解当中有什么，是什么东西和过程驱动了生命的产生。
William：
那冷泉是怎么回事？
张鑫：
对，除了热液，深海还有一个“冷”的生态体系，叫冷泉。这个区域我们一般认为是发育在我们的陆坡区，就是大陆架往外延，即将到深陷的洋底的过渡带。
和热液不一样，冷泉底下有油气资源，比如天然气或者天然气水合物（即可燃冰），分解后产生甲烷气泡并上升到海底的表面，形成冷泉。
像热液一样，它也会产生一种生态系统，但它主要靠的是甲烷的氧化。不过虽然源头不同，一热一冷，但生态系统的构成差不多，都有微生物席、贝类、虾类。
另外，在热液和冷泉之间可能存在一些基因流的互动，我们所的沙忠利老师正在研究它们两者之间的交流和沟通。
William：
不管是热液还是冷泉，它们都不依赖光合作用，能量来源都是化学能。对地外生命研究来说，这方面的发现是不是具有很大的借鉴意义？比如木卫二被冰层覆盖，底下是甲烷海洋，有可能也会存在类似的生命体系。
张鑫：
我个人认为那可能是一个必然。因为根据我们现在对木卫二的探测和光谱分析，它喷出的物质里不止含有甲烷，还有一些大的有机分子如氨。这些东西不可能是无中生有的。
另外，我们发现它是一个铁核，这意味着木卫二上的岩石会和水发生蛇纹石化作用，产生氢气；而过程中如果有二氧化碳参与进来，就能进一步产生甲烷、甲醛等有机物。
这也是我们在“失落之城”亚特兰蒂斯发现的最早的一种生命起源方式。与一般酸性烟囱不同，它喷涌的流体是碱性的，而大家认为地球早期的生命起源就是在一个碱性环境中。
现在国际上有了相关的计划，先用火箭把飞船发射到木卫二，降落后执行一个类似“祝融号”的任务，把冰层打个孔，放一个深潜器下去。
今天如果我不在这录节目，我在贵阳有个会，讨论同样的问题。我从事海洋科学，同时对生命感兴趣，而他们正在研究地外生命，所以我们正建立着一个交叉体系，把深空、深海、生命联系起来。
“我们从哪来”这种最本源的问题，不是一个学科单打独斗能解决的。
还没打开海底金库
却已陷入深海垃圾
William：
您所研究的深海，和人们的生活有什么直接关联或现实意义吗？未来某一天，民众有没有可能用上它转化的产品？
张鑫：
我的理解是，深海资源本身就是国家的一种战略资源。我们都知道中国是全球稀土资源最丰富的国家，但那主要是轻稀土，而在深海我们发现了很多重稀土。
不过这些矿藏，相信我们这一代未来能用上它的可能性不大，但00后或更年轻的一辈还是挺有希望。
另一个重要的深海资源是可燃冰，以及其他深水的油气资源。事实上现在一些地区比如大湾区的部分油气资源就是深海一号（1500米的钻井平台）直接从深水采上来的，供到家家户户。我们打开炉灶，可能就用上了从深海来的油气。
William：
您说到开发，还有一方面是我比较关心或者说焦虑的。在航空领域，现在人类走得还不算远，太空就已经布满了垃圾，以至于太空垃圾回收成了一个未来短期可见的商业模式。海洋也类似，过去我们一直在向海洋索取，同时也造成了大量污染，在马里亚纳海沟都发现了微塑料。
一方面我们要大力开发，另一方面我们同时要极力保护，但从人类过往的经验来讲，这两件事好像没有能同时兼顾的。开发与保护之间的这个矛盾，我们要怎么解决？
张鑫：
现在人类对海洋的索取，主要是通过捕捞和海水养殖。我们现在提出一个概念，叫海洋生态牧场，可以设想成在大草原上放牧轮作。
以前我们的养殖手段是通过网箱，投入大量饵料，而密集养殖就必然招来病虫害，再投入各种药剂。现在假设某一片环境成了泥滩，不适于养鱼了，那么我们就往那里扔人工礁石，引一些水草生长；在形成了一个生态系统后，再投一些扇贝苗或海参苗等苗子进去。慢慢地，“野生”的海洋环境会转好，我们没破坏反而修复了环境，同时还能收获产出。这模式现在正在全国推广。
如果你到海洋生态牧场参观，我们会给你上一桌海洋牧场自产自销的海鲜宴，让你对比野生海捕、牧场自养及网箱饲养的海鲜的区别。
William：
这个模式现在的经济效益怎么样？毕竟网箱养殖的成本更低。
张鑫：
现阶段，海洋牧场会走较高端的市场。因为海洋牧场的生态安全很重要，需要各种系统监控各种养殖细节。当然，随着养殖体量增加，成本也在逐步降低。
最近我们一个实验室也提出了将海洋牧场和风电结合起来。海上风电必须在海上立风塔，相当于已经有了相关构筑物，在风塔的基础上布置海洋牧场，一次投入、两种产出，成本也会大幅降低。
现在我们和葡萄牙等国家之间还有合作，因为他们也面临同样的课题，也在沿海开展这些事情。现在中国已经开始做概念输出、设备输出、方法输出、技术输出等相关的事情了。
William：
全世界最大的太阳能/风电生产设备和厂商都在中国，占了90%的市场，他们估计也得买；而且现在不仅发电了，还附赠海鲜全套。科技的想象真的没有边界，什么都可以创造出来。
声讯，让水下1万米不再孤独
William：
聊到科技，我们登船参观科学号的时候才第一次全系统了解了中国科考船的阵列，包括“向阳红”“东方红”“远望”“科学”“实验”“探索”等不同科考船系列。在我看来，这些船有点像我们航天火箭的各种型号，比如长征N号。
而“蛟龙”号或咱们之前下潜到马里亚纳海沟最深端的1万多米的“奋斗者”号，这些深潜器则像是太空飞船或卫星，由火箭运载到特定地点，再把它抛出去让它进行太空/深海探测。
张鑫：
您这个比喻特别形象，我也是第一次听到，您不愧是做这个行业的。对，科考船相当于一个大平台，把各种无人或载人的深潜器、探测器放下去独立工作。“蛟龙”号从“深海一号”下去，就有点像一级火箭与二级火箭分离；这一类载人的深潜器，我们叫载人潜水器（HOV）。
但我们还有另一类机器人，叫缆控潜器（ROV），相当于在船与机器人之间有一条脐带，像是婴儿与妈妈一样，通过脐带给机器人输送电力，并进行通讯和控制。
William：
那么AUV又是哪一类深潜器？
张鑫：
自主式潜水器（AUV）更像一个无人机。无人机平时要对某一个区域进行航空扫描，自主式潜水器也是干这个活，对某一片海域进行长时间扫描。因为不涉及作业，所以它基本上不会有机械手。区域扫描过以后，我们就可以把缆控潜器和载人潜水器放下去。
William：
在我的理解中，水下是很难进行通讯的。我们和正在水下作业的“蛟龙”号、“奋斗者”号等深海潜水器怎么进行通讯、沟通？靠声纳吗？
张鑫：
你问到了一个很关键的科学问题或技术难点。刚才说的缆控潜器有电缆，里面可以装光纤，高速传输怎么来都行；但载人潜水器和自主式潜水器和船是不相连的，甚至在马里亚纳海沟得隔上10公里，而且这还是直线距离，算上斜距可能到20公里。
在海下，我们的通讯是靠声通讯。因为声波是各种波当中能在水下传播最远的；光不管是什么波段，波长太短，最多在一百米范围就衰减没了。
我们现在用的就是水声通信技术，不叫声纳。声纳是发个信号，遇到障碍物折返，跟雷达的作用一样。而水声通信技术是对我们的信息（语音、数据等）进行调试和编码，然后再作为水声传出去给对方的接收器进行解码，重新把信息转化出来。
William：
但声信号的波长长、频率低，这样它携带的能量与信息是不是比较少？也就是说我们只能进行一些简单的语音或数据传输，图像之类的是不是就做不到了？
张鑫：
我们现阶段能做到实时传输的语音以及一些文字，比如发微信。至于视频或高清照片，offline是可以做到的，但是需要占用带宽。就如你说的，声信号频率低，带宽本身就受限，想要用二进制调制就慢了，传输只达到kB量级。
William：
咱们国家现在有了这么多科考船，也具备了探索大洋最深处的能力。我们这些科考设备上在世界上是不是已经站在了第一梯队，和欧美等国并驾齐驱？
张鑫：
如果说国家现在对各种深海科考设备尤其平台的投入，我们肯定是全球最高，增量增速排第一。另外从先进性讲我们也有一定优势，因为我们的设备都是新造的，用了很多新技术，而这些新技术很多是我们自主研发。
不过因为我们过去的存量低、欠账多，总量而言我感觉和美国是旗鼓相当。但肯定比欧洲高，因为欧洲国家都偏小，做海洋是需要一个大国综合而持续的投入的。
William：
您刚提到采用更先进的新技术。我们在这些科考设备上是采用了哪些新技术带来了突破？比如“奋斗者”号下潜到10909米，是哪些技术让结构更承压、通信/能源系统更高效？
张鑫：
我没有参与“奋斗者”号的研制。不过以我个人的了解，技术上载人球体舱有了很大一个突破，从设计到材料，甚至是加工工艺与调试环节，我们都是自主研发，没有借助任何外力。
当然，这也得益于国家很多日趋成熟的基础设施与技术，比如说钛合金的制造、锻造、焊接工艺，或是三亚深海所对主体舱超荷1.2～1.5倍的打压。这些东西我们在过去两个5年计划中发展了起来，如今在国际上都是最先进的。
William：
说到钛合金，前两期节目青年化学家孙亚飞（详见《随处可见的化学制品，为何人人谈之色变？》和《锂电池、钛合金……化工新材料背后的商业逻辑》）就和我们聊到了钛合金。他提到国家大剧院需要用到钛合金，推动了钛合金工艺的发展。
张鑫：
对，在听那期节目以前我真不知道这事儿。十几年前我要用到钛合金的时候，到哪买钛材料都很难；但现在去随便一家加工厂问钛合金，他立马可以给我一桌子选择，这转变感觉很爽。
William：
确实，您一直在第一线参与其中，深有体会。过去国家数十年的持续投入，直到这几年终于迎来了收获期，各个领域先进的科研成果都开始井喷。我们拭目以待国家接下来更多更骄人的突破。
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