作为一种独特的生态系统，
海底冷泉可以为探究生命起源
以及生物的形成与演化提供一个很好的场所。
王淑红 · 中国科学院南海海洋研究所研究员
格致论道·湾区第20期 | 2022年12月24日 广州
大家好，我是来自中国科学院南海海洋研究所的王淑红，今天很高兴受邀来到格致论道讲坛，跟大家分享我的学习和科研经历，同时带领大家一起去看看深海海底存在的那一片鲜为人知的绿洲。可能很多人都跟我有相似的的经历，高考的时候我报考了北方的一所老牌农业院校——沈阳农业大学，之后又在那里攻读了硕士研究生。那时我的主要任务是在温室大棚里种植番茄，来探究节水灌溉。曾经我以为自己会成为一名光荣的大学教师，或者从事农业科学研究。但是后来一个阴差阳错的机会，我从中国的最北边跑到了最南边，来到了花城广州，步入了中国科学研究的最高殿堂——中国科学院，开启了自己的博士生涯。也从此与海洋结下了不解之缘，开启了一生所从事的职业，成为了一名研究海洋的科学工作者。大家可能对我弃农下海的经历很感兴趣，也可能会问，这种专业的转换会不会存在很大的困难？说实话，对于我来说确实存在一定难度。但好在农业科学和海洋科学同属于地球科学，因此困难并不会很大。在这段人生经历中，也让我深刻体会了“有志者事竟成”这句话的真正含义。在我攻读博士研究生的时候，天然气水合物，也就是大家所熟知的可燃冰，作为未来的一种清洁替代能源，引起了国内科学家的广泛关注，并逐渐成为研究热点。我博士阶段的两位导师以及几位前辈在国内率先加入了该方向的研究，而我也跟随他们的脚步，步入了水合物的研究行列。提到冷泉，大家一定会问，有冷泉存在的地方海水温度是不是很低？其实冷泉只是一个相对的概念，它是相对热液所提出的。国际上第一次发现冷泉，是在1983年的墨西哥湾的佛罗里达。到目前为止，全世界范围内已经发现了上千个不同类型的冷泉系统，主要分布在大陆边缘。我国的冷泉研究始于2002年，上海海洋大学的陈多福教授将这个概念引入中国。到了2004年，我们在南海北部东沙海域发现第一个海底冷泉，将其命名为九龙甲烷礁。▲ Sun et al., 2011; Tong et al., 2013;
Yan et al., 2017; Feng et al., 2018等
到2006年，我们就在南海北部发现了第一个活动冷泉。之后我们依靠国内先进的技术和设备，发现了多个海底冷泉的存在。到目前为止，我国已经在8个海域发现了冷泉系统。南海冷泉的分布水深大概在200-3000米。国际上将水深大于200米的海域称为深海，如图所示，它是一片无光的黑暗世界，具有较高的盐度，深海的压力也会随着水深的增加而增大，海水的温度是终年保持不变的，大概是4℃左右。深海的海水流动速度很慢，因此它的氧气含量也很低，在这样一个黑暗无光的世界，自然就无法进行光合作用，也就没有植物生长了。随着国内冷泉研究的不断升温，我目前的研究方向主要集中在海底冷泉及天然气水合物的相关领域，包括天然气水合物形成分解与海底滑坡之间的关系，海底泥火山的流体来源及形成机制，以及海底冷泉活动及天然气水合物形成分解与全球气侯变化之间的关系。一提到绿洲，大家脑海里首先想到的一定是沙漠中的绿洲。沙漠中的绿洲具有充足的水源，可以供给植物生长，为荒凉的沙漠带来勃勃生机，可见绿洲对于沙漠是有多么的重要。大家对于海洋的认识可能是图上一番景象，在阳光照射下，生活着各种各样的生物，成群的鱼儿快活地在五彩斑斓的珊瑚礁中游来游去。但是在海洋中，更多的是不为人知的深海。在深海这样一片黑暗无光，低温、低氧、高压、高盐的极端环境下，为什么会有“绿洲”存在呢？其实，科学家们把深海冷泉生态系统称为“海底沙漠中的绿洲”。▲ 上：藻席，贻贝
下：管状蠕虫，螃蟹和贻贝
在海底冷泉区不仅生活着以甲烷为食物的菌席、藻席，也生活着贻贝、管状蠕虫、蛤类、海星、海胆等一级消费者。▲ 上：鱼类，珊瑚和鱼类
下：管状蠕虫，碳酸盐结壳
同时，海底冷泉中也有螃蟹、鱼、冷水珊瑚等二级消费者。这些生物死亡后，会被线虫类分解，回归到自然环境，从而形成一套完整的生态系统。▲ 贻贝、潜铠虾、螃蟹、海星、鱼、管状蠕虫……
这幅图展示了冷泉区生活的生物。在冷泉区生物种类繁多，生长非常繁盛，生物量也是非常惊人的。图中展示的是海底活动冷泉的情景。可以清楚地看到，生物的生长非常繁盛，而且有大量的甲烷气泡不断地从海底冒出。看到了海底冷泉以及冷泉生态系统的样子后，大家不禁会问，海底冷泉到底是怎么形成的呢？从图上可以看到，如果要形成冷泉，必须在沉积物的深部具有充足的气源供给；在沉积层中为气体运移提供通道；最后一个条件是，需要温度或者压力发生改变。这是一幅海底冷泉生态系统的示意图。海底以下的甲烷，在适宜的温压条件下会在沉积层中形成水合物，也就是可燃冰。到达海底的甲烷会与海水中的硫酸根反应，为细菌和微生物等提供食物来源，从而衍生成各种生物。碳酸氢根和钙离子反应以后形成碳酸钙，就是我们在海底发现的自生碳酸盐岩，所有这些物质就构成了一个海底冷泉生态系统。大家又会问，海底冷泉生态系统与陆上的生态系统有什么异同点？它们的不同点在于，陆地上的植物利用太阳光进行光合作用，为初级消费者提供食物来源。而海底冷泉生态系统中的微生物是利用甲烷进行化能合成作用，为初级消费者提供食物来源。两个生态系统的共同点在于，它们都具有完整的食物链，生物种类都比较丰富。冷泉系统也有一个生长消亡的过程，从这幅图中可以很直观地看到。在靠近冷泉喷口的图B中，有很多生物生长。随着距离冷泉喷口越远，生物量在减少，在图E中也可以发现大量的生物死亡壳体，图F中的海底被自生碳酸盐结壳所覆盖，已经看不到生物了。这也告诉我们，有甲烷的地方就有生物生长，没有甲烷，生物就无法生存了。大家会不会觉得海底冷泉以及冷泉生态系统还是挺有意思的？那科学家们对海底冷泉到底是怎么研究的呢？▲ 海底麻坑
现在用到的主要是两种方法，第一种是利用地球物理设备进行探测，来识别海底的一些特征。比如海底麻坑，顾名思义就是海底的一些坑状结构。还有气烟囱，就是在沉积层中类似烟囱状的结构，为气体向上运移提供通道。这幅图是陆地上的泥火山，而海里的泥火山与其非常相像。它喷发的时候带来的是泥和水，而不是大家所熟悉的火山中的岩浆。▲ 左：海底羽状流
右：海底喷泉
第二种用的是地震海洋学方法。它可以提供用来识别海底喷泉或者羽状流结构的信息。以上这些特征都可以用来识别海底冷泉存在的区域。▲ 上：海马号、发现号
下：蛟龙号、深海勇士号、奋斗者号
更直接的方法，还是利用深潜器对冷泉进行研究。目前我国的深潜器有海马号、发现号等无人深潜器，以及蛟龙号、深海勇士号、奋斗者号等载人潜水器。大家对于载人潜水器一定很熟悉，媒体对它们的报道都很多。我这里简单介绍一下海马号的情况。海马号是我国自主研制的一台深潜器，目前下潜深度最大可以达到4500米。这是深潜器工作的原理图。当深潜器放置到海底后，它会通过一条脐带缆与母船相连。操控人员在船上对其发出指令，使它完成采样、拍照等各种工作。这是海马冷泉区的一张照片。顾名思义，海马冷泉就是由海马号发现的海底冷泉。它也是我国目前发现的最大的活动冷泉。这个冷泉最大的特点是，我们在其中发现了可燃冰。这个视频是海马冷泉区的海底影像。可以看到，在海马冷泉区生活着大量的生物，而且有不同生物交替生长着。科学家研究发现，海马冷泉现在的活动规模在逐年减小，目前处于衰亡期。在不久的将来，海马冷泉可能会变成一个死冷泉，生物也就无法生存了。深潜器的功能是非常强大的。首先，它可以完成海底原位样品的采集。这两幅图片是深潜器的机械手将管子插到海底，采集甲烷样品。从甲烷样品中可以了解气体的组成以及地球的各种化学信息。另外，机械手也可以将管子插入沉积物中，采集沉积物样品。它也可以抓取一些样品，如自生碳酸盐岩样品，能用来确定冷泉活动的具体时间。同时，它也可以抓取一些生物样品，带回实验室为生物科学家服务，探讨生物的形成、演化等各种问题。除了以上这些深潜器采获的样品以外，在研究中还会利用科考船在海上采集柱状沉积物。它们一般长约几米到十几米，采集后会被带回实验室分割取样，为后续的研究提供样品保证。▲ 上：气体流量计、甲烷同位素测定
下：液体成分和流量、拉曼光谱
深潜器的另外一个作用是，它可以将小型仪器设备放置到海底，开展一些原位的观测实验。比如图中的气体流量计，可以测定甲烷从海底释放的速率；同位素测定仪可以测定气体中的一些同位素组成。▲ 上：甲烷流量原位测量、甲烷流量原位成像、原位孔隙水采集
下：甲烷气泡原位超声波测量、水下原位摄像系统
我们研究团队的一位同事也自主研制了一些小型的仪器设备，用于观测海底冷泉。其中甲烷流量原位测量仪和成像系统主要是用来测量甲烷释放速率以及对它进行拍照；甲烷气泡原位超声波测量装置用来确定甲烷的气泡大小、直径等参数；同时，孔隙水采集装置可以在原位采集到孔隙水样品，让我们带回实验室研究。讲了这么多关于海底冷泉的内容，那海底冷泉跟我们普通人的生活有什么关系呢？大家知道，地球上的生命都起源于海洋，海底冷泉作为一种独特的生态系统，它可以为探究深海的生命起源以及生物的形成、演化提供一个很好的场所。海底冷泉中含有大量的甲烷，当这些甲烷进入海水或者大气的时候，就会引起海洋酸化或者气侯变暖，甚至引起生物灭绝。首先，海底冷泉中的甲烷会与海水中的硫酸根反应，形成碳酸氢根。而碳酸氢根与钙离子反应后，又会形成二氧化碳。二氧化碳是引起海洋酸化的最重要因素。可以预想，如果大量甲烷进入海洋，必定会加剧海洋酸化。同时，甲烷引起温室效应的能力是二氧化碳的二十多倍。大量的甲烷进入大气后，必然会引起全球气候变暖。随着海洋酸化以及全球气候变暖，带来的最直接的结果就是地球上的生物灭绝。科学家研究发现，在地质历史时期，有几次生物灭绝事件都与气候变暖有关。也有科学家预言，如果北极1.4万亿吨“休眠”中的甲烷被唤醒，地球将会面临第6次大灭绝。前面提到，海底冷泉与天然气水合物具有密切的关系。而天然气水合物是目前国际上有机碳含量最高的能源，占了全球有机碳总量的53.3%，是煤、石油、天然气等化石燃料的两倍。我国目前的能源结构以煤炭为主，其他如石油、天然气相对短缺。天然气水合物作为一种能量密度大的资源引起了大家的关注。研究发现，可燃冰在海底分布范围非常广，而且它埋藏浅，很适于开采。同时，它具有清洁无污染、能量密度大、燃烧值高等优点，很有可能会成为未来的一种清洁替代能源。在2017年11月15日，天然气水合物已经被定为第173个新矿种。我国海域可燃冰资源储量非常大，位居全球第一，总储量大约有800亿吨油当量，具有非常广阔的开发前景。随着海底冷泉及天然气水合物研究的不断升温，科学家对于深潜器也提出了更高的要求。目前的深潜器在海底的停留时间最长只有十几个小时，但是科学家们希望在海底进行长时间停留，开展一些原位观测和实验工作。在这种背景下，冷泉生态系统装置应运而生，并且入选了“十四五”重大科技基础设施建设名单。冷泉生态系统装置中的载人原位实验系统，可以一次性带6个人下潜到深海，开展最长可达45天的原位实时观测和实验。可以预想，冷泉生态系统装置建成后，将会极大地推动我国海底冷泉及天然气水合物的研究，我们期待着这台装置顺利建成。随着人类社会的不断发展，我们对于海洋的需求也越来越大。希望人类在认识海洋、开发海洋的同时，一起来保护海洋。文章和演讲仅代表作者观点，不代表格致论道讲坛立场。“格致论道”，原称“SELF格致论道”，致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院网络安全和信息化领导小组办公室主办，中国科普博览(中国科学院科普云平台)提供技术支持。欢迎关注格致论道官网: self.org.cn，微信公众号: SELFtalks，微博: 格致论道。
