我们为什么要造万米深潜器?真正的原因比“刷纪录”重要多了!
发布时间:2021-11-04
出品:科普中国
制作:地星引力
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  202011月,我国制造的万米级深潜器“奋斗者”号在马里亚纳海沟深度10909米的地方成功坐底,引起热议,激发了不少人心中的自豪感。

  但是,202110月,“奋斗者”号在马里亚纳海沟正式投入常规科考应用的消息传来,却没有获得多少关注。

  无论是在深潜器还是在其它领域,许多人关心的仿佛只有那一个“最”字,最深、最高、最先进、最强大、最齐全……“最”字好像就是科技类信息的流量密码。

  然而,我们制造这些装备,真正的目的并不是为了刷新纪录,去争这一个“最”字。

那么真正的目的是什么呢?

  往大的方面说,我们人类对世界的认识就是一个圈,而深潜器就好像是一根针,能够帮我们在目前的认识圈上刺出一个洞,让我们窥探圈外的未知世界

  往小的方面说,这些深潜器在地表最深处的工作,对我们了解地球生命起源,地球板块演化、火山地震带活动、地球深部成矿作用、深海矿产等都有着举足轻重的作用。

一、探测深海生物和生命起源

  在小学的科学课上,大家可能都学过关于地球生命起源的知识,其中最知名的就是米勒实验了:

  1953年,美国科学家米勒将水、甲烷、氨气、氢气与一氧化碳密封在一个烧瓶中,向其中通入水蒸气,并不断用电火花模拟闪电一段时间后,这些无机物就形成了氨基酸、糖类、脂类等有机物。

  这一实验石破天惊,向我们揭示了生命可能起源于无机物的化学反应的可能性。

  

  米勒实验示意图(图片来源:维基百科)

  因此,在此后的很多年里,人们普遍相信生命可能起源于原始的海洋表面,因为只有那里才能满足这个实验的条件。

  然而无法回答的一个问题是那时候的地球上并没有臭氧层,紫外线强烈,在海洋表层形成的有机物以及原始生命很容易就被紫外线破坏失去活性。

  但是很快,这个问题就被一个深潜器的发现解决了。

  1979年,美国的深潜器阿尔文号Alvin)在东太平洋加拉帕戈斯海底热泉附近发现了奇特的海底热泉生物群落。

  这些生物生活在黑暗的裂谷深处,完全无法通过光合作用形成有机物,只能利用海底热泉附近的化学物质进行化能合成作用,并形成了复杂而繁荣的生态系统。

  

  海底热泉附近的旺盛生物聚落(图片来源:美国国家海洋和大气管理局

  由此,科学家们提出了一个新的生命起源假说——深海热泉起源说。

  深海热泉是由于海水顺着海底裂隙深入,遇到岩浆后携带着大量矿物质返回海面,在海底喷出形成或白或黑的烟囱状结构,这些被称为海底黑烟囱”或“白烟囱

  这里温度稳定,无机物含量丰富,不易被原始地球海洋表面的强烈紫外线、频繁的陨石和火山活动所打扰,是生命诞生的绝佳地点。

  

  海底黑烟囱(图片来源:维基百科)

  但是,在生命诞生过程中还有许多未解之谜。比如起源的具体过程如何?无机物是怎么变成有机物的?有机物又是怎么变成有机大分子?有机大分子又如何变成生命?刚刚诞生时候的生命形态如何?这些生命以什么作为生命能量的来源?它们又会组成怎样的生态系统?

  在深海之中就存在着许多海底热泉,深潜器研制成功后,能够让我们深入海沟附近的海底或者是大洋中脊的海底,近距离研究黑烟囱与黑烟囱附近的现代生态系统,这对于解决地球生命起源中的这些未解之谜也可能会有重大帮助。

  

  海底热泉分布图,黑线即为板块边界(图片来源:维基百科)

  此外,经过近些年的研究,学者们认为,在木星的木卫二也可能存在着海底热泉,在火星上也还可能曾经存在过海底热泉

  如果真的是这样,那么我们研究现代的海底热泉,可能会对未来研究这些地方是否有生命,生命形态如何等问题也会有帮助。

  

  木卫二的外层是冰层,冰层之下可能就是由液态水组成的海洋了,在海洋与地幔接触的地方很可能也存在如地球一般的深海热泉

  (图片来源:维基百科,作者有修改

  比如在最近的深海探测的研究成果中,就涉及到了生命起源方面:

  我国科学家利用自主研发的光谱探针在深海热液喷口气泡中首次发现了自然环境下的原位超临界二氧化碳这可能类似早期地球水汽界面附近二氧化碳大气层的主要状态,促进了氨基酸和其他有机物的合成、富集和保存。

  这个过程对生命起源至关重要,弥补了热液流体中缺少合成氨基酸的关键元素——氮的这个环节,解决了早期生命起源于热液假说最致命的问题之一。

二、探索地球演化

  我们从小就学过地球内部的三个圈层:地核、地幔、地壳,并了解过地球的板块运动的原理

  简单来讲,就是地核处最热,地幔物质在地核处加热下运动,带动着地壳运动。运动的地壳相互碰撞或者相互分离,相互碰撞的地壳形成巨大的造山带(这就是地球上山脉的来由)相互分离的地壳形成洋中脊,在洋中脊附近地幔物质上涌,形成海底山脉系统(生命可能起源于这附近)。

  而海沟正好就是两个板块相互碰撞的地方

  

  板块运动的原理就是地幔被地核加热而产生热对流,带动漂浮在其上的地壳运动。地壳分为多个破裂的板块,板块之间的挤压就形成了海沟和山脉等起伏地貌

  (图片来源:美国地质勘探局官网)

  以往我们只能通过地震波、声呐等方法获取到海沟的地形地貌特点,但是无法亲自前往考察

  现在,在载人深潜器正常工作之后,我们就能够亲眼见到板块之间到底是如何碰撞过渡的,也能够有机会采集到相关的岩石样本。

  由于陆地上也有许多板块碰撞之后残留下来的板块边界,比如秦岭就是华南华北两个古老板块边界的碰撞带。因此,研究海沟中正在俯冲中的板块边界,无疑能帮助我们更好地研究地球历史上曾经发生过的板块运动,让我们知道地球上的陆地是如何起源,又是如何形成的,也让我们对中国大陆的起源和演化有更深入的了解。

  另外,地球上绝大部分矿藏,其形成都与岩浆活动有着密不可分的关系。

  在板块俯冲带上会发生强烈的岩浆活动,如果我们将地球上的火山地震带与板块边界放在一起,就会发现它们几乎完全重合(比如日本火山地震活跃,就是因为它正好位于俯冲带之上)。

  所以,深潜器深入海沟处进行考察,一方面能够研究地球上的地震和火山活动,另一方面能帮助我们了解俯冲带附近的成矿作用,对于我们在陆地上已经消亡的俯冲带附近的找矿活动,以及在海底的找矿活动都有着重要的指导意义。

  

  1963-1998年地震震中分布图,可以与上面的海底热泉分布图以及其中的板块边界进行对比(图片来源:美国国家航空航天局官网)

三、研究极端生态系统与古环境

  深海中水压大、低温无光,在以往一直被认为是生命的禁区。深潜器多年来的科考结果却让我们发现在这些极端环境下居然还存在着392种特有生命,它们栖息在比海平面压力高1100倍的环境中构成了深海处的复杂生态系统

  但是,这些生命是如何适应这些极端环境的?是基因的特殊还是有什么特别的手段?我们对于海沟极端生态系统的研究,能不能发现新的生命类型?这些生命是否可能“吃”掉各种污染物,在极端环境中大量存活为我们提供蛋白质,又或者提供适应低温和高压的基因呢?种种问题等待解答

  所以,这种耐高压、耐低温的极端生命的研究,对于我们人类将来步入太空,适应太空极端环境可能有一定的启示,对于我们未来在外星球中生命探寻和定居点建立也可能起到帮助。

  最后,海沟被称为“海洋的终极垃圾桶”,来自大陆和海洋中的各种沉积物都堆积在此。这些沉积物中包含了大量的古气候、古海洋等古环境的信息

  从这些信息中我们可以通过了解古海洋中盐、温、密度等等多种信息,从而推断出海洋海水的演化过程此外,还可以了解到邻近大陆上大气环境、气候变化、火山喷发、地震灾害等等多方面的信息。

  这样,当我们对深海海沟中的沉积物进行采样分析后,就能得到在不同的历史时期内,地球气候环境的变化状况——这些知识在现代我们面临气候变化危机的时候,能作为基础数据,对未来的情况进行对比和预测。

  所以,虽然在最近的新闻稿中,对“奋斗者”号的报道虽然只有一段简洁的报道称:开展了利用测深侧扫设备进行目标搜寻及地形探测、采集深渊海底沉积物、岩石和生物样本、搭载沉积物保压取样装置海试等作业任务但实际上字越少,事越大。

  很可能,在不久的未来,我们将会宣布在深海中的重要发现,那时候还请大家一起为“奋斗者”号、为中国的深海科考欢呼!

参考文献:

  [1]LOWELL R P. Hydrothermal Systems on Europa[J]. Geophysical Research Letters, 2005, 32(5): L05202. DOI:10.1029/2005GL022375.

  [2]李三忠,索艳慧,朱俊江,戴黎明,张瑞昕,刘欣颖,乔璐璐,刘吉文,张晓华.海沟系统研究的进展与前沿[J/OL].中国科学:地球科学:1-19[2020-11-11].

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