作為一種獨特的生態系統，海底冷泉可以為探究生命起源
以及生物的形成與演化提供一個很好的場所。
王淑紅· 中國科學院南海海洋研究所研究員
格致論道·灣區第20期 | 2022年12月24日 廣州
大家好，我是來自中國科學院南海海洋研究所的王淑紅，今天很高興受邀來到格致論道講壇，跟大家分享我的學習和科研經歷，同時帶領大家一起去看看深海海底存在的那一片鮮為人知的綠洲。
可能很多人都跟我有相似的的經歷，高考的時候我報考了北方的一所老牌農業院校——瀋陽農業大學，之後又在那裡攻讀了碩士研究生。那時我的主要任務是在溫室大棚裡種植番茄，來探究節水灌溉。
曾經我以為自己會成為一名光榮的大學教師，或者從事農業科學研究。但是後來一個陰差陽錯的機會，我從中國的最北邊跑到了最南邊，來到了花城廣州，步入了中國科學研究的最高殿堂——中國科學院，開啟了自己的博士生涯。也從此與海洋結下了不解之緣，開啟了一生所從事的職業，成為了一名研究海洋的科學工作者。
大家可能對我棄農下海的經歷很感興趣，也可能會問，這種專業的轉換會不會存在很大的困難？說實話，對於我來說確實存在一定難度。但好在農業科學和海洋科學同屬於地球科學，因此困難並不會很大。在這段人生經歷中，也讓我深刻體會了「有志者事竟成」這句話的真正含義。
在我攻讀博士研究生的時候，天然氣水合物，也就是大家所熟知的可燃冰，作為未來的一種清潔替代能源，引起了國內科學家的廣泛關注，並逐漸成為研究熱點。我博士階段的兩位導師以及幾位前輩在國內率先加入了該方向的研究，而我也跟隨他們的腳步，步入了水合物的研究行列。
海底沙漠中的綠洲
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提到冷泉，大家一定會問，有冷泉存在的地方海水溫度是不是很低？其實冷泉只是一個相對的概念，它是相對熱液所提出的。
國際上第一次發現冷泉，是在1983年的墨西哥灣的佛羅里達。
▲ Suess，2018
到目前為止，全世界範圍內已經發現了上千個不同類型的冷泉系統，主要分佈在大陸邊緣。
我國的冷泉研究始於2002年，上海海洋大學的陳多福教授將這個概念引入中國。到了2004年，我們在南海北部東沙海域發現第一個海底冷泉，將其命名為九龍甲烷礁。
▲ Sun et al., 2011; Tong et al., 2013; Yan et al., 2017; Feng et al., 2018等
到2006年，我們就在南海北部發現了第一個活動冷泉。之後我們依靠國內先進的技術和設備，發現了多個海底冷泉的存在。到目前為止，我國已經在8個海域發現了冷泉系統。
南海冷泉的分佈水深大概在200-3000米。國際上將水深大於200米的海域稱為深海，如圖所示，它是一片無光的黑暗世界，具有較高的鹽度，深海的壓力也會隨著水深的增加而增大，海水的溫度是終年保持不變的，大概是4℃左右。
深海的海水流動速度很慢，因此它的氧氣含量也很低，在這樣一個黑暗無光的世界，自然就無法進行光合作用，也就沒有植物生長了。
隨著國內冷泉研究的不斷升溫，我目前的研究方向主要集中在海底冷泉及天然氣水合物的相關領域，包括天然氣水合物形成分解與海底滑坡之間的關係，海底泥火山的流體來源及形成機制，以及海底冷泉活動及天然氣水合物形成分解與全球氣侯變化之間的關係。
前面提到，海底存在著一片鮮為人知的綠洲。
一提到綠洲，大家腦海裡首先想到的一定是沙漠中的綠洲。沙漠中的綠洲具有充足的水源，可以供給植物生長，為荒涼的沙漠帶來勃勃生機，可見綠洲對於沙漠是有多麼的重要。
大家對於海洋的認識可能是圖上一番景象，在陽光照射下，生活著各種各樣的生物，成群的魚兒快活地在五彩斑斕的珊瑚礁中游來游去。但是在海洋中，更多的是不為人知的深海。
在深海這樣一片黑暗無光，低溫、低氧、高壓、高鹽的極端環境下，為什麼會有「綠洲」存在呢？其實，科學家們把深海冷泉生態系統稱為「海底沙漠中的綠洲」。
▲ 上：藻席，貽貝
下：管狀蠕蟲，螃蟹和貽貝
在海底冷泉區不僅生活著以甲烷為食物的菌席、藻席，也生活著貽貝、管狀蠕蟲、蛤類、海星、海膽等一級消費者。
▲ 上：魚類，珊瑚和魚類
下：管狀蠕蟲，碳酸鹽結殼
同時，海底冷泉中也有螃蟹、魚、冷水珊瑚等二級消費者。這些生物死亡後，會被線蟲類分解，迴歸到自然環境，從而形成一套完整的生態系統。
▲ 貽貝、潛鎧蝦、螃蟹、海星、魚、管狀蠕蟲……
這幅圖展示了冷泉區生活的生物。在冷泉區生物種類繁多，生長非常繁盛，生物量也是非常驚人的。
圖中展示的是海底活動冷泉的情景。可以清楚地看到，生物的生長非常繁盛，而且有大量的甲烷氣泡不斷地從海底冒出。
看到了海底冷泉以及冷泉生態系統的樣子後，大家不禁會問，海底冷泉到底是怎麼形成的呢？
從圖上可以看到，如果要形成冷泉，必須在沉積物的深部具有充足的氣源供給；在沉積層中為氣體運移提供通道；最後一個條件是，需要溫度或者壓力發生改變。
這是一幅海底冷泉生態系統的示意圖。海底以下的甲烷，在適宜的溫壓條件下會在沉積層中形成水合物，也就是可燃冰。到達海底的甲烷會與海水中的硫酸根反應，為細菌和微生物等提供食物來源，從而衍生成各種生物。碳酸氫根和鈣離子反應以後形成碳酸鈣，就是我們在海底發現的自生碳酸鹽巖，所有這些物質就構成了一個海底冷泉生態系統。
大家又會問，海底冷泉生態系統與陸上的生態系統有什麼異同點？它們的不同點在於，陸地上的植物利用太陽光進行光合作用，為初級消費者提供食物來源。
而海底冷泉生態系統中的微生物是利用甲烷進行化能合成作用，為初級消費者提供食物來源。兩個生態系統的共同點在於，它們都具有完整的食物鏈，生物種類都比較豐富。
冷泉系統也有一個生長消亡的過程，從這幅圖中可以很直觀地看到。在靠近冷泉噴口的圖B中，有很多生物生長。隨著距離冷泉噴口越遠，生物量在減少，在圖E中也可以發現大量的生物死亡殼體，圖F中的海底被自生碳酸鹽結殼所覆蓋，已經看不到生物了。這也告訴我們，有甲烷的地方就有生物生長，沒有甲烷，生物就無法生存了。
科學探索海底冷泉
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大家會不會覺得海底冷泉以及冷泉生態系統還是挺有意思的？那科學家們對海底冷泉到底是怎麼研究的呢？
▲ 海底麻坑
現在用到的主要是兩種方法，第一種是利用地球物理設備進行探測，來識別海底的一些特徵。比如海底麻坑，顧名思義就是海底的一些坑狀結構。
還有氣煙囪，就是在沉積層中類似煙囪狀的結構，為氣體向上運移提供通道。
這幅圖是陸地上的泥火山，而海里的泥火山與其非常相像。它噴發的時候帶來的是泥和水，而不是大家所熟悉的火山中的岩漿。
▲ 左：海底羽狀流
右：海底噴泉
第二種用的是地震海洋學方法。它可以提供用來識別海底噴泉或者羽狀流結構的資訊。以上這些特徵都可以用來識別海底冷泉存在的區域。
▲ 上：海馬號、發現號
下：蛟龍號、深海勇士號、奮鬥者號
更直接的方法，還是利用深潛器對冷泉進行研究。目前我國的深潛器有海馬號、發現號等無人深潛器，以及蛟龍號、深海勇士號、奮鬥者號等載人潛水器。大家對於載人潛水器一定很熟悉，媒體對它們的報道都很多。
我這裡簡單介紹一下海馬號的情況。海馬號是我國自主研製的一臺深潛器，目前下潛深度最大可以達到4500米。
這是深潛器工作的原理圖。當深潛器放置到海底後，它會通過一條臍帶纜與母船相連。操控人員在船上對其發出指令，使它完成取樣、拍照等各種工作。
這是海馬冷泉區的一張照片。顧名思義，海馬冷泉就是由海馬號發現的海底冷泉。它也是我國目前發現的最大的活動冷泉。這個冷泉最大的特點是，我們在其中發現了可燃冰。
這個視訊是海馬冷泉區的海底影像。可以看到，在海馬冷泉區生活著大量的生物，而且有不同生物交替生長著。
▲ 水蝨、海葵、蛤類
這些是在海馬冷泉區發現的很有趣的生物。
科學家研究發現，海馬冷泉現在的活動規模在逐年減小，目前處於衰亡期。在不久的將來，海馬冷泉可能會變成一個死冷泉，生物也就無法生存了。
深潛器的功能是非常強大的。首先，它可以完成海底原位樣品的採集。這兩幅圖片是深潛器的機械手將管子插到海底，採集甲烷樣品。從甲烷樣品中可以了解氣體的組成以及地球的各種化學資訊。
另外，機械手也可以將管子插入沉積物中，採集沉積物樣品。它也可以抓取一些樣品，如自生碳酸鹽巖樣品，能用來確定冷泉活動的具體時間。
同時，它也可以抓取一些生物樣品，帶回實驗室為生物科學家服務，探討生物的形成、演化等各種問題。
除了以上這些深潛器採獲的樣品以外，在研究中還會利用科考船在海上採集柱狀沉積物。它們一般長約幾米到十幾米，採集後會被帶回實驗室分割取樣，為後續的研究提供樣品保證。
▲ 上：氣體流量計、甲烷同位素測定
下：液體成分和流量、拉曼光譜
深潛器的另外一個作用是，它可以將小型儀器設備放置到海底，開展一些原位的觀測實驗。比如圖中的氣體流量計，可以測定甲烷從海底釋放的速率；同位素測定儀可以測定氣體中的一些同位素組成。
▲ 上：甲烷流量原位測量、甲烷流量原位成像、原位孔隙水採集
下：甲烷氣泡原位超音波測量、水下原位攝像系統
我們研究團隊的一位同事也自主研製了一些小型的儀器設備，用於觀測海底冷泉。其中甲烷流量原位測量儀和成像系統主要是用來測量甲烷釋放速率以及對它進行拍照；甲烷氣泡原位超音波測量裝置用來確定甲烷的氣泡大小、直徑等參數；同時，孔隙水採集裝置可以在原位採集到孔隙水樣品，讓我們帶回實驗室研究。
尋找潔淨能源的窗口
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講了這麼多關於海底冷泉的內容，那海底冷泉跟我們普通人的生活有什麼關係呢？
大家知道，地球上的生命都起源於海洋，海底冷泉作為一種獨特的生態系統，它可以為探究深海的生命起源以及生物的形成、演化提供一個很好的場所。
海底冷泉中含有大量的甲烷，當這些甲烷進入海水或者大氣的時候，就會引起海洋酸化或者氣侯變暖，甚至引起生物滅絕。
首先，海底冷泉中的甲烷會與海水中的硫酸根反應，形成碳酸氫根。而碳酸氫根與鈣離子反應後，又會形成二氧化碳。二氧化碳是引起海洋酸化的最重要因素。
可以預想，如果大量甲烷進入海洋，必定會加劇海洋酸化。同時，甲烷引起溫室效應的能力是二氧化碳的二十多倍。大量的甲烷進入大氣後，必然會引起全球氣候變暖。隨著海洋酸化以及全球氣候變暖，帶來的最直接的結果就是地球上的生物滅絕。
科學家研究發現，在地質歷史時期，有幾次生物滅絕事件都與氣候變暖有關。也有科學家預言，如果北極1.4萬億噸「休眠」中的甲烷被喚醒，地球將會面臨第6次大滅絕。
前面提到，海底冷泉與天然氣水合物具有密切的關係。而天然氣水合物是目前國際上有機碳含量最高的能源，佔了全球有機碳總量的53.3%，是煤、石油、天然氣等化石燃料的兩倍。我國目前的能源結構以煤炭為主，其他如石油、天然氣相對短缺。
天然氣水合物作為一種能量密度大的資源引起了大家的關注。研究發現，可燃冰在海底分佈範圍非常廣，而且它埋藏淺，很適於開採。同時，它具有清潔無汙染、能量密度大、燃燒值高等優點，很有可能會成為未來的一種清潔替代能源。在2017年11月15日，天然氣水合物已經被定為第173個新礦種。
我國海域可燃冰資源儲量非常大，位居全球第一，總儲量大約有800億噸油當量，具有非常廣闊的開發前景。
隨著海底冷泉及天然氣水合物研究的不斷升溫，科學家對於深潛器也提出了更高的要求。目前的深潛器在海底的停留時間最長只有十幾個小時，但是科學家們希望在海底進行長時間停留，開展一些原位觀測和實驗工作。
在這種背景下，冷泉生態系統裝置應運而生，並且入選了「十四五」重大科技基礎設施建設名單。冷泉生態系統裝置中的載人原位實驗系統，可以一次性帶6個人下潛到深海，開展最長可達45天的原位實時觀測和實驗。
可以預想，冷泉生態系統裝置建成後，將會極大地推動我國海底冷泉及天然氣水合物的研究，我們期待著這臺裝置順利建成。
隨著人類社會的不斷發展，我們對於海洋的需求也越來越大。希望人類在認識海洋、開發海洋的同時，一起來保護海洋。
我的分享到此結束，謝謝大家！