没办法把深海搬到实验室？于是，我们干脆把实验室搬到海底 | 科学讲坛——张鑫

我给拉曼探针起的名字叫RiP，

因为它只是海底的过客，

不会破坏那些生物生存的环境，

不会惊扰那蔚蓝的世界。

张 鑫· 中国科学院海洋研究所研究员

格致论道 | 2020年9月5日 北京

深海有什么呢？它是不是一片荒漠？

海洋的平均深度，已经达到了3700多米，而超过1000米的深海面积已经超过了90%。一般 认为，在水深200米的真光层以下，几乎是没有阳光的。大家知道，万物生长靠太阳，生命的能量来源是需要光合作用的，没有光就没有生命。 这也是为什么在1977年深海的热液系统发现之前，大家认为深海是一片荒漠。

但是，深海下是有各种极端环境的。 一个比较极端的例子，叫深海的热液系统。

▲ 深海热液系统： 热液喷口流体普遍高温，富含甲烷、

二氧化碳等气体和金属矿物颗粒，大多呈酸性

这个系统是由于海底大量的 高温高压、强酸或强碱 的流体快速地喷出海底形成的。 它携带了大量的甲烷、二氧化碳气体的同时，还有各种的金属元素，它可以 在海底堆积形成热液硫化物矿物。同时，它还孕育了各种生命的现象。

▲深海冷泉系统： 冷泉流体以水、甲烷、硫化氢、

细粒沉积物为主，流体温度与周围海水温度相近

另一种生态系统，我们叫它冷泉。冷泉并不冷，它只是在热液发现之后，大家发现有一种低温的流体。

它的温度和周围海水相当，而里边含有的物质，并没有大量的金属硫化物颗粒，而以水、甲烷、硫化氢这些气体以及一些细粒沉积物为主。

它同时也孕育了一种能源，或者说未来的战略能源，我们叫它可燃冰。因此，它的资源以及能源价值是毋庸置疑的。

▲深海极端环境孕育了特殊的生命过程

热液冷泉这种极端环境，还孕育了一种特殊的生命现象。后来我们发现，深海的这种生物特别神奇，它可以利用热液冷泉喷出的甲烷、硫化氢这些气体，通过微生物合成的方式，把无机物转化为有机物，进而产生大分子。

这种生命现象就不需要光的参与，我们叫它化学合成的自养生态系统。

直接把深海样品带回实验室可行吗？

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既然海底有这种特别神奇的、和我们地表生态圈完全不同的生态系统，我们就要去探测。

▲ 测不准

是不是可以直接把热液冷泉里边的东西都带回实验室做各种分析？ 可能不太行。 首先，你测不准。

▲ 测不对

还有可能测不对。 底下那些点，是国际大洋钻探计划使用非保温保压的技术，也就是传统的沉积物取样技术获得的。

沉积物孔隙水中的甲烷浓度大概在1毫摩尔左右。 1 毫摩尔是什么概念？ 就是正常的25度1个大气压下，水中甲烷的溶解度。

上边那些黑点是使用了一种新技术获得的，叫保温保压采样技术。它的甲烷浓度可以达到1000毫摩尔。 如果这是它的真实浓度，那原来测得的传统的数据和真实浓度就相差了1000倍。 所以，很多数据是测不准的。还有就是，它很容易分解变质。

我在我们国家的南海，进行了一个天然气水合物，也叫可燃冰的原位合成实验。

▲ 在深海3℃，

11Mpa（1100m ）合成天然气水合物（可燃冰）

我在3度，11个兆帕，1100米的深度，原位合成了天然气水合物。

▲ 合 成的天然气水合物（可燃冰）在上升到7℃，

7Mpa (700m)开始分解

当我把它带到了700米水深，水温大概7度的时候，它已经开始分解了，压根儿就没有到海表。 所以很多可能带回来的东西，已经不是原位的这些物质成分了。

▲ 采不到

还有就是，你根本采不到。 这个白色的是潜铠虾，底下是一些深海偏顶蛤。再往下是它生长的基底，我们叫它自生碳酸盐岩。 自生碳酸盐岩和潜铠虾之间的这个物质，叫生物群落中的下覆水。

这个流体是采不到的，因为它只有大概几厘米到十几厘米的厚度，各种采样技术都不可能得到。 自生碳酸盐岩，这么大的一块儿石头，也不可能都搬回实验室。

所以，我们把样品带回实验室，分析的各种数据，可能代表不了数据的真实值，或者根本就采不到这个样品。

带着探针去深潜

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那怎么做呢？ 我最近做的工作，或者说我最近十几年做的工作，还没有完成我的梦想，是把实验室搬到海底。

▲ 系列化拉曼探针

我只是做了一个简单的探针，叫拉曼光谱探针，带着它去深潜 。

从大概2008年，我的第一个探针沉积物孔隙水探针诞生到现在，已经经历了三代。

可以做什么呢？ 可以探测沉积物孔隙水和冷泉流体，可以探测天然气水合物，也叫可燃冰。 最后，也是最近我们的突破是，可以探测高温高压的热液喷口流体。

这个探针是一套特别庞大的系统，它使用了我们的“发现”号机器人。 “发现”号机器人搭载在哪儿呢？

它是一个ROV机器人，它搭载到我们国家的一个重大基础设施，“科学”号科考船上。 这个机器人像人一样，可在海底下做各种的操作，我使用了这个机器人几乎所有的功能。 我要用它的电力给我的探针供电，用它的通讯来控制我的探针进行各种操作， 还需要用机器人的两只手，抓着探针去探测不同的位置。

那个探针就像《星球大战》里边的激光剑一样，它指哪儿打哪儿。当然，这个手是一个机械手，那它到底指到哪儿了呢？ 首先，我做了一些海底的固体物质。

天然气水合物，也叫可燃冰，我们在南海首次发现，在裸露在海底的地方存在这种可燃冰。 激光剑发出一束蓝绿激光，打在可燃冰的表面，我们就可以得到它的化学成分。

但是现在冷泉喷口里边的可燃冰，是不可能把样品带回来的。 这束光打过去之后，它就把它的物质成分全都拿了回来。 我们不只进行物质成分的探测，我们还在海底下做原位的实验。

▲ 天然气水合物

这个 像蜂巢一样的装置，就是我们在海底，使用冷泉流体合成了可燃冰，然后发现在海底下，0秒钟可能就可以合成可燃冰。 而如果在实验室可能需要几天、十几天的时间合成。为什么呢？

因为冷泉流体里边含有大量的矿物颗粒，它就像我们人工增雨的核一样，会使可燃冰的形成速度快速增加。

▲ 自生碳酸盐岩/热液硫化物

我探测了冷泉的自生碳酸盐岩和热液的硫化物。 在把探针带下海之后，每个点去探测，就像你在做CT一样，这样可以得到一个生态系统，或者说流体形成的一种模型和模式。

除了这种石头和水合物，我还探测生物。 放心，我现在探测的这些生物都没有死，它好好地在我们的这个深海生存着。

我给拉曼探针起的名字，就像我的孩子一样，叫RiP。 RiP是什么呢？如果大家在国外待过，可能会发现墓地墓碑上都有RIP，它是安息的意思。

我想用拉曼探针做的工作也是，只是打一束光过去，然后这束光的返回信号可以告诉我你的生理状态，或者说你的化学成分，但是我不会破坏你生存的环境。所以说它们是在安息的，我们只是过去看了一下，我们像过客一样。

▲ 海底生物： 海葵/螺/贻贝

那红海葵和白海葵的不同在哪儿呢？ 很简单，红海葵里边有类胡萝卜素，这是大型生物里边都有的。

我还去测了各种螺，那些螺和你们吃的海螺长得差不多，但是它的物质成分有天壤的区别。

测了这么多固态物质，那其他时候测点什么呢？ 那我们要不然测一些流体吧。那流体都有什么呢？ 首先我做了沉积物孔隙水。 什么叫沉积物孔隙水？

大家可以想象，你从地里拿了一块泥巴到手里，你使劲攥攥它，可能会挤出一点水来。或者你在沙滩上跟孩子玩的时候，拿出一捧沙子，水会滴下来。 孔隙水，就是在这个沉积物或者岩石，或者这种沙质沉积物泥质沉积物中间的水。

那为什么要测它？ 因为沉积物中有大量的这种甲烷氧化菌，它消化了大量从海底下上来的甲烷。 如果 没有它，地球上甲烷浓度就会升高很多。 那现在的温度可能就不是我们现在的20摄氏度，可能要变成200度。 那怎么测呢？

▲ 沉积物孔隙水中溶解甲烷的原位浓度

传统的技术就是把样品带回来，那我做的工作，就是把一个探针插入它不同的深度，就可以得到它的光谱，然后进行我们相关的定量分析，就得到它的数据。

▲ 沉积物孔隙水中溶解甲烷的原位浓度

它的甲烷浓度和普通传统取样的甲烷浓度相差了20倍， 这样的话，全球沉积物中的甲烷浓度是不是被低估了20倍呢？ 不 知道。 但至少被大大地低估了。

甲烷的整个的储量，或者是它的含量，可能在全球尺度上也被低估了。沉积物孔隙水太复杂，举个简单的例子。

▲ 冷泉流体

我们去做冷泉的流体，下覆水只有大概十几厘米或者几厘米的厚度。我也是把我的探针插入它的不同的深度，那发现了什么。

▲ 冷泉流体

普遍认为甲烷的厌氧氧化，会产生硫化氢气体和二氧化碳，但是我们没有打到任何的硫化氢气体，却测到了很多的单质硫。

这样，就颠覆了大家对甲烷的氧化过程的传统认知。所以，原位探测是可以颠覆一些传统的基于取样或者其他的模拟技术得到的一些认知。

▲ 高温“黑烟囱”热液流体

最 近我比较主要的一些进展，就是我现在敢把一个光学探头，插入一个三四百度高温的而且有些黑烟的体系。

▲ 高温“黑烟囱”热液流体

这个体系首先高温，我们这个技术就解决了光学镜头在高温、高压、强腐蚀、浑浊环境下的探测。这个技术可能是现在全球唯一一个可以插入热液喷口进行原位探测的光学传感器。

▲ 低温极酸性（pH<2）“白烟囱”热液流体

我们不只做高温的热液流体，有“黑烟囱”，还有“白烟囱”。 它的温度不是特别高，我叫它低温，但它也有100度了，但是它的pH值特别低。

你可以想象一个浓硫酸在海底下，然后我把探针打下去了，而且发现探针测得的数据里边有大量的氢气。 氢气是生命从无机到有机，或者说有机的转化需要的一个很重要的气体，那它可能就和深海的这种生命起源有一定的关系。

固体和液体没有什么特殊的，海底下肯定有石头，肯定有海水，那你能相信海底下有气体吗？ 我们测到了海底的气体，而且这些气体是不可能脱离那个环境，带回海表面的。

▲ 发现自然界存在超临界态二氧化碳

在我们最近刚发表在《科学通报》英文版上的一篇文章中，我们在自然界中首次发现存在自然状态下的超临界态二氧化碳。

我这件衣服是羊毛的，需要干洗，那干洗店用的是什么呢？就是用的超临界态二氧化碳。 它有什么特点？ 它具有气态和液态的特点，它首先可以溶解有机质。 在它变成超临界态的时候，把有机质，就是衣服上的一些机质、污垢给带走了。

然后当它温度压力降下来的时候，变成了气态，就可以抽回去再利用，这是干洗的原理。 它还有一个原理，就是石油行业用它做一个有机溶剂。 它还可以进行各种催化。 超临界态二氧化碳形成的环境，是需要30多度和70多个大气压，这在我们地表是不可能存在的，只有在深海或者深地有。 我们就在这种热液区域，发现存在这种泡泡。

这种泡泡你是带不回来的，因为它的温度达到了大概90多度。 只能把我们的光打下去，然后测得它的成分，发现和超临界态二氧化碳在实验室模拟的成分是一模一样的。

这个泡泡里边还带了大量的氮气，生命起源是需要氮气的。米勒的放电实验，就是产生氨基酸的实验，里边也需要氮。

热液系统一直认为是地球生命起源可能的一种解释，但在它其中没有发现大量的氮气。 我们发现，超临界态二氧化碳可能对氮气有富集作用。这样的话我们就提出了一种新的早期地球生命起源，或者说从无机到有机转化的过程。所以，你干洗衣服的超临界态二氧化碳，可能和生命有关。

▲ 发现海底存在气态水

我们还在海底下发现了一个气态的水，这个也比较神奇。 如果它是气态的东西的话，它或者温度降下来之后就变成了水、变成液态，或者它要上升到海表。 那它怎么没有变成液态，没有上升呢？它有一个倒置的湖。

你可以想象，把你家里的大脸盆扣在海底，然后有一个冒着热气泡的水蒸气，一直把你的脸盆充满了，而且那个水蒸气会一直给它供给热量。

▲ 发现海底存在气态水

这样，它就会形成一个倒置湖的结构。 这个倒置湖结构很神奇，它里边首先有气态的水，这样就把我们地球科学这种水气分离，或者说相分离的现象，从海底深处移到了海底的表面。

另外就是这种倒扣盆会形成一个很平的镜面，这种镜面就会抑制硫化物颗粒大量喷出到海洋环境中。 这些硫化物颗粒会大量堆积在喷口的周围，它对周围海洋环境的影响就要降低。

拉曼光谱探针的足迹

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这个探针去了哪儿呢？

▲ 拉曼探针的足迹

它去了好多好多的热液区，已经下潜了150余次，跟着国内和国外的几台机器人下了太平洋几乎所有的弧后盆地的热液区和冷泉区，以及西南印度洋的热液区。

▲ 和“海星”配对

我们用“发现”号机器人，也就是我们中科院海洋所的机器人，还有“海星”机器人，它是我们国家第一台6000米级电力推进的机器人。 我们和它配对，在深海做天气水合物，也叫可燃冰的合成实验。

▲ 和“海龙”交流

我们还和“海龙”进行交流，“海龙”也是个机器人，它是我们国家进行大洋科考的机器人。 我们跟着“海龙”去了西南印度洋，然后在洋中脊做了各种探测工作。

▲ 和“蛟龙”一起探海

我们还和“蛟龙”进行探海，“蛟龙”号是我们国家，或者说全球现在下潜深度最深的载人潜水器。 我们已经搭载它进行了相关的联合测试工作，预计在2020年的9月份就要和它一起出海。

▲ 走出了国门

我们还走出了国门，和美国合作，我们合作对整个美国和加拿大西海岸的所有的冷泉和水合物区进行了原位的探测。

把实验室搬到海底

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我并没有把实验室搬到海底，只是带着我的探针下海了而已，那真正在海底建实验室要怎么建呢？ 我们从2016年已经开始探索，我给它起的名字叫“海洋之眼”，就像一只眼睛一样在海底盯着，盯了不长的时间，也就一年的时间。

▲ 海洋之眼-I

图中可以看到冷泉生态群落有巨大的变化。可以看到潜铠虾从无到有，从有到多、变少。

我做的实验是水合物的合成实验，可以发现里边的盐度的变化在375天就特别的巨大。 我们在2020年的6月份，在疫情比较严重的时刻进行了一个科考，克服了各种困难。 我们把第三代系统放到了海里，这个系统特别复杂，光耐压舱就有7个，装了各种传感器然后进行了一个相关的实验。

▲ 海洋之眼-III

并不是说我只是去观测深海的东西，而是要在深海做各种实验。 但是里边并没有我们的拉曼系统，没有各种光谱的系统，更多的还是一些电化学传感器和普通的光学图像。

我未来的梦想是什么呢？就是要在深海建立一个光谱学的实验室。这个实验室不只使用我刚才讲的拉曼探针或者拉曼光谱技术，还要把深海的激光诱导击穿光谱技术、荧光光谱技术、红外光谱技术，这些所有的光谱技术放在海底。

干什么呢？ 去观测海洋的变化，去做一些实验。 好处是什么？ 因为是光，它不会破坏那些生物生存的环境，我只需要打一束光过去，就可以得到我需要的信息。 这个梦想的实现，离不开我们国家现在日益强大的科研实力。

这是我们的“科学”号科考船，我在这条船上已经工作了接近8年的时间。 它就像我们的母亲船一样，可以带领我们做各种深海实验。

希望各位同学以后可以加入海洋，探索深海。

文章转载自“格致论道讲坛”公众号