深淵到底是生命的禁區，還是綠洲的起源之地？為了尋找地球生命的極限，科學家們乘坐載人潛水器，前往深海秘境一探究竟。在嚴酷無比的環境中，這些生物竟然演化出了百毒不侵的「保命技巧」…
出品：格致論道講壇
以下內容為中國科學院深海科學與工程研究所研究員杜夢然演講實錄：
大家好，我是杜夢然，來自中國科學院深海科學與工程研究所。今天我想與大家一起分享深海的故事。
深海，我想大家可能對它既熟悉而又陌生。過去人類無法進入深海，只能靠憑空想象創造出許許多多的深海神話和科幻電影，然而真實的深海海底到底是什麽樣子呢？今天，我就請大家一起跟隨我們的深海載人潛水器，到不同的深海秘境一探究竟。
逼近海底最深處的歷程
首先我們一起來了解一下深海載人潛水器的發展歷程。
遠在16世紀，人類就已經開始了對潛水服的研究；在17世紀末的時候，人類就發明出了潛水鐘；在19世紀的時候，又把它演化為潛水球。自此之後，全世界就開始迅速掀起了對載人潛器的探索，一直到1961年，它首次成功地把兩人帶到了萬米的海底——人類首次萬米深潛在海底停留了20分鐘。然而，一直到了51年後的2012年，萬米海底才迎來它的第3位人類朋友。我們可以看到，在載人潛水器發展的300余年歷程中，已經有12人到過月球、有500多人到過太空，然而卻只有3人成功到達了萬米海底。
▲萬米深潛困難重重
難道萬米深潛比深空探索更加困難嗎？答案恐怕是肯定的，因為要下潛到萬米，我們要克服重重的困難，它涉及到了太多不同領域的尖端技術。
比如我們首先需要克服的是超高壓力所帶來的困難。在深海裏每下潛10公尺便會增加1個大氣壓，下潛到萬米海底就需要承受1000個大氣壓 ，它相當於每平方米需要承受1萬噸的壓力，因此我們就需要研制出既有高強度又有高韌性的鈦合金耐壓材料。
接下來，為了潛水器能夠下得去、上得來，我們還需要去研制出品質足夠輕，同時吸水率又足夠低的浮力材料；我們的潛水器要在水下工作，還需要能源，那麽如何研制出既有高安全性，同時又有高能量密度的深海電池，又成了另一項技術難題；除此之外，還有一系列的諸如水下通訊、導航、定位等等關鍵技術需要我們去一一攻克。
2020年11月10號，中國自主研制的全海深載人潛水器「奮鬥者」號抵達了全世界最深點——海平面以下10909公尺的馬利安納海溝挑戰者深淵，創造了中國載人深潛的新紀錄。這是國際上首次同時將3人帶到萬米的海底，也是國際上首次實作萬米海底的高畫質視訊直播。
如果說深淵曾經是深海科學研究的無人區，那麽「奮鬥者」便使得這條通往深淵海底的10公裏道路成為了坦途。因為我們有了載人潛水器，才有機會真正進入深海，才能夠下潛到南海去見識婀娜多姿的冷水珊瑚和神奇的冷泉綠洲；才能夠下潛到西南印度洋熱液區，去體驗深海之下的水深火熱；才能夠下潛到馬利安納海溝，目睹神秘的萬丈深淵。
在20世紀70年代末，海洋科學家透過研究發現，海底竟然是「漏」的：一種是在大洋中脊和斷裂帶上。這是由於在海底有大量的裂隙，巨量的海水沿裂隙下滲，又受深部熱源的加熱作用，便會溶解地球深部的金屬等元素，再從洋底噴出，如同煙囪一般十分壯觀。它們的流體溫度可以高達400℃，因此被稱作深海熱液。
還有另外一種通常發生在大陸棚的邊緣，它是由於水合物不穩定發生分解等原因，釋放出甲烷以及其他的烴類瓦斯，因此被稱作深海冷泉。
深海熱液和深海冷泉可以把地球深部的物質和能量源源不斷地輸入到貧瘠的海底，因此孕育了非常獨特的深海冷泉和熱液生態群落，就如同沙漠裏的一片綠洲。
生機勃勃的海底生命世界
在2018年6月份，我非常有幸地跟隨著「探索一號」科考船和「深海勇士」號載人潛水器，來到了南海的一處冷泉區進行科學考察。
我們的「深海勇士」每次可以帶3人一起下潛，一般是兩名潛航員帶一名科學家。我們在水中的工作時間大約為8個小時，所以我們一天的吃喝拉撒都需要在這個直徑為2公尺的鈦合金球艙裏來解決。
潛水器會配有一套完整的生命支持系統，以此保證下潛人員的水下作業安全。它還配有聲納系統、導航系統、定位系統等等，使它在水中能夠自主航行。除此之外，潛水器還能夠與水面之間進行高速的水聲通訊，即時傳輸水下的文字、語音以及視訊等，這樣就使得我們的母船能夠隨時知道潛器在水下的狀態。
這是我第一次跟隨「深海勇士」號進行下潛，也是我第一次目睹冷泉生物的盛況。很難想象，在水深1000多米完全沒有光的深海，竟然是一片生機盎然。
那麽，這裏的冷泉生物是如何解決它們的吃喝問題的呢？在大家都看不到可見光的深海，沒有了光合作用的條件，這裏的微生物透過攝取冷泉流體滲漏出來的化學物質，從化學反應中獲取能量，合成有機質來供自己生長。我們把它稱之為「化能自營微生物」。
這種黑暗世界裏的初級生產者又能夠進一步供養比它們更高一級的生物，例如說像貽貝、鎧甲蝦、管狀蠕蟲、螠蟲等等。冷泉流體滲漏就提供了這樣一個「自助餐」式的深海環境，使得這些冷泉生物能夠在這裏過得飲食無憂。
然而隨著冷泉滲漏強度由強到弱的變化，這些冷泉生物群落也會隨之發生結構性的改變。我們在上面介紹的海馬冷泉的東北方向還發現了另外兩處新生的冷泉區。這裏可以看到更加明顯的裸露水合物。這裏的流體滲漏強度也是更加劇烈的，但是我們在這裏僅觀察到了非常少量的生物。這裏能否支撐起像海馬冷泉一樣的生態群落還有待我們進一步的研究。
遍訪世界各大洋是所有海洋科學家的夢想。2018年11月，我們又迎來了一個激動人心的航次——在南半球的西南印度洋熱液調查航次。
這是一片被西南季風籠罩的海域，大部份時間浪高超過4公尺，風速超過28節，這樣的惡劣海況讓潛水器的每一次布放和回收都變得驚心動魄。
海底的景象同樣也是驚心動魄的。在水深接近2800多米的龍旂熱液區，燈光所及之處，煙囪林立、黑煙滾滾，可見度非常非常低。我們的潛水器需要非常小心翼翼地在煙囪林裏穿行，否則一不小心就很有可能撞到這些煙囪，或是被高溫流體所灼燒。
然而在這樣一個看似嚴酷無比的深海環境條件下，生命皆以各種意想不到的方式頑強生存。我們可以看到，在中印度洋的這兩處熱液煙囪壁上，密密麻麻布滿了盲蝦，它們可謂是真正生活在「水深火熱」之中。然而生活的困難還不止於此，它們還需要在去尋找食物的路上盡可能躲避海葵的吞食，否則一不小心就會成為海葵的盤中餐。
這裏的生物也是與開闊大洋或者冷泉完全不一樣的。比如像這種無口無肛門的管狀蠕蟲、無眼的盲蝦、穿鐵靴的蝸牛、嗜熱的基瓦多毛怪——雪人蟹……可謂是一方水土養一方「人」。這種穿鐵靴的蝸牛，其實就是它們為了適應高溫環境而演化出覆鐵的麟角，它們甚至可以根據不同的化學環境，給自己穿上不同型號的靴子。
除了宏生物，這裏的熱液微生物更可謂是百毒不侵。它們可以生吞下鐵、吃下有臭雞蛋味道的硫化氫、耐受高溫甚至嗜好高溫。還有一種有著特異功能的光養型微生物，在無法利用可見光的深海，它們演化出一種能夠吸收利用熱放射線的能力，可謂是戰士中的鬥士。
深海之下還有另外一處秘境，我們喜歡叫它「冷水珊瑚花園」，在水下幾百米到6000多米的地方都發現。與我們所熟知的暖水珊瑚不一樣的是，冷水珊瑚不依賴陽光，也不需要與單細胞藻類共生，它們以海水中的浮遊生物和沈降有機質為食。
▲最常見的冷水珊瑚——柳珊瑚
最常見的冷水珊瑚是柳珊瑚，觸手多為八放型，它們的骨骼也是以碳酸鈣為主。其中最為常見的是經常被我們稱作海洋活化石的竹節柳珊瑚，它擁有著長達上千年的生命周期，也有著像樹木一樣的年輪。它們的年輪中記錄著曾經經歷過的溫度等環境變化，因此是一個非常好的古地質溫度計。
我們在南海進行下潛的時候，還發現了一大片珊瑚骨骼化石，其中的一處珊瑚化石據分析可能曾經生活在距今14000年以前。因此，我們可以利用在世界各大洋采集到的冷水珊瑚以及化石樣本，幫助建立起世界大洋滄海巨變的框架。
▲披著「彩色外衣」的黑珊瑚
在深海之中還有另外一種型別的冷水珊瑚，它們的觸手多為六放型，也擁有著多種多樣的形態和表觀顏色。但是因為它們的骨骼通常都是以有機質為主，呈現出黑色，所以我們把它稱作為黑珊瑚。
冷水珊瑚的發現給我們帶來了很多問題。比如在深海之下是無光的，深海生物之間並不需要看見彼此，像深海魚往往是白化和視覺退化的，但是冷水珊瑚為什麽要給自己披上彩色的外衣？又是什麽樣的生理機制驅動著它們需要擁有色彩？我們又該去如何譜寫冷水珊瑚的家族譜？
這些問題我們現在其實還沒有辦法給出答案，我們也非常期待在不久的將來，能夠透過深潛找到答案。
深淵生命之謎
科學上的深淵是指水深超過6000公尺的區域，全球總共有37條深淵，其中有5條超過了萬米。深淵也是地球系統上最為神秘的系統之一，因為這裏有著低溫、超高壓、黑暗無光、地震頻發等特點。深淵到底是生命的禁區，還是生命的起源之地？地球生命的極限在哪裏？它們適應極端環境的機制又是怎樣的？
▲深淵是怎麽形成的？
我們要想回答這些問題，首先需要搞清楚深淵是怎麽形成的。深淵的形成是兩個板塊發生碰撞的結果。以馬利安納海溝為例，它是由於太平洋板塊俯沖插入到亞歐大陸板塊之下的碰撞，形成了全球最深點——馬利安納海溝挑戰者深淵。
這樣的碰撞會在海底造成大量的裂隙，就好比把地球的深部撕開了一個個大大小小的口子。因此巨量的海水得以下滲到巖層的深處，同時受深部熱源的加熱，不斷地淋濾出巖石中的金屬、碳等元素。由於流體的密度和浮力的改變，它們又會再從洋底噴出，以熱液或者是泥火山的方式釋放出來。恰恰是由於這樣的底部流體釋放過程，給深淵底部帶來了大量的碳等營養元素，對孕育深淵底部的生物群落是至關重要的。
▲全球每年有數百萬噸的碳在深淵「消失」
我們對於全球深淵俯沖帶的碳迴圈研究發現，每年俯沖進入到深淵的碳，底部埋藏的碳和再迴圈釋放的碳並不平衡，也就意味著每年有上百萬噸的碳消失在了深淵俯沖帶。這些碳去哪兒了？
我們在馬利安納弧潛區下潛的時候，意外地發現了一片大型的碳酸鹽巖山脈。根據我們目前的分析推斷，這些山脈是淺層流體再迴圈的結果，意味著或許在全球的深淵俯沖帶中，埋藏了大量的我們還沒有發現的碳。如果這一發現被證實，意味著我們找到消失的這些碳，也為全球的深淵碳迴圈失衡問題找到了答案。
我們之所以關心碳，是因為碳對於地球生命是至關重要的。關於地球早期生命的起源，有一種學說認為地球早期的生命體發生在深海，很有可能就發生在深淵。這是由於在深淵俯沖帶的深部，由於高溫高壓下的水巖反應，會反應釋放出氫氣和二氧化碳。它們進一步反應生成甲烷以及有機小分子。這樣一個由無機到有機的過程，就為地球早期初始生命體所需要的必要碳質元素提供了關鍵基礎。
雖然這一假說目前還沒有得到充分的證實，但是我們在深淵俯沖帶的一些最新的發現或許能夠提供一些線索。我們透過載人潛水器在俯沖板塊上發現了目前全球已知最深的泥火山。
並且這裏的深淵生命在地下14公裏處仍能存活——這裏很有可能就代表了全球最深的深部生物圈。
因為深淵環境有著低溫、超高壓等極端環境特征，這裏的生物無論是生理機能，還是形態等各方面，都發生了適應力的改變。
這是我們目前人類已知生存最深的魚，我們把它叫做深淵獅子魚。深淵獅子魚可是個狠家夥，為了適應這裏的超高壓力，它們把自己硬硬的魚骨變成了軟骨，頭顱也開啟以實作內外壓的平衡。此外它們還透過調節體內的抗壓物質來適應高壓。但是這種抗壓方式的極限也就只有80兆帕左右，相當於在水下8000多米處的靜水壓力，所以深淵獅子魚的深潛之路也就只能止步於此。
在萬米的海底，我們觀察到的生物就只有海參、鉤蝦和多毛類。這些宏生物為了適應極高壓力的萬米海底，可謂是各顯神通。比如海參它們會把個體縮小、通體白化透明，甚至把支撐軀幹的骨針都退化掉；深淵鉤蝦更是從骨架蛋白、粒線體蛋白的特異性調控方面來適應高壓。除此之外，這些宏生物的共生微生物還透過為宿主提供營養以及免疫防禦等方式，幫助這些生物能夠安然以萬米為家。
這裏的深淵微生物可謂是練就了一身「絕處逢生」的本領——它們可以降解掉難降解型的有機質，甚至轉化有毒金屬為自己所用。這種愛啃硬骨頭的本事也使深淵微生物的新穎性指數在水深越深的地方反而越高。
▲「長毛」的巖石
除了水體和沈積物，它們連巖石都不放過。我們在萬米海底發現了全新的巖棲動物區系，這種看似「長毛」的現象其實是在巖石表面生長的一種原生生物，代表了未被認知的深淵新物種。
我們甚至在巖石內部都觀察到了不同型別的微生物，它們絞盡腦汁地去利用巖石內部的各種元素來形成不同型別的菌席，就好像油畫一般。由此可見深淵生命的頑強。
深淵中也蘊藏著獨一無二的基因資源、化合物資源有待我們進一步的研究和開發。
關於深淵，還有一個問題特別地值得一提。我們發現深淵已經不再是一片凈土，我們在水體、沈積物甚至在深淵生物的體內都發現了有諸如微塑膠、POPs（永續性有機汙染物）和甲基汞等人為汙染物，並且這些深淵環境對人為汙染物還有著明顯的累積和放大效應。
目睹海上絲綢之路的沈船
如今，載人潛水器已經帶著我們下潛到了世界大洋的很多地方。每一次下潛，每當艙口蓋關閉的一刻，就仿佛又重新為我開啟了一扇新的通往未知世界的大門。在我跟隨「深海勇士」號500潛次下潛的時候，就「穿越」回了500年前。
▲一號沈船：數十萬件外銷瓷器
我們在南海西北陸坡一處水深1500公尺的區域發現了一艘大型的古代沈船，這艘沈船的體型以及物品規模都遠超我們過去所見。這艘沈船所攜帶的貨物主要以外銷的瓷器為主，我們可以看到這些色彩絢麗的琺華器。這些瓷器的散落範圍達上萬平方米，推測數量有數萬件，初步判斷時代為明朝正德年間。
▲載人深潛開啟深海考古新篇章
在今年(2023年)的5月20日，我們在一號沈船的核心堆積區附近布放了第一個沈船水下永久測繪基點，正式開啟了這艘古代沈船遺址的考古調查工作。我們希望透過一系列新技術、新裝備的加持，能夠逐漸揭開海上絲綢之路的神秘面紗。
科學家的使命在於探索未知，而載人潛水器就是通往歷史和未來的時光機。在深海深淵之下，依然存在著許多的謎題等待我們一一破解。
謝謝大家！
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