本文來自微信公眾號： 格致論道講壇 ，作者：張鑫，原文標(biāo)題：《“海底食堂”時有時無，可靠它吃飯的生物為什么一點也沒餓著？｜張鑫》

大家好，我是張鑫。今天再次來到格致論道，我非常開心。

在2020年我就來過格致論道，當(dāng)時我講的是把實驗室搬到海底。我還定了個flag（目標(biāo)），要再做一個光譜學(xué)實驗室。這是什么概念呢？就相當(dāng)于我在海底建了一個房子，但當(dāng)時這個房子還沒有裝修。于是，我就開始攢錢裝修。攢了四五年后，現(xiàn)在初步實現(xiàn)從家徒四壁變得終于有了一點點光了。

那為什么這么著急地想在海里建這么一個房子呢？原因很簡單：在海底，我們可以看到很多在陸地上看不到的東西。

海底到底有什么“寶貝”？

已完成：10%//////////

我研究的工作主要是針對海底的流固界面。流固界面聽起來很高大上，其實很簡單，就是海水與海底泥巴之間的界面。在這個界面里，除了泥以外，還有海底的熱液和冷泉，構(gòu)成了獨特的生態(tài)環(huán)境。

這個環(huán)境和陸地上依賴光合作用的環(huán)境不太一樣，而是用海底噴出的甲烷和硫化氫來維持的，還可以形成可燃冰?？扇急粌H是未來的清潔能源，還可以供養(yǎng)生命。可能地球上的早期生命就是從深海中誕生的。這就是我為什么這么著急要在海底建一個光譜實驗室的原因。

剛才展示的畫面都是從2014年開始，中國科學(xué)院“科學(xué)”號科考船在海底拍攝的影像，這些影像也記錄了我參與航次的工作。

那在海底建實驗室以前，我們是怎么研究的呢？首先，我要取樣。把樣品取回來之后，在實驗室進(jìn)行分析。但分析之后發(fā)現(xiàn)，所有的數(shù)據(jù)都不準(zhǔn)了。

大家可以想象一下，你手里如果有瓶可樂，打開瓶蓋放上半個小時再喝，它的味道就不一樣了。原來喝的時候是一種很爽的感覺，等放完了之后，里邊的二氧化碳全部釋放出來，就變成了一杯普通的甜水，很不好喝。

那還有沒有別的研究方式？用電化學(xué)傳感器可不可以？但在長期工作中，電化學(xué)傳感器并不是一種特別穩(wěn)定的方式。

那我們該怎么做呢？就是剛才說的，我的夢想是做一個光譜實驗室，把它放到海底。

▲單一光譜無法包打天下

具體來說，我需要把3種光譜技術(shù)融在一起。為什么要融？并不是為了融而融，而是因為每種光譜技術(shù)都有不同的特征。比如，拉曼光譜（Raman）可以測氣體，像二氧化碳、甲烷，還可以測陰離子。而激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）可以測各種元素，比如鉀、鈣、鈉、鎂等。至于生命起源相關(guān)的（有機(jī)物）研究，我們則會用到熒光光譜（LIF）。

▲深海原位Raman_LIBS_LIF（RaLL）多光譜儀

那能不能直接把這3個光譜都放到海底呢？不行，因為每個光譜儀都上百公斤重，整個系統(tǒng)的載荷根本承受不了。于是，我們創(chuàng)新性地用一套光學(xué)系統(tǒng)，解決了把3個光譜儀湊在一起的問題。我們還研發(fā)了很多新技術(shù)，比如光子芯片等。最終，我們成功研發(fā)出了深海RaLL光譜儀，把拉曼、LIBS和熒光三種技術(shù)融在了一起，裝到了一個罐子里。有了這個“金剛鉆”，我才敢去攬這個海底實驗室建設(shè)的“瓷器活”。

那做這個瓷器活，除了金剛鉆以外，還得有裝金剛鉆的東西，對不對？我們做的深海原位光譜實驗室，除了光譜儀本身，還有深海著陸器平臺，以及布放在它上邊的控制系統(tǒng)、輔助光學(xué)傳感器及光學(xué)攝像裝置。有了這些東西，相當(dāng)于我們已經(jīng)在實驗室搭好了平臺。

那我要怎么把實驗室布放到海底呢？畢竟水深可能達(dá)到幾千米。我們“科學(xué)”號科考船上有一個?纜控水下機(jī)器人（ROV），叫“發(fā)現(xiàn)”號。“發(fā)現(xiàn)”號就像我的小助手一樣，可以把我設(shè)計的深海著陸器平臺上的所有探針布放到不同區(qū)域，每個區(qū)域做不同的實驗。這樣一來，就相當(dāng)于我用ROV機(jī)器人輔助布放了一個海底原位實驗室。有了這個實驗室，我們就可以開展很多不需要人為干預(yù)、真正還原海底環(huán)境的實驗。

這就是我們布放后的結(jié)果。這個一鏡到底的畫面就來自我們的ROV機(jī)器人。它把一個光譜探針從深海著陸器上拉到了冷泉噴口。現(xiàn)在噴出來的流體就是冷泉。你可以看到那個“飯盒”里被綠光照亮的地方，那就是我們的光譜探針。綠光就是我們發(fā)出的光譜信號，照亮的區(qū)域就是冷泉的流體，也就是甲烷形成的水合物。這些水合物就像是海底生命的“面包”，因為這些生命是靠甲烷活著的。所以通過這些信號，我們就可以看到海底生態(tài)系統(tǒng)的變化。

那么，這個原位的光譜實驗室到底能研究什么呢？我們可以研究海底的水巖反應(yīng)過程，特別是熱液的水巖反應(yīng)過程，以及它形成這些資源的機(jī)制，比如多金屬硫化物資源及其他相關(guān)資源，進(jìn)而研究這些資源與水巖反應(yīng)之間的關(guān)系。

然后，我們還可以布局不同的實驗體系。比如對于冷泉來講，我們可以研究可燃冰與環(huán)境之間的相互關(guān)系，以及冷泉生態(tài)系統(tǒng)為什么可以在海底長期存活等現(xiàn)象。

這些內(nèi)容比較概括，大家可能聽起來會一頭霧水。接下來，我就用一個實驗的效果來給大家講一講。

冷泉里藏著“緩釋膠囊”？

已完成：40%//////////

說這個實驗效果之前，我們要明確一個概念：冷泉。我們剛才講了，它是甲烷從海底噴出形成的泉。

其實，冷泉是一種間歇泉。就是它今天在這兒噴，明天可能在那兒噴，后天又在另一處噴，甚至大后天可能完全不噴了，最后又回到原來的地方噴。既然冷泉的噴口這么不穩(wěn)定，那它的生態(tài)系統(tǒng)是不是也要跟著冷泉的噴口而變化呢？這些生物是不是要像陸地生物擇水而居那樣，擇甲烷而居呢？

▲Lessard-Pilon et al.,2010,Deep Sea Research Part I

其實非也。從1992年、2006年、2007年等多年的歷史數(shù)據(jù)已經(jīng)證實，冷泉的生態(tài)系統(tǒng)是相對穩(wěn)定的。這就產(chǎn)生了一個悖論：冷泉的噴口是間歇性的，就像今天喂你食，明天不喂，后天又不喂，但冷泉生態(tài)系統(tǒng)卻還能活得好好的。那么，到底是誰在偷偷摸摸給這些生物“喂食”呢？

這個問題從我美國讀書時就開始思考，回國內(nèi)從2014年開始出海，十幾年的工作經(jīng)驗讓我們一直在猜測：到底是誰在起到穩(wěn)定冷泉生態(tài)系統(tǒng)的作用？我們想，唯一可能產(chǎn)生變量的就是可燃冰，也就是天然氣水合物。所以我們提出了一個假說，我們叫它“可燃冰假說”。什么意思呢？就是可燃冰在中間起到了一個“緩釋膠囊”的作用。

▲Zhang et al.,Earth and Planetary Science Letters,2023

于是，我們設(shè)計了一個原位實驗，就像右上方這張卡通圖一樣，這是我們的設(shè)計圖。而下邊這個就是我們實際的布局圖，也就是視頻里給大家看到的場景。

那么，這個實驗的效果如何？有圖有真相。大家可以看一下，這是我們用延時攝影的方式拍攝的。上邊的時間是以2個小時為單位，也就是每2小時開機(jī)拍攝一次。大家可以看到，冷泉有的時候在噴，有的時候不噴，有的時候噴得劇烈，有的時候則基本停滯，噴口的位置也不一樣。這個視頻證實了什么呢？它證實了冷泉的噴發(fā)的確是不穩(wěn)定的。

然而，這只是一個圖像。如果我要寫科學(xué)論文，可能僅憑這個視頻是不夠的。那用什么來證實呢？用我們的光譜儀呀。

▲Zhang et al.,Earth and Planetary Science Letters,2023

我剛才說了，拉曼光譜可以測甲烷的含量，當(dāng)然它也可以測海水成分。這張圖看著很復(fù)雜，但沒關(guān)系。你可以這樣想象：那些胖胖的、圓潤的峰是水的峰；而在左側(cè)那些長得比較尖的峰則是甲烷水合物或甲烷的峰。

在短短十幾天的時間里，它經(jīng)歷了5個階段。這是什么概念？在十幾天內(nèi)這個點上發(fā)生了5次噴發(fā)和不噴發(fā)的循環(huán)。通過這種方式，我們用真正的科學(xué)數(shù)據(jù)證實了冷泉確實是一種間歇泉。

那冷泉生態(tài)系統(tǒng)到底穩(wěn)不穩(wěn)定呢？那我們有幾十萬張視頻截取的照片，上面截取的是鎧甲蝦（也叫潛鎧蝦）的場景，我當(dāng)然不可能靠自己去數(shù)。所以我派AI這個小助手幫我數(shù)，也就是下圖。AI數(shù)出來的結(jié)果顯示，在我剛才說的十幾天的5個變化周期內(nèi)，生物的數(shù)量是穩(wěn)定的。也就是說，冷泉生態(tài)系統(tǒng)中的生物是穩(wěn)定的。

▲Zhang et al.,EPSL,2023

再看這張圖，看不懂沒關(guān)系，但下邊變化特別大的曲線代表冷泉口的噴發(fā)情況。而上邊那些經(jīng)過各種濾波處理后很平穩(wěn)的曲線，就是冷泉周圍生態(tài)系統(tǒng)生存環(huán)境中的物理和化學(xué)參數(shù)。這些數(shù)據(jù)證實了什么呢？證實了冷泉生態(tài)系統(tǒng)真的很穩(wěn)定：生物穩(wěn)，數(shù)據(jù)也穩(wěn)。

▲Zhang et al.,Earth and Planetary Science Letters,2023

而且當(dāng)冷泉噴發(fā)時，各種氣體往外冒，同時在淺表層以及流固界面，也就是水和巖石界面會形成大量的可燃冰。我們可以把這看作是一個“充電過程”，就像“電容器”一樣。在這個過程中，你可以看到“白云”特別多，這正是可燃冰形成的現(xiàn)象。

▲Zhang et al.,Earth and Planetary Science Letters,2023

然而，當(dāng)噴口由于各種原因堵塞之后，情況就變了?？扇急姆€(wěn)定環(huán)境需要低溫、高壓和過飽和的甲烷。噴口堵塞了，周圍海水的甲烷濃度變得很低。這時候，淺表層的可燃冰就像一個“緩釋膠囊”，慢慢地把甲烷從可燃冰的結(jié)構(gòu)中釋放出來，變成溶解態(tài)，進(jìn)而供給生態(tài)系統(tǒng)。

這就是一個很完美的科學(xué)假說驗證過程。我們自己提出來一個科學(xué)假說，自己研發(fā)了一套裝置，并在深海設(shè)置了一個原位光譜實驗室去驗證這個假說。這是一個標(biāo)準(zhǔn)的自然科學(xué)、高技術(shù)加上我們國家現(xiàn)有能力相結(jié)合才能做的工作。

發(fā)現(xiàn)全球最大的熱液噴發(fā)群

已完成：70%//////////

大家平常在新聞里，可能更耳熟能詳?shù)氖禽d人潛水器，比如我們的“奮斗者”號。作為一名無人潛水器的倡導(dǎo)者，大家看到了，我自己根本不需要下海，可以派我的ROV機(jī)器人下去。不過，ROV機(jī)器人有一個最大的問題，那就是那根纜線。所以它下不到6000米以下的深度，這是現(xiàn)在國際上還沒有解決的問題。所以，如果我們要去海溝，真的需要用載人潛水器。

有一次機(jī)緣巧合之下，我視為兄長的孫衛(wèi)東老師拿到了我們國家第一個載人深潛的重大科考航次。但孫老師是個旱鴨子，從沒下過海。他跟我說，他要去馬里亞納海溝，那里有我喜歡的弧前蛇紋巖產(chǎn)生的熱液。他希望我能跟他一起去，我答應(yīng)了。

后來，由于眾所周知的原因，我們暫時去不了馬里亞納海溝了。他選了一個備選方案。他做的科學(xué)問題是關(guān)于地球板塊的俯沖起始機(jī)制，于是他找了一個替代的海溝。但是，這個海溝是一個夭折的俯沖。所謂夭折俯沖，就是它現(xiàn)在已經(jīng)不動了，所以并不會產(chǎn)生剛才說的那種熱液現(xiàn)象。

盡管如此，既然我已經(jīng)答應(yīng)了，我就決定跟他出趟海，做一個技術(shù)支持。我跟他說，我可以出海，也可以幫他協(xié)調(diào)船上的一些事情，但我會不下潛。因為我是無人潛水器的倡導(dǎo)者，不愿意到載人潛水器里下潛。其實，我心里也有點幽閉恐懼癥。另外，大家也可以想象一下，從早晨七點多開始下水，到晚上七點多才回來，整整12個小時。不吃不喝我還能接受，但人的“三急”也是一個問題。所以我當(dāng)時就下定決心，打死也不下潛。

但大家看一下這張照片，當(dāng)我真的下潛時，笑得很開心。中間是孫老師，笑得最開心的是我。這里先抖一個包袱：我原本是堅定的不下潛者，可為什么最后還是下潛了？

我是這個航次的最后一潛。下潛之后，兄弟們給我準(zhǔn)備了“十全大補(bǔ)湯”。這是我們載人潛水器的傳統(tǒng)，回來之后，要給你做一個洗禮，象征你已經(jīng)像勇者一樣完成了挑戰(zhàn)。不過，“十全大補(bǔ)湯”是我的特例，大家最多是六全，也就是準(zhǔn)備了六種味道，像孫衛(wèi)東最開始的時候只是一種味道——純水。而到了我這兒變成了十全，十全十美嘛！孫老師給我潑的應(yīng)該是醬油，我猜的?；旧希夏苷业降乃姓{(diào)味品都在我身上體現(xiàn)出來了。澆完了之后，我覺得我進(jìn)鍋里煮一煮，就是一鍋很好的湯。

那么，究竟是什么讓我這么開心地下潛，還這么開心地被澆了“十全大補(bǔ)湯”呢？

這是因為我們顛覆了很多科學(xué)認(rèn)知。大家看這些噴出的流體，這是在我們的認(rèn)知體系里原本認(rèn)為不可能存在熱液噴發(fā)的地方，我們發(fā)現(xiàn)了到現(xiàn)在為止的全球最大的（含氫氣）熱液噴發(fā)群——麻坑群。它的直徑可達(dá)公里級，深度可達(dá)300米，孕育了很多生命。

當(dāng)我們獲得這些影像后，我們預(yù)測這可能是繼“阿爾文”號發(fā)現(xiàn)酸性熱液噴口之后，從全球范圍來講載人潛水器的又一重大發(fā)現(xiàn)。這個地方可能是堿性噴發(fā)，而堿性噴發(fā)被認(rèn)為是地球生命起源的最大可能。那么，到底酸性還是堿性，我們必須加以證實。

這就促使我又把光譜儀拿了出來。本來，我?guī)Ч庾V儀上船是為了在實驗室里鑒定石頭的。然而，我們用了4個晝夜的時間，在“奮斗者”號所有潛航員的支持下，改裝了這個光譜儀。

最后我們改裝的結(jié)果是，它可以在“奮斗者”號上使用了。這樣一來，我們就有可能用光譜的形式，證實我們剛才的假說：這是一個堿性的、含氫氣的噴口。

那實際的應(yīng)用效果如何？我那次下潛是“不見兔子不撒鷹”的。我說了，只有光譜儀準(zhǔn)備好了，我才會下潛。當(dāng)時我認(rèn)為光譜儀可能不太靠譜，因為之前根本沒調(diào)試過。沒想到最后一夜，光譜儀真的調(diào)試成功了，然后我就不得不下潛了。

那次下潛的感覺就像愛麗絲夢游仙境一樣奇妙。我坐在“奮斗者”號的舷窗旁，外邊就是那種流體，只隔著一層厚厚的柔性玻璃。這種身臨其境的感覺，和我坐在ROV控制室里看屏幕的感覺完全不同。就像汪品先院士說過，他下潛到南海時，用“深海勇士”號，也覺得那是仙境。

除了奇妙的感覺以外，我還用自己的光譜探針去探測流體，用拉曼光譜證實了噴出的流體都含氫氣。大家知道，氫氣是除了甲烷以外的另一種清潔能源。它還有一個好處，可以助力我們實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，因為氫氣燃燒后只會產(chǎn)生水。

現(xiàn)在有很多的制造氫氣的方式，用在了包括氫能源汽車上。但地球到底有沒有自然的氫氣，也就是所謂的“金氫”呢？已經(jīng)有很多研究在探討這個問題了。而我們這次的發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該是到現(xiàn)在為止全球已知的最大規(guī)模的海底氫氣噴發(fā)。

無論是我們的“科學(xué)”號，還是“奮斗者”號，都離不開我們國家強(qiáng)大的科技實力和擔(dān)當(dāng)精神。正是憑借這些，我們才能造出這樣的大國重器。我們不僅可以解決科學(xué)前沿的問題，更可以聚焦國家的重大戰(zhàn)略需求，比如資源和能源的需求，去探索未知的深海，去探索未知的人類空間。

謝謝！