作者：張雄 張?chǎng)危ǚ謩e系中國科學(xué)院海洋研究所博士研究生，研究員）

　　寂靜深海下的永凍土中，蘊藏著(zhù)一種獨特的天然氣水合物——可燃冰。它是甲烷在極端的冷與壓之下，被水分子緊緊擁抱，形成的如同宇宙塵埃凝結的閃亮冰晶。因其存在，這里孕育出一個(gè)比科幻小說(shuō)還要奇異的生命舞臺——深海冷泉區。地球內部的化學(xué)魔法師——硫化氫與甲烷，不斷涌出，為深海“居民們”舉辦了一場(chǎng)絢爛的能量盛宴。這些生命體，不依賴(lài)陽(yáng)光，卻能在化學(xué)反應的魔法下茁壯成長(cháng)，構建出一個(gè)完全獨立于陽(yáng)光的“異世界”。

　　可燃冰和它周?chē)纳鷳B(tài)“舞者”們，共同演繹了一出生命力與自然奇跡共存的宏大史詩(shī)。它不僅擴展了我們對地球生命多樣性的理解，還激發(fā)了科學(xué)家們對宇宙生命可能性的無(wú)限遐想：在遙遠星球的某個(gè)角落，是否也有著(zhù)這樣的生命奇觀(guān)？

　　1、藏在海底深處的生命綠洲

　　海底并不是一無(wú)所有的荒漠—設想一次潛水旅行，帶你穿越到深海的幽暗深處，那里隱藏著(zhù)一個(gè)令人眼花繚亂的生命綠洲“冷泉生態(tài)系統”。這不是普通的泉水，而是深藏在海底的神秘力量源泉—可燃冰。這些不同尋常的冰塊，在特定條件下解體，宛如深海中的魔法師，釋放出神秘而強大的流體。這些看似平凡的流體，其實(shí)攜帶著(zhù)點(diǎn)燃深海生命之火的秘密元素：甲烷、硫化氫和二氧化碳。

　　在這個(gè)遺世獨立的海底王國中，生活著(zhù)一群不同尋常的居民—化能合成微生物。它們如同潛水船下的魔術(shù)師，將看似毫無(wú)生命跡象的物質(zhì)轉化為神秘的生命能量。這些微生物不依賴(lài)陽(yáng)光，只需吮吸冷泉釋放的化學(xué)精粹即可茁壯成長(cháng)，成為這片深海綠洲的守護神，維系著(zhù)整個(gè)生態(tài)系統的生命之輪持續轉動(dòng)。

　　但深海冷泉的神奇遠不止于此。它是一個(gè)生物多樣性的寶庫，挑戰著(zhù)科學(xué)家們探索生命極限的勇氣和智慧。冷泉生態(tài)系統顛覆了我們對生命能夠存在的環(huán)境的傳統認知，展現了在遙遠深海，生命如何利用化能合成技巧，在沒(méi)有陽(yáng)光的環(huán)境中繁衍生息。從微小的微生物到依賴(lài)它們的復雜生物體，如管蟲(chóng)、貽貝，冷泉生態(tài)系統構建了一個(gè)錯綜復雜且自給自足的生態(tài)網(wǎng)絡(luò )。

　　特別值得一提的是，在中國南海的神秘深處，六個(gè)冷泉區域仿佛是大自然精心繪制的藏寶圖，揭示著(zhù)無(wú)盡的可能性和潛在的能源寶藏。這里獨特的地質(zhì)環(huán)境為科學(xué)家們搭建了一個(gè)完美的“自然實(shí)驗室”，使我們能深入研究冷泉生態(tài)系統的深奧，及其對地球環(huán)境造成的深遠影響。

　　隨著(zhù)深海探測技術(shù)的躍進(jìn)，從隱秘的無(wú)人潛水器到勇敢的載人潛水艇，再到精確的深海著(zhù)陸器，我們的探索手段愈發(fā)先進(jìn)。這些探測使者不僅讓科學(xué)家能夠揭開(kāi)深海的神秘面紗，還抓住了揭開(kāi)冷泉生態(tài)細節的關(guān)鍵線(xiàn)索。特別是耐久且高效的深海著(zhù)陸器，已成為深海研究的強大助力。利用這些尖端技術(shù)，科學(xué)家們實(shí)現了對冷泉區域的長(cháng)期持續觀(guān)測，收集到了開(kāi)啟新世界之門(mén)的寶貴數據。

　　中國科學(xué)院海洋研究所的團隊在深海極端環(huán)境探測領(lǐng)域取得了顯著(zhù)的成就。科研團隊開(kāi)發(fā)的深海原位監測系統在南海冷泉區的長(cháng)期作業(yè)不僅標志著(zhù)中國深海研究的進(jìn)步，也為全球科學(xué)界提供了珍貴的洞見(jiàn)和數據。這些寶貴的長(cháng)期監測成果為我們深入理解冷泉噴發(fā)的神秘過(guò)程、生態(tài)系統的化學(xué)動(dòng)力學(xué)，以及生物與環(huán)境的互動(dòng)提供了關(guān)鍵的視角。

　　2、原位實(shí)驗室，探索深海冷泉區的利器

　　借助科技的力量，如今我們能夠看到，在深海冷泉區，普通的甲烷和硫化氫化身為珍貴的化學(xué)元素，孕育了令人震驚的化能合成生態(tài)系統。在這個(gè)自然界的戲劇舞臺上，甲烷厭氧氧化古菌和硫酸鹽還原細菌成了主角，它們通過(guò)一項被稱(chēng)為甲烷厭氧氧化（AOM）的魔法過(guò)程，將化學(xué)能量轉化為維系這片深海奇境生命的能量。

　　這場(chǎng)深入海底的探險之旅，不僅對理解地球深處如何孕育頑強的生命至關(guān)重要，還為我們揭開(kāi)全球碳循環(huán)的秘密，甚至是保護珍貴的生態(tài)多樣性提供了鑰匙。然而，深海的未知與極端環(huán)境對科學(xué)家來(lái)說(shuō)一直是一大挑戰，那些錯綜復雜的生物化學(xué)反應更是讓人困惑不解的謎團。

　　在解開(kāi)深海之謎的旅程中，科研團隊已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展—成功研制出一種先進(jìn)的深海原位實(shí)驗室。這一創(chuàng )新成果是通過(guò)突破一系列關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現的，包括水下耐腐蝕技術(shù)和能源管理技術(shù)，同時(shí)還探索了新型的水下設備布放及回收模式。

　　這個(gè)多功能的深海原位實(shí)驗室裝備了一系列尖端儀器，能夠在深海極端環(huán)境中穩定工作。其裝備包括水下高清攝像機、溫度、深度和電導率測量?jì)x（CTD）、聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）、聲學(xué)多普勒流速計（ADV）、多通道原位拉曼光譜儀、高光譜儀、重力儀、磁力儀、原位通量觀(guān)測儀、海流計、二氧化碳/甲烷傳感器，以及30通道保壓流體取樣器等。

　　這些高端裝備使實(shí)驗室能夠進(jìn)行多方面的海洋觀(guān)測，包括獲取高清影像資料、近海底的理化參數測量，以及保壓流體樣本的采集。更令人興奮的是，這個(gè)深海實(shí)驗室還具備與潛水器進(jìn)行光學(xué)通信和大容量數據傳輸的能力。這意味著(zhù)，研究人員能夠實(shí)時(shí)接收到深海觀(guān)測數據，極大地提高了研究效率和數據的實(shí)時(shí)性。

　　依托深海原位實(shí)驗室，科研團隊為探索海底神秘領(lǐng)域敞開(kāi)了全新的大門(mén)。這個(gè)獨特的工具使科學(xué)家得以直接觀(guān)察冷泉流體如何在海底沉積層快速轉變?yōu)樗衔铮捌鋵χ車(chē)Φ纳钸h影響。這種前所未有的實(shí)驗方式，讓我們滿(mǎn)懷揭開(kāi)冷泉噴發(fā)與生態(tài)系統神奇共存之謎的希望，進(jìn)一步加深了我們對深海秘境及其在全球生態(tài)系統中作用的理解。

　　3、可燃冰，英雄與反派的雙重角色

　　可燃冰是深海冷泉區最重要的角色，它既是這里的英雄，也是這里的反派。

　　說(shuō)它是英雄，它就像深海的電容器，充滿(mǎn)了能量，隨時(shí)準備為生態(tài)系統注入活力—甲烷水合物的誕生和消逝就像是海洋版的充電和放電過(guò)程，巧妙地向我們展示了深海冷泉如何精妙地管理它的能量?jì)洹?/p>

　　當深海的冷泉活躍起來(lái)，低溫和高壓的神秘環(huán)境促使甲烷與水分子結合，形成了這種奇妙的甲烷水合物。這個(gè)過(guò)程，就好比是自然界的能量充電站，給生態(tài)系統提供了一個(gè)穩定的能量后備。即使冷泉的活躍度有所下降，這些精心“儲存”的能量也能慢慢地釋放出來(lái)，通過(guò)“放電”來(lái)保證深海生命的持續繁榮。

　　在探秘這個(gè)過(guò)程中，原位拉曼光譜和監測攝像成了我們手中的神秘鑰匙，揭開(kāi)了深海生態(tài)系統如何應對能量波動(dòng)的秘密。它們讓我們得以窺見(jiàn)冷泉如何影響其家園，展示了甲烷水合物在這場(chǎng)深海生命游戲中扮演的關(guān)鍵角色，確保了生態(tài)系統的平衡與穩定。這不僅讓我們更深入地理解了甲烷循環(huán)的穩定性，還揭示了生態(tài)系統如何巧妙地適應能量的自然波動(dòng)。這一全新視角，對于我們預測氣候變化對深海生態(tài)影響、探索未知生物多樣性，乃至開(kāi)發(fā)可持續能源和管理碳循環(huán)具有重大意義，開(kāi)啟了一扇通向未知世界的大門(mén)，邀請我們勇敢探索。

　　但同時(shí)，可燃冰又是一個(gè)大反派—它可能是全球氣候變化的隱形威脅。甲烷本身是一種擁有超能力的溫室氣體，其力量遠超二氧化碳。一方面，它如同潔凈能源的光明騎士，提供了比煤炭和石油更為環(huán)保的能源選擇。但另一方面，如果大量甲烷逃脫進(jìn)入大氣，就可能引發(fā)全球氣候危機。想象一下，在地震或海底滑坡等自然界的劇變下，這些穩定儲存的甲烷如同被打開(kāi)的潘多拉之盒，一旦釋放，可能會(huì )讓全球暖化的挑戰更加嚴峻。

　　此外，在南海的海馬、陵水和Site F冷泉區，科研團隊進(jìn)行了一項創(chuàng )新的實(shí)驗，探索了氣體水合物在這些活躍冷泉噴口的上升和分解過(guò)程。這一研究揭示了一個(gè)引人注目的現象：水合物膜的形成顯著(zhù)提高了甲烷氣體的穩定性，使其能夠攜帶甲烷上升到較淺的海洋層乃至大氣中。這一發(fā)現暗示，水合物膜可能是冷泉氣體影響上層水體和大氣環(huán)境的關(guān)鍵傳輸機制；通過(guò)時(shí)間序列拉曼光譜和視頻監測，研究團隊詳細觀(guān)察了水合物形成的過(guò)程，發(fā)現冷泉流體中的低鹽度可能促進(jìn)了水合物的分解，釋放出純水并稀釋周?chē)h(huán)境。

　　這種現象提供了所謂的“水合物記憶效應”的佐證，解釋了冷泉環(huán)境中水合物能夠快速生成的原因；該團隊進(jìn)一步通過(guò)開(kāi)發(fā)新型納米材料，突破了在深海極端條件下進(jìn)行表面增強拉曼散射（SERS）檢測的技術(shù)障礙，創(chuàng )造了國際上首個(gè)RiP-SERS探針。利用這一探針，科研人員獲得了海馬冷泉口海水—沉積物界面處生物信息分子的拉曼光譜數據，包括檢測到納摩爾級別的乙酰輔酶A和β-胡蘿卜素等生物大分子。這標志著(zhù)人類(lèi)首次在原位條件下使用SERS技術(shù)獲取深海生物大分子的拉曼光譜數據，為檢測深海微生物代謝產(chǎn)物提供了一種新的方法。

　　此外，研究團隊還開(kāi)發(fā)了一種基于遙測拉曼探頭的氣體發(fā)酵定量模型，專(zhuān)門(mén)用于海洋厭氧微生物的常規培養，以及一種冷泉產(chǎn)甲烷古菌代謝產(chǎn)物的拉曼光譜定量分析方法；共聚焦顯微拉曼三維成像技術(shù)，以其低成本、快速、無(wú)需標記和非破壞性的特點(diǎn)，展示了定性、定量和可視化的完美結合潛力，為研究提供了新的視角。

　　基于這些技術(shù)進(jìn)展，科研團隊構建了一套新的分析方法：在固態(tài)基底上對微生物群落進(jìn)行拉曼三維定量原位分析。這種方法結合了光學(xué)可視化和拉曼定量分析，能夠在時(shí)間和空間兩個(gè)維度上無(wú)損地定量表征冷泉微生物群落的代謝過(guò)程，為深入理解冷泉環(huán)境中的生物化學(xué)過(guò)程開(kāi)辟了新的路徑。

　　探索還在繼續。科學(xué)家不僅探尋深海冷泉生態(tài)的奧秘，也將更深入挖掘可燃冰在控制全球碳平衡和影響氣候變化大劇中的關(guān)鍵角色。了解可燃冰這個(gè)深海中的隱形守護者，對我們面對全球氣候變化、環(huán)境保護乃至推進(jìn)可持續能源進(jìn)程至關(guān)重要。它啟示我們，如何謹慎地平衡這把雙刃劍的力量，同時(shí)也提醒我們探索更多維持生態(tài)平衡、尋找清潔能源的必要性。

　　《光明日報》（2024年02月22日 16版）