作者：張雄 張鑫（分別系中國科學(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(jié)的閃亮冰晶。因其存在，這里孕育出一個比科幻小說還要奇異的生命舞臺——深海冷泉區(qū)。地球內(nèi)部的化學(xué)魔法師——硫化氫與甲烷，不斷涌出，為深?！熬用駛儭迸e辦了一場絢爛的能量盛宴。這些生命體，不依賴陽光，卻能在化學(xué)反應(yīng)的魔法下茁壯成長，構(gòu)建出一個完全獨立于陽光的“異世界”。

　　可燃冰和它周圍的生態(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。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限遐想：在遙遠星球的某個角落，是否也有著這樣的生命奇觀？

　　1、藏在海底深處的生命綠洲

　　海底并不是一無所有的荒漠—設(shè)想一次潛水旅行，帶你穿越到深海的幽暗深處，那里隱藏著一個令人眼花繚亂的生命綠洲“冷泉生態(tài)系統(tǒng)”。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，其實攜帶著點燃深海生命之火的秘密元素：甲烷、硫化氫和二氧化碳。

　　在這個遺世獨立的海底王國中，生活著一群不同尋常的居民—化能合成微生物。它們?nèi)缤瑵撍碌哪g(shù)師，將看似毫無生命跡象的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為神秘的生命能量。這些微生物不依賴陽光，只需吮吸冷泉釋放的化學(xué)精粹即可茁壯成長，成為這片深海綠洲的守護神，維系著整個生態(tài)系統(tǒng)的生命之輪持續(xù)轉(zhuǎn)動。

　　但深海冷泉的神奇遠不止于此。它是一個生物多樣性的寶庫，挑戰(zhàn)著科學(xué)家們探索生命極限的勇氣和智慧。冷泉生態(tài)系統(tǒng)顛覆了我們對生命能夠存在的環(huán)境的傳統(tǒng)認知，展現(xiàn)了在遙遠深海，生命如何利用化能合成技巧，在沒有陽光的環(huán)境中繁衍生息。從微小的微生物到依賴它們的復(fù)雜生物體，如管蟲、貽貝，冷泉生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建了一個錯綜復(fù)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，六個冷泉區(qū)域仿佛是大自然精心繪制的藏寶圖，揭示著無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)家們搭建了一個完美的“自然實驗室”，使我們能深入研究冷泉生態(tài)系統(tǒng)的深奧，及其對地球環(huán)境造成的深遠影響。

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

　　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)域取得了顯著的成就?？蒲袌F隊開發(fā)的深海原位監(jiān)測系統(tǒng)在南海冷泉區(qū)的長期作業(yè)不僅標志著中國深海研究的進步，也為全球科學(xué)界提供了珍貴的洞見和數(shù)據(jù)。這些寶貴的長期監(jiān)測成果為我們深入理解冷泉噴發(fā)的神秘過程、生態(tài)系統(tǒng)的化學(xué)動力學(xué)，以及生物與環(huán)境的互動提供了關(guān)鍵的視角。

　　2、原位實驗室，探索深海冷泉區(qū)的利器

　　借助科技的力量，如今我們能夠看到，在深海冷泉區(qū)，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(tǒng)。在這個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，它們通過一項被稱為甲烷厭氧氧化（AOM）的魔法過程，將化學(xué)能量轉(zhuǎn)化為維系這片深海奇境生命的能量。

　　這場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)家來說一直是一大挑戰(zhàn)，那些錯綜復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)更是讓人困惑不解的謎團。

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

　　這個多功能的深海原位實驗室裝備了一系列尖端儀器，能夠在深海極端環(huán)境中穩(wěn)定工作。其裝備包括水下高清攝像機、溫度、深度和電導(dǎo)率測量儀（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。

　　這些高端裝備使實驗室能夠進行多方面的海洋觀測，包括獲取高清影像資料、近海底的理化參數(shù)測量，以及保壓流體樣本的采集。更令人興奮的是，這個深海實驗室還具備與潛水器進行光學(xué)通信和大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α＿@意味著，研究人員能夠?qū)崟r接收到深海觀測數(shù)據(jù)，極大地提高了研究效率和數(shù)據(jù)的實時性。

　　依托深海原位實驗室，科研團隊為探索海底神秘領(lǐng)域敞開了全新的大門。這個獨特的工具使科學(xué)家得以直接觀察冷泉流體如何在海底沉積層快速轉(zhuǎn)變?yōu)樗衔?，及其對周圍生命圈的深遠影響。這種前所未有的實驗方式，讓我們滿懷揭開冷泉噴發(fā)與生態(tài)系統(tǒng)神奇共存之謎的希望，進一步加深了我們對深海秘境及其在全球生態(tài)系統(tǒng)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(qū)最重要的角色，它既是這里的英雄，也是這里的反派。

　　說它是英雄，它就像深海的電容器，充滿了能量，隨時準備為生態(tài)系統(tǒng)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儲備。

　　當(dāng)深海的冷泉活躍起來，低溫和高壓的神秘環(huán)境促使甲烷與水分子結(jié)合，形成了這種奇妙的甲烷水合物。這個過程，就好比是自然界的能量充電站，給生態(tài)系統(tǒng)提供了一個穩(wěn)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，通過“放電”來保證深海生命的持續(xù)繁榮。

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

　　但同時，可燃冰又是一個大反派—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(wěn)定儲存的甲烷如同被打開的潘多拉之盒，一旦釋放，可能會讓全球暖化的挑戰(zhàn)更加嚴峻。

　　此外，在南海的海馬、陵水和Site F冷泉區(qū)，科研團隊進行了一項創(chuàng)新的實驗，探索了氣體水合物在這些活躍冷泉噴口的上升和分解過程。這一研究揭示了一個引人注目的現(xiàn)象：水合物膜的形成顯著提高了甲烷氣體的穩(wěn)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(xiàn)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；通過時間序列拉曼光譜和視頻監(jiān)測，研究團隊詳細觀察了水合物形成的過程，發(fā)現(xiàn)冷泉流體中的低鹽度可能促進了水合物的分解，釋放出純水并稀釋周圍環(huán)境。

　　這種現(xiàn)象提供了所謂的“水合物記憶效應(yīng)”的佐證，解釋了冷泉環(huán)境中水合物能夠快速生成的原因；該團隊進一步通過開發(fā)新型納米材料，突破了在深海極端條件下進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(shù)據(jù)，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。這標志著人類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(shù)據(jù)，為檢測深海微生物代謝產(chǎn)物提供了一種新的方法。

　　此外，研究團隊還開發(fā)了一種基于遙測拉曼探頭的氣體發(fā)酵定量模型，專門用于海洋厭氧微生物的常規(guī)培養(yǎng)，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、無需標記和非破壞性的特點，展示了定性、定量和可視化的完美結(jié)合潛力，為研究提供了新的視角。

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

　　探索還在繼續(xù)?？茖W(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)境保護乃至推進可持續(xù)能源進程至關(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）