科技创新巾帼行动|贺丽生:“奋斗者”号下潜到万米深海,发现海底并非一片沉寂

2021-05-06 17:08 来源:澎湃新闻·澎湃号·政务

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以下文章来源于格致论道讲坛 ,作者贺丽生 格致论道讲坛
中国科学院计算机网络信息中心与中国科学院科学传播局联合主办的科学文化讲坛,每月一期线下活动,分享科技文化新知、观点和思想!“但是我们就是要做这件事,即便路上荆棘再多我们也要趟出一条路来。”
贺丽生
中国科学院深海科学与工程研究所研究员
大家好,我是贺丽生,来自中国科学院深海科学与工程研究所,主要研究深海生命。
我乘搭过我国目前所有的载人潜水器,包括蛟龙号、深海勇士号和刚刚完成万米海试任务的“奋斗者”号。我的主要任务是探索深海生命系统和采集深海样本。
下面就请大家跟我一起去看看我的深海生物,听一听我的深潜故事。
地球上70%以上的面积是海洋,海洋面积是陆地面积的2.4倍。可以说,我们赖以生存的地球实际上是个海洋的世界。但是,我们人类对海洋却知之甚少,还不如对于月球的了解。
根据深度的不同,我们把海洋分为浅海、深海和深渊。深度大于1000米的海域,定义为深海。深度大于6000米的海域,定义为深渊。深渊所在位置,万米深渊的静水压超过1000个大气压,温度为2-3摄氏度
深海中的静水压是非常高的,水深每增加10米就增加一个大气压。那么,在万米海底就是1000多个大气压,100多个兆帕。
我们生活在地面上的压力是1个大气压,也就是说,在万米海底的压力是在地面上压力的1000倍。打个比方,相当于1000只非洲象踩在你的背上。因此人类的潜水,以普通人的能力来说不过10米,教练级专业人士也就能潜四五十米,吉尼斯世界纪录也不过是300米左右。
除了具有非常高的静水压,在200米以下的海洋中是没有太阳光的。而没有了太阳光,就没有光合作用;没有光合作用,就失去了物质循环的第一生产力。那么,生活在深海的生物只能靠从海洋表面沉落下来的残羹冷炙过活。
深海具有高压、无光、低温和寡营养的环境特征。在这样的一个极端的环境中,是否有生命存在?生命存在的极限又是什么?它们是如何在这样极端的环境下生存的?这就是我们研究的主题。
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深潜万米探索海洋
人类认识海洋的早期,是从撒网捕鱼开始的。但这种方式只能认识一些浅表的海洋生物。后来发明了拖网。拖网可以将网沉到海底,前边由一只船拖着走。我们可以想象这对海床的破坏和影响是非常大的。所以目前很多海洋研究单位已经不再使用这种方式探索海洋了。
着陆器和无人潜水器是目前探索深海的海洋研究单位比较常用的平台,目前只有载人潜水器可以将人带到海底。认识深海生物的主要途径
有人可能会问,既然着陆器和无人潜水器也可以下到海底,它们携带的照相机、录像机不一样可以把海底的情况拍下照片、录成视频带回来给我们看吗?为什么人一定要潜到海底呢?
作为一个科学工作者,获得第一手的资料是非常重要的。我想,再高清的照相机,再高清的录像机,也无法代替我们亲自到底下去看、去体会、去观察。
我非常荣幸地参加了2020年的“奋斗者”号万米海试,并且获得了一次下潜到万米海底的机会。“奋斗者”号全海深载人潜器
“奋斗者”号万米海试在2020年10月10日到11月20号开展。潜器和母船从三亚出发,目的地是马里亚纳海沟。往返路程大概需要两周时间。除去路程的时间,在不到30天的时间里,“奋斗者”号进行了13个潜次,其中包括8个万米潜次。
为什么要强调万米潜次?因为万米潜次不同于1000米的潜次,也不同于6000米的潜次。不但时间长,而且高静水压对潜器的影响是非常大的。
“奋斗者”号在这么短的时间内进行了8个万米潜次,而且是连续进行,这说明“奋斗者”号的性能非常稳定。也正是因为如此,我获得了参与此次海试中唯一一次给科学家进行应用海试的潜次机会。
刚才提到,万米潜次的时间很长。那么到底有多长呢?下图给出了一个数字,大概是14个小时。因此,早晨5点钟就需要大家到潜器间做准备。为了不迟到,大家前一天晚上通常都要定好几个闹钟。14小时深潜的步骤
在我参与的潜次里,没有一个人迟到过,只有早到的。我们团队每个人的心里都刻着一句话:不能因为自己的错误而导致整个计划的失败。
“奋斗者”号潜器的下潜上浮速度是每分钟60米。按照这个速度计算,下潜到万米再返回的路上的时间大约是6个小时。潜器在底下的作业时间也是6个小时。
标准的每天工作时间是8个小时,当然我们可能每天都在加班。而6个小时虽然也不短,但是对于我们科学家来讲还远远不够。我们在底下经常觉得还有好多事情没有做,就接到了上面的命令,说上浮时间到了,需要上来了。
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“奋斗者”号在万米海底如何工作准备下潜的“奋斗者号”
潜器在底下到底能做什么呢?
在上面这张图中,潜器的前边有一个采样篮。这是一个接近方形的采样篮,尺寸是1.5×1.3米。采样篮左右两侧是两个机械手。我们需要携带的工具都绑在这个采样篮上,由潜器带到海底进行操作。
下面这张图是我前一天晚上绑在潜器上的下潜所需携带的工具。我们可以看到里面有一个用来采集海底海水的采水瓶(Niskin bottle),一个沉积物采样器(pushcore),一个采集生物的生物箱,以及一个用来放岩石的地质筐。科学家绑在潜器上的“百宝箱”
通过这些工具,我们就可以把海底的水样、泥样、岩石以及生物带到水面上来,带到甲板上,带到实验室进行下一步的分析。
我们知道,海底的环境特征跟水表面差别是很大的,特别是静水压。样本带上来以后,所有的生物都是死掉的。一些小的生物如某些微生物或者原生生物也会爆掉,我们甚至连DNA都找不到。
后来,我们研发了这种原位的装置。上图中还有一个原位海水富集装置。将这个装置带到海底,能够将行大量海水里边的微生物以及原生生物富集到一个膜上。然后在海底进行原位固定。之后将固定好的样本带回到海面,它就不再受到环境的影响而变化了。
下面,我特别想跟大家分享的是载人球舱。载人球舱是潜水器当中一个非常重要的部分,也是我非常熟悉的,因为我要在里边待上14个小时。载人球舱及与下潜人员
载人球舱的前边有一个主观察窗,左右两边各有一个次观察窗。下面,让我们来看一下里边的情况。
“奋斗者”号载人球舱是一个直径1.8米的球舱,可以承载3个人,里边还有一些仪器装置。大家可以想象,它的空间不是很大,像我这样的个头坐进去,腿是伸不直的,只能处于类似跪坐或者盘坐的状态。这样14个小时下来,回到甲板上后,通常都不能马上出舱。而要在底下活动活动,这样才能站起来,然后才能出舱。左上这张图是我在告诉潜航员我们应该到哪里去采样,采集什么样的样本。我们的主驾坐在中间,一边是副驾驶,我坐在另一边。
我们经常把潜器称为我们的深海直通巴士,主驾就是我们的“司机”,是我们的“的哥”。我们要去哪里,他就把我们载到哪里。
主驾除了做司机之外,还有一个非常重要的职责,就是要帮我们进行机械手的操作,帮我们进行海水样本的采集。
下面就让我们看一看机械手在海底是如何工作的?
下边这张图是一个沉积物采样的过程,机械手握住沉积物采样器的手柄,然后在指定的位置进行采集沉积物。之后,再提着手柄放回到采样篮内。这样一次操作大概需要5到10分钟,如果是6个这样的采样器,大概需要1个小时的时间。
机械手海底采集沉积物
下面是岩石的采集过程,大家可能会说怎么这么慢呢?这里要提醒一下,机械手在海底工作不像是我们在自家地上捡东西。它是在海里、在水里,而且还要承受着非常高的静水压。这是非常困难的事情。
机械手取岩石样品
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深海生物
刚才我们看了沉积物,看了岩石。接下来,让我们一起去看一看深海生物。
先看下图,这是我下潜到万米海底拍摄的海参。是不是跟我们平时吃到的海参很不一样?万米海底的海参
可以看到,它的身体是透明的,跟周围沉积物的颜色很接近。如果不仔细看的话,都很难发现它。中间那一条就是它的肠道。
大家再猜一猜海参右下方的东西是什么?我们下潜到万米海底的时候,看到了很多很多这样的东西,也很疑惑这么多到底是什么?后来非常偶然的一次机会,我们看到了海参在排便,原来这就是海参的便便。
大家再看下面这张图,在这个视角里,有很多海参。除了海参之外,还有3只多毛类生物。也就是说,在万米海底,不但有生物,而且生物量非常多。生机盎然的万米海底(红圈内为海参,黄圈内为多毛类生物)
我在下潜到万米之前,已经知道了这里会存在着生物。但是,如此大量的生物还真是让我震惊。
这个是在万米海底拍摄到的钩虾,我们可以看到,这些游动的钩虾数量也是非常多。在机械手附近游动的钩虾
深海的钩虾个头是非常大的,我们观察到大的能到40多厘米。但是很多在浅海的相似物种,个头就相当于小虾米。
接下来是在海底观察到的一个多毛类生物,我们把它在海底运动的视频记录了下来。大家可以欣赏一下。
在海底移动的多毛类生物
多毛是底栖生物中一个优势的物种,它的分布也非常广泛。但是在万米海底,我们还是首次发现多毛类生物。
这是在7600米深的海底,我们通过诱饵观察到的狮子鱼。它的生存范围是6000到8000米,我们可以看一下狮子鱼,它们头大尾小,没有鱼鳞,皮肤是透明的。
7600米狮子鱼
根据我们自己的观察和国外的一些文献报道,观察到狮子鱼存在的最深的深度是8145米。我们这次下潜的时候也很想知道,是不是8000米就是鱼类生存的极限?9000米甚至1万米的地方有没有鱼?
非常遗憾,目前还没有定论。希望下一次有机会站在这里跟大家分享的时候,能够带来我们最新的进展。
再给大家看一下,这是1500米深海底的海百合——海中的百合花。机械手其实还没有碰到它,它就马上非常机敏地跳起来游走了。
1500米海百合
这是一个在1000米深海底翩翩起舞的海参,舞姿非常优美。
1000米海参
这是我们在3000米深海底拍摄的一个行走的海胆,它的身后留下了行走过的痕迹。大家可以看一下海胆在海底行走的样子,非常可爱。
3000米海胆
由此可见,深海、深渊甚至是万米海底都不是一片沉寂,而是有着非常丰富、非常可爱的生物。
虽然一个潜次结束后,我们回到了甲板。但是我们科学家一天的工作并没有结束。我们要对这些采集上来的样本进行各种各样的处理,而且是要及时处理。
为什么要及时?刚才跟大家讲过,这是因为船上和陆上的环境跟海底差别很大,所以我们需要第一时间把它们处理掉。需要及时处理的种种样品
我记得我万米潜次回来以后,处理完所有的样本,抬头一看,已经是第二天凌晨3点钟。这不是一个偶然的现象,基本上有潜次任务的时候,每天都会发生这种情况。
我们在深海或者是万米海底,看到了如此多的生物。这些生物是如何在海底生存的呢?这也是我们研究的主要内容。
这里给大家介绍两个研究成果,下面右边这一篇是关于狮子鱼基因组的。我们发现狮子鱼基因组中的一个关于骨细胞钙化的基因发生了突变,这个基因发生突变后,就不再具有功能。也就是说,狮子鱼的骨密度是非常非常低的。
大家现在都很关心自己的身体,可能经常会去体检,测测自己的骨密度。如果骨密度低,可能就很担心自己是不是要补补钙?是不是要晒晒太阳?但是对于狮子鱼来讲,这种低密度的骨质,就是它在极端环境的一种适应机制。我们的研究收获
左边这篇是关于海底6000米海参肠道共生菌的研究。我们知道,DNA承载着我们的遗传信息,但是DNA本身不具有任何功能,它必须要翻译成蛋白质才执行各种各样的生理功能。在翻译过程中,tRNA(转运RNA)负责把一个个的氨基酸运到一起来形成蛋白质。
在以往研究的所有生物体当中,tRNA序列中的第34位是需要甲基化修饰的。但是在6000米深海底的海参肠道的共生菌中,这个修饰消失了。
我们目前的这些研究结果说明,在深海生物有着不同于浅海的、非常特别的、为了适应深海的生存策略和适应机制。我国深渊生物学已迈入国际领先
上面这张图,体现了我们在深渊这方面的研究正在逐年增加。而所有的这些成果背后,有着太多的辛酸苦辣,有汗水也有泪水。
比如晕船,大家可能觉得晕船不是什么大事,确实不是什么大事,但是晕起来确实可以要了命。
波涛汹涌的海洋
有一次我们为了测试一个新研发的装备,租借了一条大概1000吨的小船。而船越小,在海上可能晃动就会越大。当时我记得海况也不是很好,还赶上了台风。我就把着那个栏杆不停地呕吐,当时看着那个滔滔的海水都想一下子跳下去。
所以在船上大家如果晕得比较厉害的时候,也会随身带一个垃圾袋。想吐的时候就吐到垃圾袋里,吐完了该做什么还做什么。
在科考船上比晕船、呕吐更要命的,就是潜器的上浮和下潜。这时需要有蛙人的协助,就是说3位蛙人承载着小艇。其中1位蛙人负责开小艇,另外1位蛙人负责稳住这个潜器,第3位蛙人要跳到潜器上,然后把主吊缆摘掉或者是挂上。这样的画面我虽然看了很多次,但每次看到这样的画面,心情还是非常的激动。他们每次到小船上去挂吊缆的时候,我们也都在为他们捏一把汗。
这是一个夜潜回来时蛙人进行操作的画面。我们大部分的下潜时间是在白天,但有的时候也会进行夜潜。
蛙人工作的惊险画面
最后,还有一件非常有意思的事跟大家分享一下。就是如果你是第一次下潜,或者是突破以前深度的下潜,那么船上都会举行一个小小的仪式。就是下面大家看到的这样,简单、粗暴。大家可不要以为泼上去的只是清水,其实里边会加上各种各样的“佐料”,比如啤酒、酱油、可乐……你能想到的都可以加进去。我想,这是象征着深潜事业的酸甜苦辣。简单粗暴而又独特的仪式
说实话,探索深海这条路真的不容易走。因为探索深海不像其他领域,我们没有更多的前人的经验可以去借鉴。这是一条充满荆棘的道路。但是我们就是要做这件事,即便路上荆棘再多,我们也要趟出一条路来。
来 源
全国妇联女性之声
原标题:《科技创新巾帼行动|贺丽生:“奋斗者”号下潜到万米深海,发现海底并非一片沉寂》
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