我们为什么要造万米深潜器?真正的原因比“刷纪录”重要多了!

作者: 地星引力

来源: 科学大院

发布日期: 2021-11-04

本文探讨了万米深潜器“奋斗者”号在科学研究中的重要性,指出其不仅是为了刷新纪录,更重要的是为了探索地球生命起源、地球演化、极端生态系统及古环境,以及未来在外星球的生命探寻和定居点建立等方面提供帮助。

2020年11月,我国制造的万米级深潜器“奋斗者”号在马里亚纳海沟深度10909米的地方成功坐底,引起热议,激发了不少人心中的自豪感。然而,2021年10月,“奋斗者”号在马里亚纳海沟正式投入常规科考应用的消息传来,却没有获得多少关注。无论是在深潜器还是在其它领域,许多人关心的仿佛只有那一个“最”字,最深、最高、最先进、最强大、最齐全……“最”字好像就是科技类信息的流量密码。

然而,我们制造这些装备,真正的目的并不是为了刷新纪录,去争这一个“最”字。往大的方面说,我们人类对世界的认识就是一个圈,而深潜器就好像是一根针,能够帮我们在目前的认识圈上刺出一个洞,让我们窥探圈外的未知世界;往小的方面说,这些深潜器在地表最深处的工作,对我们了解地球生命起源,地球板块演化、火山地震带活动、地球深部成矿作用、深海矿产等都有着举足轻重的作用。

在小学的科学课上,大家可能都学过关于地球生命起源的知识,其中最知名的就是米勒实验了:1953年,美国科学家米勒将水、甲烷、氨气、氢气与一氧化碳密封在一个烧瓶中,向其中通入水蒸气,并不断用电火花模拟闪电。一段时间后,这些无机物就形成了氨基酸、糖类、脂类等有机物。这一实验石破天惊,向我们揭示了生命可能起源于无机物的化学反应的可能性。

因此,在此后的很多年里,人们普遍相信生命可能起源于原始的海洋表面,因为只有那里才能满足这个实验的条件。然而,无法回答的一个问题是:那时候的地球上并没有臭氧层,紫外线强烈,在海洋表层形成的有机物以及原始生命很容易就被紫外线破坏,失去活性。但是很快,这个问题就被一个深潜器的发现解决了。1979年,美国的深潜器“阿尔文号”(Alvin)在东太平洋加拉帕戈斯海底热泉附近,发现了奇特的海底热泉生物群落。

这些生物生活在黑暗的裂谷深处,完全无法通过光合作用形成有机物,只能利用海底热泉附近的化学物质进行化能合成作用,并形成了复杂而繁荣的生态系统。由此,科学家们提出了一个新的生命起源假说——深海热泉起源说。深海热泉是由于海水顺着海底裂隙深入,遇到岩浆后携带着大量矿物质返回海面,在海底喷出形成或白或黑的烟囱状结构,这些被称为“海底黑烟囱”或“白烟囱”。

这里温度稳定,无机物含量丰富,不易被原始地球海洋表面的强烈紫外线、频繁的陨石和火山活动所打扰,是生命诞生的绝佳地点。但是,在生命诞生过程中还有许多未解之谜。比如:起源的具体过程如何?无机物是怎么变成有机物的?有机物又是怎么变成有机大分子?有机大分子又如何变成生命?刚刚诞生时候的生命形态如何?这些生命以什么作为生命能量的来源?它们又会组成怎样的生态系统?

在深海之中就存在着许多海底热泉,深潜器研制成功后,能够让我们深入海沟附近的海底或者是大洋中脊的海底,近距离研究黑烟囱与黑烟囱附近的现代生态系统,这对于解决地球生命起源中的这些未解之谜也可能会有重大帮助。此外,经过近些年的研究,学者们认为,在木星的木卫二上也可能存在着海底热泉,在火星上也还可能曾经存在过海底热泉。

如果真的是这样,那么,我们研究现代的海底热泉,可能会对未来研究这些地方是否有生命,生命形态如何等问题也会有帮助。

我们从小就学过地球内部的三个圈层:地核、地幔、地壳,并了解过地球的板块运动的原理。简单来讲,就是地核处最热,地幔物质在地核处的加热下运动,带动着地壳运动。

运动的地壳相互碰撞或者相互分离,相互碰撞的地壳形成巨大的造山带(这就是地球上山脉的来由);相互分离的地壳形成洋中脊,在洋中脊附近地幔物质上涌,形成海底山脉系统(生命可能起源于这附近)。而海沟正好就是两个板块相互碰撞的地方。以往,我们只能通过地震波、声呐等方法获取到海沟的地形地貌特点,但是无法亲自前往考察。

现在,在载人深潜器正常工作之后,我们就能够亲眼见到板块之间到底是如何碰撞过渡的,也能够有机会采集到相关的岩石样本。由于陆地上也有许多板块碰撞之后残留下来的板块边界,比如秦岭就是华南、华北两个古老板块边界的碰撞带。

因此,研究海沟中正在俯冲中的板块边界,无疑能帮助我们更好地研究地球历史上曾经发生过的板块运动,让我们知道地球上的陆地是如何起源,又是如何形成的,也让我们对中国大陆的起源和演化有更深入的了解。另外,地球上绝大部分矿藏,其形成都与岩浆活动有着密不可分的关系。

在板块俯冲带上会发生强烈的岩浆活动,如果我们将地球上的火山地震带与板块边界放在一起,就会发现它们几乎完全重合(比如日本火山地震活跃,就是因为它正好位于俯冲带之上)。所以,深潜器深入海沟处进行考察,一方面能够研究地球上的地震和火山活动,另一方面能帮助我们了解俯冲带附近的成矿作用,对于我们在陆地上已经消亡的俯冲带附近的找矿活动,以及在海底的找矿活动都有着重要的指导意义。

深海中水压大、低温无光,在以往一直被认为是生命的禁区。深潜器多年来的科考结果却让我们发现,在这些极端环境下居然还存在着392种特有生命,它们栖息在比海平面压力高1100倍的环境中,构成了深海处的复杂生态系统。但是,这些生命是如何适应这些极端环境的?是基因的特殊还是有什么特别的手段?我们对于海沟极端生态系统的研究,能不能发现新的生命类型?

这些生命是否可能“吃”掉各种污染物,在极端环境中大量存活为我们提供蛋白质,又或者提供适应低温和高压的基因呢?种种问题等待解答。所以,这种耐高压、耐低温的极端生命的研究,对于我们人类将来步入太空,适应太空极端环境可能有一定的启示,对于我们未来在外星球中的生命探寻和定居点建立也可能起到帮助。

最后,海沟被称为“海洋的终极垃圾桶”,来自大陆和海洋中的各种沉积物都堆积在此。

这些沉积物中包含了大量的古气候、古海洋等古环境的信息。从这些信息中,我们可以通过了解古海洋中盐、温、密度等等多种信息,从而推断出海洋海水的演化过程。此外,还可以了解到邻近大陆上大气环境、气候变化、火山喷发、地震灾害等等多方面的信息。

这样,当我们对深海海沟中的沉积物进行采样分析后,就能得到在不同的历史时期内,地球气候环境的变化状况——这些知识在现代我们面临气候变化危机的时候,能作为基础数据,对未来的情况进行对比和预测。

所以,虽然在最近的新闻稿中,对“奋斗者”号的报道虽然只有一段简洁的报道称:“开展了利用测深侧扫设备进行目标搜寻及地形探测、采集深渊海底沉积物、岩石和生物样本、搭载沉积物保压取样装置海试等作业任务”,但实际上字越少,事越大。很可能,在不久的未来,我们将会宣布在深海中的重要发现,那时候,还请大家一起为“奋斗者”号、为中国的深海科考欢呼!

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