本文来自微信公众号： 格致论道讲坛 ，作者：张鑫，原文标题：《“海底食堂”时有时无，可靠它吃饭的生物为什么一点也没饿着？｜张鑫》
大家好，我是张鑫。今天再次来到格致论道，我非常开心。
在2020年我就来过格致论道，当时我讲的是把实验室搬到海底。我还定了个flag（目标），要再做一个光谱学实验室。这是什么概念呢？就相当于我在海底建了一个房子，但当时这个房子还没有装修。于是，我就开始攒钱装修。攒了四五年后，现在初步实现从家徒四壁变得终于有了一点点光了。
那为什么这么着急地想在海里建这么一个房子呢？原因很简单：在海底，我们可以看到很多在陆地上看不到的东西。
海底到底有什么“宝贝”？
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我研究的工作主要是针对海底的流固界面。流固界面听起来很高大上，其实很简单，就是海水与海底泥巴之间的界面。在这个界面里，除了泥以外，还有海底的热液和冷泉，构成了独特的生态环境。
这个环境和陆地上依赖光合作用的环境不太一样，而是用海底喷出的甲烷和硫化氢来维持的，还可以形成可燃冰。可燃冰不仅是未来的清洁能源，还可以供养生命。可能地球上的早期生命就是从深海中诞生的。这就是我为什么这么着急要在海底建一个光谱实验室的原因。
刚才展示的画面都是从2014年开始，中国科学院“科学”号科考船在海底拍摄的影像，这些影像也记录了我参与航次的工作。
那在海底建实验室以前，我们是怎么研究的呢？首先，我要取样。把样品取回来之后，在实验室进行分析。但分析之后发现，所有的数据都不准了。
大家可以想象一下，你手里如果有瓶可乐，打开瓶盖放上半个小时再喝，它的味道就不一样了。原来喝的时候是一种很爽的感觉，等放完了之后，里边的二氧化碳全部释放出来，就变成了一杯普通的甜水，很不好喝。
那还有没有别的研究方式？用电化学传感器可不可以？但在长期工作中，电化学传感器并不是一种特别稳定的方式。
那我们该怎么做呢？就是刚才说的，我的梦想是做一个光谱实验室，把它放到海底。
▲单一光谱无法包打天下
具体来说，我需要把3种光谱技术融在一起。为什么要融？并不是为了融而融，而是因为每种光谱技术都有不同的特征。比如，拉曼光谱（Raman）可以测气体，像二氧化碳、甲烷，还可以测阴离子。而激光诱导击穿光谱（LIBS）可以测各种元素，比如钾、钙、钠、镁等。至于生命起源相关的（有机物）研究，我们则会用到荧光光谱（LIF）。
▲深海原位Raman_LIBS_LIF（RaLL）多光谱仪
那能不能直接把这3个光谱都放到海底呢？不行，因为每个光谱仪都上百公斤重，整个系统的载荷根本承受不了。于是，我们创新性地用一套光学系统，解决了把3个光谱仪凑在一起的问题。我们还研发了很多新技术，比如光子芯片等。最终，我们成功研发出了深海RaLL光谱仪，把拉曼、LIBS和荧光三种技术融在了一起，装到了一个罐子里。有了这个“金刚钻”，我才敢去揽这个海底实验室建设的“瓷器活”。
那做这个瓷器活，除了金刚钻以外，还得有装金刚钻的东西，对不对？我们做的深海原位光谱实验室，除了光谱仪本身，还有深海着陆器平台，以及布放在它上边的控制系统、辅助光学传感器及光学摄像装置。有了这些东西，相当于我们已经在实验室搭好了平台。
那我要怎么把实验室布放到海底呢？毕竟水深可能达到几千米。我们“科学”号科考船上有一个缆控水下机器人（ROV），叫“发现”号。“发现”号就像我的小助手一样，可以把我设计的深海着陆器平台上的所有探针布放到不同区域，每个区域做不同的实验。这样一来，就相当于我用ROV机器人辅助布放了一个海底原位实验室。有了这个实验室，我们就可以开展很多不需要人为干预、真正还原海底环境的实验。
这就是我们布放后的结果。这个一镜到底的画面就来自我们的ROV机器人。它把一个光谱探针从深海着陆器上拉到了冷泉喷口。现在喷出来的流体就是冷泉。你可以看到那个“饭盒”里被绿光照亮的地方，那就是我们的光谱探针。绿光就是我们发出的光谱信号，照亮的区域就是冷泉的流体，也就是甲烷形成的水合物。这些水合物就像是海底生命的“面包”，因为这些生命是靠甲烷活着的。所以通过这些信号，我们就可以看到海底生态系统的变化。
那么，这个原位的光谱实验室到底能研究什么呢？我们可以研究海底的水岩反应过程，特别是热液的水岩反应过程，以及它形成这些资源的机制，比如多金属硫化物资源及其他相关资源，进而研究这些资源与水岩反应之间的关系。
然后，我们还可以布局不同的实验体系。比如对于冷泉来讲，我们可以研究可燃冰与环境之间的相互关系，以及冷泉生态系统为什么可以在海底长期存活等现象。
这些内容比较概括，大家可能听起来会一头雾水。接下来，我就用一个实验的效果来给大家讲一讲。
冷泉里藏着“缓释胶囊”？
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说这个实验效果之前，我们要明确一个概念：冷泉。我们刚才讲了，它是甲烷从海底喷出形成的泉。
其实，冷泉是一种间歇泉。就是它今天在这儿喷，明天可能在那儿喷，后天又在另一处喷，甚至大后天可能完全不喷了，最后又回到原来的地方喷。既然冷泉的喷口这么不稳定，那它的生态系统是不是也要跟着冷泉的喷口而变化呢？这些生物是不是要像陆地生物择水而居那样，择甲烷而居呢？
▲Lessard-Pilon et al.,2010,Deep Sea Research Part I
其实非也。从1992年、2006年、2007年等多年的历史数据已经证实，冷泉的生态系统是相对稳定的。这就产生了一个悖论：冷泉的喷口是间歇性的，就像今天喂你食，明天不喂，后天又不喂，但冷泉生态系统却还能活得好好的。那么，到底是谁在偷偷摸摸给这些生物“喂食”呢？
这个问题从我美国读书时就开始思考，回国内从2014年开始出海，十几年的工作经验让我们一直在猜测：到底是谁在起到稳定冷泉生态系统的作用？我们想，唯一可能产生变量的就是可燃冰，也就是天然气水合物。所以我们提出了一个假说，我们叫它“可燃冰假说”。什么意思呢？就是可燃冰在中间起到了一个“缓释胶囊”的作用。
▲Zhang et al.,Earth and Planetary Science Letters,2023
于是，我们设计了一个原位实验，就像右上方这张卡通图一样，这是我们的设计图。而下边这个就是我们实际的布局图，也就是视频里给大家看到的场景。
那么，这个实验的效果如何？有图有真相。大家可以看一下，这是我们用延时摄影的方式拍摄的。上边的时间是以2个小时为单位，也就是每2小时开机拍摄一次。大家可以看到，冷泉有的时候在喷，有的时候不喷，有的时候喷得剧烈，有的时候则基本停滞，喷口的位置也不一样。这个视频证实了什么呢？它证实了冷泉的喷发的确是不稳定的。
然而，这只是一个图像。如果我要写科学论文，可能仅凭这个视频是不够的。那用什么来证实呢？用我们的光谱仪呀。
▲Zhang et al.,Earth and Planetary Science Letters,2023
我刚才说了，拉曼光谱可以测甲烷的含量，当然它也可以测海水成分。这张图看着很复杂，但没关系。你可以这样想象：那些胖胖的、圆润的峰是水的峰；而在左侧那些长得比较尖的峰则是甲烷水合物或甲烷的峰。
在短短十几天的时间里，它经历了5个阶段。这是什么概念？在十几天内这个点上发生了5次喷发和不喷发的循环。通过这种方式，我们用真正的科学数据证实了冷泉确实是一种间歇泉。
那冷泉生态系统到底稳不稳定呢？那我们有几十万张视频截取的照片，上面截取的是铠甲虾（也叫潜铠虾）的场景，我当然不可能靠自己去数。所以我派AI这个小助手帮我数，也就是下图。AI数出来的结果显示，在我刚才说的十几天的5个变化周期内，生物的数量是稳定的。也就是说，冷泉生态系统中的生物是稳定的。
▲Zhang et al.,EPSL,2023
再看这张图，看不懂没关系，但下边变化特别大的曲线代表冷泉口的喷发情况。而上边那些经过各种滤波处理后很平稳的曲线，就是冷泉周围生态系统生存环境中的物理和化学参数。这些数据证实了什么呢？证实了冷泉生态系统真的很稳定：生物稳，数据也稳。
▲Zhang et al.,Earth and Planetary Science Letters,2023
而且当冷泉喷发时，各种气体往外冒，同时在浅表层以及流固界面，也就是水和岩石界面会形成大量的可燃冰。我们可以把这看作是一个“充电过程”，就像“电容器”一样。在这个过程中，你可以看到“白云”特别多，这正是可燃冰形成的现象。
▲Zhang et al.,Earth and Planetary Science Letters,2023
然而，当喷口由于各种原因堵塞之后，情况就变了。可燃冰的稳定环境需要低温、高压和过饱和的甲烷。喷口堵塞了，周围海水的甲烷浓度变得很低。这时候，浅表层的可燃冰就像一个“缓释胶囊”，慢慢地把甲烷从可燃冰的结构中释放出来，变成溶解态，进而供给生态系统。
这就是一个很完美的科学假说验证过程。我们自己提出来一个科学假说，自己研发了一套装置，并在深海设置了一个原位光谱实验室去验证这个假说。这是一个标准的自然科学、高技术加上我们国家现有能力相结合才能做的工作。
发现全球最大的热液喷发群
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大家平常在新闻里，可能更耳熟能详的是载人潜水器，比如我们的“奋斗者”号。作为一名无人潜水器的倡导者，大家看到了，我自己根本不需要下海，可以派我的ROV机器人下去。不过，ROV机器人有一个最大的问题，那就是那根缆线。所以它下不到6000米以下的深度，这是现在国际上还没有解决的问题。所以，如果我们要去海沟，真的需要用载人潜水器。
有一次机缘巧合之下，我视为兄长的孙卫东老师拿到了我们国家第一个载人深潜的重大科考航次。但孙老师是个旱鸭子，从没下过海。他跟我说，他要去马里亚纳海沟，那里有我喜欢的弧前蛇纹岩产生的热液。他希望我能跟他一起去，我答应了。
后来，由于众所周知的原因，我们暂时去不了马里亚纳海沟了。他选了一个备选方案。他做的科学问题是关于地球板块的俯冲起始机制，于是他找了一个替代的海沟。但是，这个海沟是一个夭折的俯冲。所谓夭折俯冲，就是它现在已经不动了，所以并不会产生刚才说的那种热液现象。
尽管如此，既然我已经答应了，我就决定跟他出趟海，做一个技术支持。我跟他说，我可以出海，也可以帮他协调船上的一些事情，但我会不下潜。因为我是无人潜水器的倡导者，不愿意到载人潜水器里下潜。其实，我心里也有点幽闭恐惧症。另外，大家也可以想象一下，从早晨七点多开始下水，到晚上七点多才回来，整整12个小时。不吃不喝我还能接受，但人的“三急”也是一个问题。所以我当时就下定决心，打死也不下潜。
但大家看一下这张照片，当我真的下潜时，笑得很开心。中间是孙老师，笑得最开心的是我。这里先抖一个包袱：我原本是坚定的不下潜者，可为什么最后还是下潜了？
我是这个航次的最后一潜。下潜之后，兄弟们给我准备了“十全大补汤”。这是我们载人潜水器的传统，回来之后，要给你做一个洗礼，象征你已经像勇者一样完成了挑战。不过，“十全大补汤”是我的特例，大家最多是六全，也就是准备了六种味道，像孙卫东最开始的时候只是一种味道——纯水。而到了我这儿变成了十全，十全十美嘛！孙老师给我泼的应该是酱油，我猜的。基本上，船上能找到的所有调味品都在我身上体现出来了。浇完了之后，我觉得我进锅里煮一煮，就是一锅很好的汤。
那么，究竟是什么让我这么开心地下潜，还这么开心地被浇了“十全大补汤”呢？
这是因为我们颠覆了很多科学认知。大家看这些喷出的流体，这是在我们的认知体系里原本认为不可能存在热液喷发的地方，我们发现了到现在为止的全球最大的（含氢气）热液喷发群——麻坑群。它的直径可达公里级，深度可达300米，孕育了很多生命。
当我们获得这些影像后，我们预测这可能是继“阿尔文”号发现酸性热液喷口之后，从全球范围来讲载人潜水器的又一重大发现。这个地方可能是碱性喷发，而碱性喷发被认为是地球生命起源的最大可能。那么，到底酸性还是碱性，我们必须加以证实。
这就促使我又把光谱仪拿了出来。本来，我带光谱仪上船是为了在实验室里鉴定石头的。然而，我们用了4个昼夜的时间，在“奋斗者”号所有潜航员的支持下，改装了这个光谱仪。
最后我们改装的结果是，它可以在“奋斗者”号上使用了。这样一来，我们就有可能用光谱的形式，证实我们刚才的假说：这是一个碱性的、含氢气的喷口。
那实际的应用效果如何？我那次下潜是“不见兔子不撒鹰”的。我说了，只有光谱仪准备好了，我才会下潜。当时我认为光谱仪可能不太靠谱，因为之前根本没调试过。没想到最后一夜，光谱仪真的调试成功了，然后我就不得不下潜了。
那次下潜的感觉就像爱丽丝梦游仙境一样奇妙。我坐在“奋斗者”号的舷窗旁，外边就是那种流体，只隔着一层厚厚的柔性玻璃。这种身临其境的感觉，和我坐在ROV控制室里看屏幕的感觉完全不同。就像汪品先院士说过，他下潜到南海时，用“深海勇士”号，也觉得那是仙境。
除了奇妙的感觉以外，我还用自己的光谱探针去探测流体，用拉曼光谱证实了喷出的流体都含氢气。大家知道，氢气是除了甲烷以外的另一种清洁能源。它还有一个好处，可以助力我们实现“双碳”目标，因为氢气燃烧后只会产生水。
现在有很多的制造氢气的方式，用在了包括氢能源汽车上。但地球到底有没有自然的氢气，也就是所谓的“金氢”呢？已经有很多研究在探讨这个问题了。而我们这次的发现，应该是到现在为止全球已知的最大规模的海底氢气喷发。
无论是我们的“科学”号，还是“奋斗者”号，都离不开我们国家强大的科技实力和担当精神。正是凭借这些，我们才能造出这样的大国重器。我们不仅可以解决科学前沿的问题，更可以聚焦国家的重大战略需求，比如资源和能源的需求，去探索未知的深海，去探索未知的人类空间。
谢谢！