挺進地球最深淵：高科技潛水器探索海洋秘密

2014年4月10日，美國科考船“托馬斯·G·湯普森”號(Thomas G. Thompson)將從新西蘭出發，向東北方向航行900千米，然后停泊在廣闊的太平洋上。如果一切順利的話，“海神”號(Nereus)，一部與微型轎車差不多大小的自動潛水器，將在這裏入水，並一路下潛，前往世界上最深、最危險的地方之一——克馬德克海溝(Kermadec Trench)。當下潛深度達到10000米出頭時——相當於一座珠穆朗瑪峰再加一座大煙山(Smoky Mountain)的高度，“海神”號將到達海溝底。那裏寒冷刺骨，沒有一絲光線，水壓高達15000磅/平方英寸(psi，1psi=6.895kPa)——相當於三輛SUV壓在你的大腳趾上，“海神”號的燈光將第一次照亮這片未知海域。下潛過程中，“海神”號會釋放一根頭髮絲粗細的光纖，並通過這根在海水中飄蕩的光纖與“湯普森”號相聯，把攝像機拍到的圖像傳送到科考船上。

屆時，船上的科學家將密切注視電腦屏幕，觀察那裏到底會出現什麼樣的奇異生物。在向科學家傳送視頻的同時，“海神”號還會揮動機械臂，搜集海溝底部的動物和岩石樣本。它會把一根硬質管扎入海床，提取沉積物礦樣；還會抽取水樣，看看在那樣的極端環境中，是否存在細菌或其他生命體。

“海神”號肯定會發現一些不可思議的東西，生物學家和地質學家都對此深信不疑。但除此以外，這次考察還有另一層更為重大的意義。人類很少探索深度超過6000米的海溝，也就是那些被稱為“超深淵帶”(hadal zone)的海溝。4月份這次由美國伍茲·霍爾海洋研究所(WHOI)主持的考察，將系統探索這顆星球上最后的“處女地”，這是科學家花費數十年時間才取得的成果，將開啟深淵探測的新紀元。夏威夷大學馬諾阿分校的海洋地質學家帕特裏夏·弗賴爾(Patricia Fryer)評價，“海神”號任務就像為超深淵的系統性研究投下了第一縷曙光，將帶來不可思議的發現。

超深淵探索之所以能夠水到渠成，是因為資金、技術和輿論都已到位。2012年，美國電影導演兼探險家詹姆斯·卡梅隆(James Cameron)駕駛一艘單人潛艇，到達了另一條超深海溝——馬里亞納海溝的溝底，這一壯舉讓超深淵探索成為公關注的焦點。伍茲·霍爾海洋研究所改良了一些深海技術，使得“海神”號既擁有強健的“筋骨”，又能保持矯健的“身手”。研究經費增加，其他潛艇也正在建造中，探測世界最深海溝這一宏偉目標正離我們越來越近。

當然，資金依然算不上寬裕，任務也十分繁重——全世界超深淵帶的海溝總面積接近整個澳洲。深海潛艇該去哪些地方？尋找什麼東西？我們採訪了十幾位海洋專家，大家一致認為，當務之急是解決幾個重要問題：生物為什麼能在巨大壓力下存活；深海生物體內的一些新化合物能否用於開發新藥；引發海嘯的地震是如何發生的。另外，我們還需要回答一個終極問題：地球上的生命是否起源於這些海溝之中？一些科學家有這樣的懷疑，卻沒有辦法去證實或證。

精彩速覽：

4月，“海神”號潛水器將潛入深達10047米的克馬德克海溝底部。利用潛艇攜帶的攝像機和一條與科考船相聯的光纖，它能將拍攝到的奇異生物圖像，實時傳送到科考船，同時它還會搜集岩石、沉積物和海水樣品。不管從技術方面、資金方面，還是民的熱情方面來，現在都是開始系統性探索世界最深海溝的佳時機。通過探索超深淵帶，科學家最想搞清楚的問題是：生物何以能在巨大的水壓下存活；地球生命是否起源於海溝，支持生命萌芽的是否是化學能而非太陽能。深海生物體內的罕見化合物可能有助於研發新藥，而海溝的岩石則可能會幫助我們弄清為何某些海嘯的威力如此巨大。

此外，對於未來的探索任務到底應該是載人的還是無人的，二者相比哪一種回報更高，科學家們還存在爭議。

新生命“博覽會”

如果“海神”號能經受住水壓的考驗，並且機械臂和感測器能夠正常工作，深海探索事業將取得重大進展。與研究人員以前送入水下的多“海底車”(這些小機器人能沉入海溝底部，但無法移動，它們能提供有用的信息，但信息量有限)相比，這台價值800萬美元的自動潛水器最大的優點是它能拍攝實時視頻，覆蓋的探索區域要大得多，能搜集更多的岩石、沉積物和海水樣品。而且，“海神”號最長能在水下停留12小時，哪怕系索斷裂，它也能自行返回科考船。

這些優勢意味，“海神”號十分適合觀測那些奇異的海底生命——這也是這次計劃的首要任務。迄今為止，科學家探索的都是孤立的地點。而這一次，“海神”號將帶領大家“暢游”克馬德克海溝，搜集各種生物樣品。“‘海神’號肯定會讓我們大吃一驚的，”蒂莫西·尚克(Timothy Shank)是伍茲·霍爾海洋研究所的深海生物學家，同時也是本次任務的首席科學家，他，“‘海神’號會發現一些超乎我們想象的東西，哪怕我們覺得自己已經考慮得很周全了。正是這個想法，讓我充滿了熱情”。

在尚克的實驗室裏，存放各種經過防腐處理的標本，有海蛇尾、蝦、管蟲和其他深海“居民”；細心的參觀者會發現，每個陳列架上都標樣品採集地的名字，譬如加拉帕戈斯裂谷(Galpagos Rift)或是大西洋中脊(Mid-Atlantic Ridge)，可是沒有任何一個架子上標超深海溝的名字，這是因為搜集到的深海樣品寥寥無幾。

在為數不多的幾次探索任務中，載人和無人潛艇最多隻能按計划下潛到略微超過6000米的深度，也就是超深淵帶的邊緣。由於高壓和其他因素，再往下潛，對技術和資金的要求都會飆升。實際上，對超深淵帶的探索几乎完全是空白的。只有4艘潛水器曾經抵達過這顆星球上最深的地方——挑戰者深淵(Challenger Deep)，它位於關島附近的馬里亞納海溝，深達10989米。1960年，美國海軍軍官唐·沃爾什(Don Walsh)和瑞士海洋工程師雅克·皮卡德(Jacques Piccard)乘坐的“特裏雅斯特”號(Trieste，這艘深海潛艇經過大規模加固，外型鼓鼓囊囊的)首次完成了這一壯舉。然后直到1995年，日本海洋與地球科技研究社(JAMSTEC)一架名為“始音”號(Kaiko)的遙控潛水器下水，挑戰者深淵才再次迎來訪客。接下來是2009年，“海神”號來到那裏。3年后，卡梅隆駕駛自己的私人潛艇“深海挑戰者”號(Deepsea Challenger)親自潛入了挑戰者深淵。

大部分深潛任務都搜集到了一些科研樣品，不過它們的首要目標是工程學測試——如果你能夠潛到這樣的深度，那麼別的任何地方都難不倒你了。科學家曾對“始音”號寄以厚望，希望它能勝任長期的科研任務，不過在超深淵帶完成了一些有限的工作后，2003年，在一場猛烈的暴風雨中，“始音”號迷失在了深海里。而它的主要“續任者”只能潛到7000米的深度。另一架潛水器“深淵”號(Abismo)能潛到10000米，但它的性能大大不如“始音”號，而且几乎毫無建樹。

尚克希望，不久后“海神”號的發現，能堆滿標“克馬德克”的陳列架。這次考察是超深淵生態系統研究計劃(HADES)的一部分，該計劃的資助者是美國國家科學基金會(National Science Foundation)——在超深淵生態系統研究計劃的框架下，來自美國、英國、新西蘭和日本的科學家將手完成超深淵帶的探索任務。早期的探險主要集中在挑戰者深淵的平坦腹地，那是一片由沉積物形成的平地；科學家之所以對這片平原情有獨鐘，是因為它是世界上最深的地方，但從科學意義上，它並不是最有趣的研究地點。對科學家來，海溝最迷人的地方是崎嶇不平的外露岩層和側面的斜坡。

研究人員選擇了克馬德克海溝的峭壁作為第一個目標，因為該海溝上方的水體裏有很多生物，這意味海溝底部的生物可以獲得更多食物(比如上層水體中的生物死亡后，就會沉入更深的水體。相比之下，馬里亞納海溝所在的海洋裏沒有這麼多生物)。因為“海神”號能連續工作數個小時，所以研究人員希望它不僅能觀測到那些生物，還能捕捉一些回來進行基因分析——只要它們的個頭別太大，游得別太快。對克馬德克海溝的這次探索，“注定會成為首次系統性探索的里程碑，它將為以后的研究樹立基準，”尚克，“然后，我們還會探索其他海溝，以作對照”。尚克對此很有信心，因為“現在勢頭正盛”。

每一條海溝都可能擁有自己獨特的物種，不過對這一假設，超深淵生態系統研究計劃的領導持謹慎的態度。研究人員曾一度認為，每座海山(海下的山)上都生活獨特的物種，不過后來的研究推翻了這個假，而他們之所以做出了錯誤的判斷，主要是因為當時的考察太有限。

高壓下的蓬勃生命

此次考察在生物學上的第二個任務，几乎和第一個一樣重要：弄清深海中那些大大小小的生物體內的細胞，為何能在如此高的壓強下正常工作。搞清楚它們的內在機制，能幫助人類研發出新的藥物。這個謎題的源頭要回溯到1960年，沃爾什和皮卡德的那次下潛。他們在海溝底部呆了20分鐘，並報告看到了一條比目魚，但當時他們沒有相機，所以無法拍照。現在，生物學家開始質疑這一發現。

“他們不可能看到比目魚，對不可能，”深海魚類專家兼超深淵生態系統研究計劃領導人傑弗裏·C·德拉森(Jeffrey C. Drazen)表示。科研文獻表明，魚類根本無法承受那麼大的壓力。目前，有影像資料證實的、魚類出現的最大深度是大約7700米。沃爾什承認自己並非專業的魚類學家，但他堅持自己的觀點。“我只能，我覺得自己看到了幾條魚。但是他們老是對我，‘你不可能看見’”。

20世紀90年代，美國惠特曼大學生物學家保羅·揚西(Paul Yancey)發現，魚類細胞裏的氧化三甲胺(TMAO)的濃度，會隨深度的增加而上升——你聞到的魚腥味兒就來自這種化合物。這一模式在7000米深度時仍然有效——這也是揚西和德拉森(德拉森現在是揚西的合作者)取樣的最大深度。TMAO也許能幫助蛋白質抵抗高壓，但具體的機制我們尚不清楚，而且它的效用或許也有限。TMAO在魚類血液中的作用類似於鹽，能幫助魚類保持滲透壓，決定細胞到底是攝入水分還是排出水分。在大約8000米的深度，魚體內的含鹽量應該和海水大體相當。根據這一假，如果魚游得太深，那麼將有過多水分進入它體內的細胞，導致魚類死亡。科學家無法舉出反證，但如果他們不能在更深的超深淵帶觀察到魚類的存在，那麼他們就有充分的理由認為，該區域不可能存在魚類。盡管如此，揚西仍表示，如果“海神”號能證明他是錯的，他會很高興，“我其實很希望‘海神’號能看到魚，好讓我搞明白到底是怎麼回事”。

根據目前我們得到的有限信息，蝦和蟹之類的其他生物存活的極限，似乎也是海底8000米左右。但是，在過去的幾次任務中，研究人員曾在深海中發現過海參和一種片腳類甲殼綱動物(amphipod)，至於微生物，那就更多了。揚西認為，這些生物體內也許有其他能穩定蛋白質的化合物(抗壓劑)，他曾在卡梅隆小組捕獲的片腳類動物身上發現過這種物質。

生物醫學研究者正在研究揚西發現的另一種化合物——青蟹肌醇(scyllo-inositol)，這種物質有可能用於治療阿爾茨海默病(Alzheimer s disease，一種與蛋白質摺疊有關的疾病)。這一發現讓生物學家激動不已，因為這意味我們有望在海溝生物體內發現有用的蛋白質穩定劑。

斯克裏普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography)的微生物學家道格·巴特利特(Doug Bartlett)，初步研究了海底車搜集的超深淵帶細菌和卡梅隆取回的沉積物。巴特利特也將對這次“海神”號採集的水生細菌、沉積物和動物樣品進行研究，他希望樣品能盛放在模擬現場壓力的容器中帶回地面，這樣他就能觀察細胞是如何在海底高壓環境下存活的。(陽曦)(本文由《環球科學》(《科學美國人》中文版)授權轉載)