在海底做实验时，这个探测器很有帮助。

以下为张馨在中国科学院海洋研究所演讲实录:

深海里有什么？是沙漠吗？

海洋平均深度达到3700米以上，1000米以上的深海面积超过90%。

一般认为透光层以下几乎没有生命，在200米以下。这也是1977。在深海热液系统发现之前，人们认为深海是一片沙漠。

然而，深海下有各种极端环境。

更极端的例子是深海的热液系统。

这种体系是由于海底迅速喷出大量高温高压、强酸或强碱的流体而形成的。

它携带了大量的甲烷和二氧化碳气体，以及各种金属元素，这些元素可以堆积在海底形成热液硫化物矿物。同时也滋生了生活的各种现象。

另一种生态系统，我们称之为冷泉。

冷泉不冷，是发现热液之后才发现一种低温流体。

它的温度与周围的海水相当，所含的物质并不是大量的金属硫化物颗粒，而主要是水、甲烷、硫化氢和一些细小的沉积物。

也孕育了一种能源，或者说未来的战略能源，我们称之为可燃冰。

所以，它的资源和能量，或者说它的效果是毋庸置疑的。

热液冷泉的极端环境也催生了一种特殊的生命现象。

一般认为万物都依赖太阳，需要光合作用。没有光，就没有生命。

后来我们发现这种深海的生物特别神奇。它可以利用热液冷泉喷出的甲烷和硫化氢，通过微生物合成将无机物转化为有机物，进而产生大分子。

这种生命现象不需要光的参与，我们称之为化学合成的自持系统。

既然海底有这样一个特殊的神奇生态系统，与我们的地表生态系统完全不同，我们就来探索一下。

有没有可能直接把热液冷泉里的东西都拿回实验室做各种分析？

可能不太好。

首先，你不确定。

可能是错的。

以下各点是国际大洋钻探计划采用非隔热保压技术，即传统的沉积物取样技术获得的。

沉积物孔隙水中甲烷的浓度约为65438±0 mmol。

1毫摩尔是什么概念？它是正常25度1大气压下甲烷在水中的溶解度。

上面那些黑点是用一种新技术得到的，叫保温保压取样技术。其甲烷浓度可达1000 mmol。

如果这是它的真实浓度，那么原始传统数据与真实浓度之差就是1000倍。

所以很多数据是不准确的。

还有就是容易分解变质。

我在我国南海进行了一个天然气水合物，也叫可燃冰的原位合成实验。

我在3度11 MPa，1100米的深度原位合成了天然气水合物。

当我把它带到水深700米，水温7度左右的时候，它就已经开始分解了，所以一直没到海面。

所以很多可能带回来的东西，已经不是这些物质原来的成分了。

更有甚者，你根本得不到。

这个白色的是潜水虾，底部有一些深海蛤。再往下是它生长的基底，我们称之为自生碳酸盐岩。

这种介于自生碳酸盐岩和沉水虾之间的物质，在生物群落中称为底层水。

这种流体是无法采集的，因为大概只有几厘米到十几厘米厚，用各种采样技术都无法获得。

自生碳酸盐岩，这么大一块石头，不可能全部搬回实验室。

所以我们把样本带回实验室，分析出来的各种数据可能并不能代表数据的真实价值，或者根本无法采集样本。

那怎么做呢？

我最近的工作，或者说最近十年做的工作，还没有完成我的梦想，就是把实验室搬到海底。

我只是做了一个简单的探头，叫拉曼光谱探头，带着它去深潜。

从2008年左右，我的第一个探针——沉积物孔隙水探针诞生，到现在已经经历了三代。

能做些什么？

可以探测沉积物孔隙水和冷泉流体，可以探测天然气水合物，也叫可燃冰。

最后，也是最近，我们的突破是我们可以探测到高温高压的热液喷口流体。

这个探测器是一个特别庞大的系统，它使用了我们的机器人发现号。

“发现”号机器人搭载在哪里？

它是一个ROV机器人，搭载在我国重大基础设施“科学”号科考船上。

这个机器人和人类一样，可以在海底进行各种操作。我用了这个机器人几乎所有的功能。

我想用它的动力给我的探头供电，用它的通讯来控制我的探头进行各种操作，还需要用机器人的双手来抓住探头来探测不同的位置。

那个探测器就像星球大战里的激光剑。它指向哪里就击中哪里。

当然这只手是机械手，那么它指向哪里呢？

首先，我在海底制造了一些固体物质。

天然气水合物，又称可燃冰，最早发现于南海，这种可燃冰存在于海底裸露的地方。

激光剑发出蓝绿色的激光，打在可燃冰的表面，我们就可以得到它的化学成分。

但是现在冷泉喷嘴里的可燃冰是不可能把样本带回来的。

这束光打过去之后，就收回了它所有的物质成分。

我们不仅检测物质的成分，还在海底下做原位实验。

这个蜂窝状的装置就是我们利用冷泉流体在海底合成可燃冰，然后发现在海底下0秒就可以合成可燃冰。

而如果是在实验室，可能需要几天或者十几天才能合成。为什么？

因为冷泉流体中含有大量的矿物颗粒，会使可燃冰的形成速度迅速增加，就像我们人工增雨的原子核一样。

我在冷泉中发现了自生碳酸盐岩，在热液中发现了硫化物。

把探测器拿到海里后，每个点都检测，就像你在做CT一样，这样你就可以得到一个生态系统，或者流体形成的模型和模式。

除了这些岩石和水合物，我还探测生物。

别担心，我探测到的生物都没死。它们在我们的深海生活得很好。

我把拉曼探测器命名为RiP，就像我的孩子一样。

RiP是什么？如果你去过国外，你可能会在墓地的墓碑上发现裂口，这意味着安息。

我想用拉曼探头做的事情只是射出一束光，然后这束光的返回信号就可以告诉我你的生理状态或者你的化学成分，但是我不会破坏你的生存环境。

所以他们在休息，我们只是去看看，我们就像路人一样。

红色的海葵和白色的海葵有什么区别？

很简单，红色的海葵含有类胡萝卜素，这种物质存在于大型生物体内。

我也测过各种蜗牛，和你吃的海螺差不多，但是物质成分差别很大。

测了这么多固体物质，其他时间要测什么？

然后让我们测量一些液体。液体有什么？

首先，我制造了沉积物的孔隙水。

什么是沉积物孔隙水？

你可以想象，你从地上拿一块泥放在手里。如果你用力握着它，你可能会挤出一些水。或者你在沙滩上和小朋友玩的时候，拿出一把沙子，水就会滴下来。

孔隙水就是这种沉积物或岩石，或者这种砂质沉积物和泥质沉积物中间的水。

那为什么要测试呢？

因为沉积物中有大量的甲烷氧化细菌，它会消化大量从海底上来的甲烷。没有它，地球上的甲烷浓度会上升很多。

那么现在的温度可能不是我们现在的20摄氏度，可能变成200摄氏度。

那么如何衡量呢？

传统的技术是把样品带回去，所以我的工作就是在它的不同深度插入一个探头，得到它的光谱，然后进行我们相关的定量分析，得到它的数据。

其甲烷浓度与普通传统采样相差20倍。在这种情况下，全球沉积物中的甲烷浓度是否被低估了20倍？

我不知道，但至少它被大大低估了。

在全球范围内，甲烷的总储量或其含量也可能被低估。

沉积物中的孔隙水太复杂了。举个简单的例子。

我们来做一个冷泉流体，底层的水大概只有十几厘米或者几厘米厚。我还将我的探针插入不同深度。你发现了什么？

一般认为甲烷厌氧氧化会产生硫化氢气体和二氧化碳，但是我们没有抓到任何硫化氢气体，但是我们检测到了大量的元素硫。

这样，对甲烷氧化过程的传统认知就被颠覆了。

因此，原位检测可以颠覆一些基于采样或其他模拟技术的传统认知。

最近我有了一些重大的进展，就是我敢把光学探头插到一个有300-400度高温和一些黑烟的系统里。

这个系统首先是高温，我们的技术解决了光学镜片在高温、高压、强腐蚀、浑浊环境下的检测。

这项技术可能是世界上唯一可以插入热液喷口进行原位探测的光学传感器。

我们不仅制造高温热液，还有“黑烟囱”和“白烟囱”。

它的温度不是特别高，我称之为低温，但也是100度，只是pH值特别低。

你可以想象一下海底有一个浓硫酸，然后我把探头敲下去，发现探头测出来的数据里面有大量的氢气。

对于生命从无机到有机，或者说有机的转变，氢气是一种非常重要的气体，所以它可能与深海的生命起源有关。

固体和液体没有什么特别的。海底下一定有石头和海水。你能相信海底下有天然气吗？

我们已经探测到海底的气体，这些气体不可能离开那个环境，把它们带回海面。

在最近发表在《科学通报》英文版的一篇文章中，我们首次发现了自然界中超临界二氧化碳的存在。

我的这件衣服是羊毛的，需要干洗。干洗店用什么？就是使用超临界二氧化碳。

它有什么特点？

它具有气体和液体的特性，可以先溶解有机物。

变成超临界的时候，带走了有机物，也就是衣服上的一些有机物和污垢。

然后当它的温度和压力下降时，它变成气态，可以被抽回重新利用。这就是干洗的原理。

它还有一个原理，石油工业用它做有机溶剂。

它还可以进行各种催化。

超临界二氧化碳形成的环境需要30多度，70多个大气压，这是我们表面不可能存在的，只能在深海或者很深的地方。

我们在这个热液区发现了这种气泡。

你不能把这种气泡带回来，因为它的温度已经达到了90度左右。

我们只能把我们的光打下来，然后测量它的成分，发现它和实验室里超临界二氧化碳模拟的一模一样。

这个气泡中还含有大量的氮，这是生命起源所需要的。米勒放电实验是产生氨基酸的实验，同样需要氮气。

热液系统一直被认为是地球生命起源的一种可能解释，但并没有在其中发现大量的氮。

我们发现超临界二氧化碳可能会富集氮气。在这种情况下，我们提出了地球早期生命的新起源，或者说从无机到有机的转化过程。

所以你干洗衣服的超临界二氧化碳可能和生命有关。

我们还在海底下发现了气态水，这也是相当惊人的。

如果是气态的东西，温度下降后会变成水和液体，或者上升到海面。

那它为什么没有变成液体上升呢？

它有一个倒置的湖。

你可以想象一下，把你的大脸盆扣在海底，然后有一股冒着热泡泡的蒸汽，让你的脸盆一直保持满满的，那股蒸汽会一直给它供热。

这样，就会形成倒湖结构。

这种倒置的湖泊结构令人惊叹。里面先有气态的水，把水气分离，或者说相分离的现象，从海底深处移到了海底表面。

此外，这种倒盆会形成非常平整的镜面，抑制大量硫化物颗粒喷入海洋环境。

这些硫化物颗粒会大量堆积在喷嘴周围，其对周围海洋环境的影响会减小。

这个探测器去了哪里？

它去过很多热液区，潜水150多次，随后国内外几个机器人去过太平洋几乎所有弧后盆地的热液区和冷泉，还有西南印度洋的热液区。

我们用的是“发现”号机器人，也就是中科院海洋研究所的机器人，还有“海星”号机器人，这是我们国家第一个6000m级的电推进机器人。

我们与它配对，在深海中进行合成天气水合物的实验，也称为可燃冰。

我们还和“海龙”交流，它也是机器人。它是我国用于海洋科学研究的机器人。

我们跟着“海龙”到了西南印度洋，然后在大洋中脊做了各种勘探工作。

我们还用“蛟龙号”探过海，这是我国或世界上下潜深度最深的载人潜水器。

我们已经搭载它进行相关联试工作，预计2020年9月将搭载它出海。

我们也走出国门，与美国合作。我们合作对美国和加拿大西海岸的所有冷泉和水合物区域进行了现场探测。

我没有把实验室搬到海底，只是把我的探测器带到了海里。怎样才能真正在海底建一个实验室？

我们从2016开始探索，我给它命名为“海眼”，像眼睛一样盯着海底很短的时间，就一年。

可见冷泉的生态群落变化很大。你可以看到装甲虾是从无到有，从有到多到少。

我做的实验是水合物的合成实验，可以发现375天里面的盐度变化特别大。

今年6月，疫情严重的时候，我们进行了一次科研，克服了各种困难。

我们把三代系统放到海里，特别复杂。有七个轻压舱，安装各种传感器，然后进行相关实验。

并不是说我只是去深海观察东西，而是要去深海做各种实验。

但是里面没有拉曼系统，没有各种光谱的系统，更多的是电化学传感器和普通的光学图像。

我未来的梦想是什么？

就是在深海建立一个光谱学实验室。

这个实验室不仅用了我刚才说的拉曼探针或者拉曼光谱技术，还把深海激光诱导击穿光谱技术，荧光光谱技术，红外光谱技术，都放在海底。

你在做什么?

去观察海洋的变化，做一些实验。

有什么好处？

因为它很轻，不会破坏那些生物的生存环境。我只需要射出一束光就能得到我需要的信息。

这个梦想的实现，离不开我国日益强大的科研实力。

这是我们的科考船“科学”号，我在这艘船上工作了将近8年。

它就像一艘母船，或者说像我们的母船，可以带领我们做各种深海实验。

希望你以后从事科研工作的时候也能投身海洋，探索深海。

“论道与格致”，原名“自我论道与格致”，是由中国科学院发起，由中国科学院计算机网络信息中心和科学传播局联合主办，中国科学博览会承办的科学文化论坛。致力于非凡理念的跨界传播，旨在以“师夷长技”的精神探索科技、教育、生活、未来的发展。获取更多信息。本文由微信官方账号“格致道教论坛”出品。转载请注明来源微信官方账号，未经授权不得转载。