深海资源对很多人来说，是和渔业、石油、天然气、可燃冰等联系在一起的。不久前，“蛟龙号”深潜器带着6位中国海洋科学家潜入南海深处，对南海深处的地壳变动和各种生物资源进行盘点。深海的奥秘对于人类来说，不仅仅是丰富的资源，还意味着地球上生命的起源。破解深海的奥秘，有助于我们了解地球上的生命如何从只有不起眼的微生物孤独地存在，变成了现在人类和各种生物共存的状态。

        我们究竟从哪来？为什么我们的家要在这里？earth（大地，地球）一词都是源于古代苏美尔的e.ri.du，本意是“遥远的家”；希腊词汇anthropos（人类）的意思是“总是仰望的生物”。从古人创造的词汇中，我们就感受到这不仅仅是科学命题，也是哲学命题。

    在许多同行看来，从事深海研究的既是研究、也是探险，工作本身还能带来无穷的心灵震撼并引领我们触摸到真实的美的体验。海洋占地球表面的70%以上，平均深度是3800米，其中深海区约占海洋面积的84%。海洋特性决定了深海探索的困难，至今人类对深海的科学认知远不如对浩瀚太空的认识。

    现代海洋学上对深海生态系统的研究起始于1872-1876年的“挑战者”号航程（HMSChallenger Expedition），并开启深海探秘的英雄时代。深海不只有“荒芜的沙漠”，也有热液、冷泉这样的“生命绿洲”。那里的生物多样性像热带雨林一样高，直接或间接影响着陆地生物的生存环境。

    1977年美国“阿尔文”号深潜器（AlvinROV）最早在太平洋上的加拉帕戈斯群岛（Galapagos Rift）附近2500米的深海热液区发现了完全不依赖于光合作用而独立生存的独立生命体系，由微生物开始，包括大型生物如长管虫、蠕虫、蛤类、贻贝类，还有蟹类、水母、藤壶等，共同组成了“黑暗食物链”。

    此后，在20世纪80年代，科学家们又陆续发现了冷泉——另一种化合作用支撑的生态系统，从而进一步扩展了人类对生命极限的认识。深海微生物群落长期生活在极端环境下，具有显著区别于陆地生物的独特的代谢途径，以及适应于该环境的信号传导和化学防御机制。这就意味着其生命活动中生成的形形色色的化合物有许多也是可资利用的天然产物。

    深海热液环境与地球早期环境类似，其中发现的超高温超高压微生物多处于进化树的根部，可能保存了地球上最古老的生物信息，是我们研究陆地生命起源甚至外星生物的一个窗口。

    我们从深海2000-4000米火山烟囱体中分离出100多株起源于30亿年前超嗜热古菌，它们有些居然能在130℃，600大气压的环境下生长繁殖。想想我们家用的“高压”锅只能在约2个大气压100℃多一点的条件下工作，离我们分离培养的一株深海古菌所需的最低生长压力还有150个大气压的距离时，我们不由得惊叹生命的奇迹。更加奇妙的是，经过实验室几代研究生的努力，我们现在不仅能培养这些深海精灵，甚至还能像捏泥人一样塑造它们，赋予它们新的生命力。

    地球是迄今唯一适合人类生存的星球，研究极端生命的边界条件，将为我们探索域外生命或其他潜在生命形式提供新的线索。当我们研究深海极端微生物时，我们就有机会了解生命的某些基本规律以及生命发展的历史。这是因为海底火山系统分布于全球的海底扩张中心，类似早期地球原始环境，海底热液环境中带有各种还原性气体、保持着化学及温度梯度。

    这一学说自上世纪80年代末被提出以来，海底热液环境生命起源学说得到很多证据支持：“进化树”的根部大多是些超高温微生物。现代热液生态系统具备早期地球相似的高温、缺氧等条件，在该环境中生存的微生物可能保存与早期生命相似的基因组结构；整体来看，深部生物圈环境既没有经历地球表面大规模地质历史事件如“雪球”低温事件的影响，也没有经历过一个明显逐步降温的过程，避免了早期的持家基因（组）的突变、丢失。目前自生命诞生至前寒武纪的微生物化石记录甚至生物标记物都很少被发现，其它生物标记物所能提供的信息也十分有限。

    系统研究现代深海微生物基因组所蕴藏的信息结合环境模拟来追溯形成基因组内源结构所必须的外在理化条件，与已有的地质记录相对比印证，可以提升我们对地球早期环境及其变化过程的认识；为生命起源甚至早期地球环境演化的研究带来了新的机遇。例如：拥有大量液态甲烷的土卫六（Titan）也被认为可能是地球以外一些生命形式的栖息地。深海微生物厌氧甲烷氧化过程是能耗最低的生命过程之一，接近于热力学理论极限。对深海微生物甲烷代谢过程及其独立生态系统的系统实验与理论分析，有可能使我们从动力学热稳定性的角度推算出其他潜在的依靠甲烷低能耗生命形式。

    如果说地球上的生命就像建筑物一样有一张图纸的话，现代地球上的生命的设计图已经在30多亿年前就已经设计完毕了。而最初的产物则是深海古菌这样的微生物。

    深海古菌已经存在了几十亿年的历史，现在我们已经能够在实验室里分离出35亿年到36亿年前的古菌。而人类只有几百万年历史。

    现在我们的实验室在深海微生物上做一些基因工程，还原生命的最初状态。因为生命最初就是生活在超高温的、厌氧的状态下的。现在很多人都认为氧气是很重要的，但其实，生命最初是厌氧的。氧气是原始生命的代谢废物，甚至可以说氧气是有毒的。所有的生命都在对抗氧化，甚至可以说是在对抗氧气的毒性。

    和我们惯常所认为的，深海中寒冷阴暗不见天日不同的是，大洋深处既有冷环境也有热环境，热环境主要是在摄氏400度左右，大部分是在海底火山口。而冷环境则是在深海中，随着海洋深度的增加，水温不断降低。但是不论是热环境还是冷环境都生活着很多的远古微生物。目前世界上已知的深海微生物有百万种以上，但是科学家现在真正能够有条件研究的也就只有万分之一。海底的很多微生物都是“缓慢生活”一族。研究已经发现在深海中的很多微生物，它们要几十年才繁殖一代，甚至几千年才把体内的细胞更换一遍。

    目前我国采样的微生物主要是海底5000米左右的微生物。而随着“蛟龙号”的入海，未来研究的微生物的深度将会更深。

    参加大洋航次是我们深海微生物研究不可或缺的部分，也是实验室“秀才”们走向广阔天地的成人礼。

    “风雨同舟”、“同舟共济”甚至“上了贼船”这些耳熟能详的词汇在我们真正踏上大洋航程的时候才有了充分的体会。

    参加大洋航次是我们深海微生物研究不可或缺的部分，也是实验室“秀才”们走向广阔天地的成人礼。没有出海经历，就很难有对海洋科学的真实感觉。每年中国的南极考察都按第几次队编号。同行见面，常问的问题是“你是黄埔几期？”同船的“海友”是一个特殊的团体，一同出海的艰苦经历也使大家保持有一种特殊的友谊。

    在2001年我的第一个航段是从夏威夷起航，最后回青岛，一共55天的航程，这是大洋一号改装前最后一个航段，其条件艰苦也是今天所不能想象的。除此之外，晕船也是多数人的必修课，短的1-2天，长的20余天甚至一个航段（七周）。大多数人都很难想象那些重度晕船者绝望的感觉——每天减重一公斤，吐到出血，全靠吊盐水补给，在这种情况下，每个人还必须完成自己分内的工作，因为舱位有限，无论人员还是设备的备份都是有限的。

    而且，航行遇到风浪的时候，为避免船被拦腰截断，船长必须时刻让船头对准浪头方向。2008年我作为首席科学家与船长一起带领考察队在南大洋西风带边缘进行的考察让我终身难忘。无数次大浪越过6层高的船桅，跨过104.5米的船长落到船尾。当偶尔浪打到船侧的时候，响如重锤撞击，5600吨的大洋一号也在颤抖，那种感觉可谓惊心动魄。

    为了节省船时，我们有时还需要在风雨交加、左右上下摇摆的后甲板上，踏着涌上甲板的海水，用止荡缆绳将吨级的采样器释放回收。这既需要技术更需要勇气。在相对恶劣的海况条件下，凭借精湛的技术和良好的配合，我们科考队利用电视抓斗在2000米水下抓取了热液烟囱体，其难度堪比从5层楼顶用鱼钩把地面一个硬币上芝麻拉上来，在漫长皆苦的航程后，其成功的喜悦是无法替代的。

    深海研究是工程与科学的结合。对深海生物的研究，不仅需要生命科学与地球科学的基础知识，也依赖于装备的进步与发展。我国研制“蛟龙号”载人潜器取样深度达到7062米，是国际上同类潜器下潜深度最大的。人类带着他们的潜器已经多次造访近11000米的马里亚纳海沟，不久的将来我们就可以看到记录海洋生物的3D电影和深海《阿凡达》。

    我们已经在深海冷泉、热液等特殊地点开展长期原位观测。通过摄像、探头等设备记录当地的生物活动，环境参数，甚至微生物活性。

    长期原位观测平台的建立要解决供电和信号传递两大难题。在加拿大南部的观测网利用电缆实现了原位观测系统的供电和信息传递。而在远海，海底原位的微生物燃料电池将阴极和阳极探头放在氧化还原电位不同的泥层或者水层，微生物代谢催化的氧化还原反应中的电子传递通过导线，从而产生电流可供原位观测设备使用。

    基于深海的微生物燃料电池除了材料选取要抗压防腐蚀外，在电极的布置上还要综合考虑营养物的分布和海底稳定性。在美国东海岸河口和大陆架地区已经有海底微生物燃料电池的成功应用，面向深海应用也有前期研究成果发表。另外也曾在喷口处布置培养装置，便于微生物在表面附着生长。待一周至数周后将装置取回，分析所附着微生物的种群结构，我们藉此了解一个热液喷口的生态系统生成过程。当然最常用的一种研究方法还是将样品带回实验室通过深海环境模拟技术富集培养。

　　转自【文汇报】肖湘

　　上海交通大学生命科学与技术学院特聘教授，“新世纪百千万人才工程”国家级人选。2001年被聘为中国大洋协会深海生物基因资源开发项目责任专家，2007年作为中国代表团代表赴纽约参加联合国关于深海生物基因资源保护的讨论。2008年担任中国大洋20航次生物航段首席科学家。主要从事极端微生物和深海热液、冷泉及深部生物圈等极端生命系统的研究。主持国家自然科学基金重点项目、海洋863重点项目、中国大洋专项、973课题等。