探秘深海 “黑科技”：冷泉生態(tài)系統(tǒng)研究裝置

2025 年 2 月 28 日，一項(xiàng)舉世矚目的科研工程 —— 國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施 “冷泉生態(tài)系統(tǒng)研究裝置” 在廣州市全面啟動(dòng)建設(shè)。冷泉裝置建設(shè)周期5年，預(yù)計(jì)2030年前后投入使用。冷泉裝置將采用“樣地實(shí)驗(yàn)+陸地模擬，海陸協(xié)同、時(shí)空互換”的設(shè)計(jì)思路，建設(shè)面向冷泉生態(tài)系統(tǒng)的深海載人駐守型海底實(shí)驗(yàn)室與陸基保真模擬設(shè)施相融合的國(guó)際領(lǐng)先研究裝置，支撐冷泉生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育、化能合成生物演替和甲烷物態(tài)演化及其環(huán)境效應(yīng)研究。這個(gè)由中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所牽頭申報(bào)并承擔(dān)建設(shè)的項(xiàng)目，將為人類(lèi)探索深海奧秘開(kāi)啟全新篇章。

一、什么是冷泉生態(tài)系統(tǒng)

在深入了解研究裝置之前，先來(lái)認(rèn)識(shí)一下冷泉生態(tài)系統(tǒng)。“冷泉” 是指海底之下的甲烷、硫化氫和二氧化碳等氣體，在地質(zhì)結(jié)構(gòu)或壓力變化驅(qū)動(dòng)下，溢出海底進(jìn)入海水的活動(dòng)。而冷泉生態(tài)系統(tǒng)，就是海洋生物利用海底冷泉滲出的化學(xué)物質(zhì)為能源進(jìn)行化能合成，從而在海底黑暗世界里發(fā)育成的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)。它具有黑暗、高壓、低氧等理化特征，以可燃冰分解的甲烷為生源要素，通過(guò)化能合成作用生生不息，被譽(yù)為 “深海綠洲”。目前，科學(xué)家已在冷泉生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了 600 多種生物，這里繁衍著管狀蠕蟲(chóng)、蛤類(lèi)、貽貝類(lèi)、甲殼類(lèi)、多毛類(lèi)動(dòng)物以及海星、海膽、蟹類(lèi)、冷水珊瑚、魚(yú)類(lèi)等后生動(dòng)物，形成一套完整的以化能營(yíng)養(yǎng)為基礎(chǔ)的深海生態(tài)系統(tǒng)。

二、冷泉生態(tài)系統(tǒng)研究裝置的構(gòu)成

冷泉裝置采用 “樣地實(shí)驗(yàn) + 陸地模擬，海陸協(xié)同、時(shí)空互換” 的設(shè)計(jì)思想，項(xiàng)目包含 “海底實(shí)驗(yàn)室分總體”“保真模擬分總體”“保障支撐分總體” 三部分，總建設(shè)周期為 5 年。

海底實(shí)驗(yàn)室分總體：海底實(shí)驗(yàn)室堪稱(chēng)整個(gè)裝置的核心亮點(diǎn)，其主體結(jié)構(gòu)由 5 個(gè)串聯(lián)的鈦合金球體構(gòu)成，長(zhǎng)度達(dá) 33 米，寬和高均在 7 - 8 米左右，排水量 600 噸，內(nèi)部體積相當(dāng)于 3 個(gè)中國(guó)空間站大小。這個(gè)龐然大物配備了完備的生命保障和應(yīng)急逃逸等功能，最多可支持 6 人（3 名操控人員、3 名科學(xué)家）在 2000 米深的海底進(jìn)行連續(xù) 30 天的原位觀探測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究。它就像一座深海中的 “空間站”，科學(xué)家們駐扎其中，能對(duì)冷泉生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期的觀測(cè)研究。海底實(shí)驗(yàn)室還裝配有載人移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)、水下航行器、無(wú)人遙控潛水器及絞車(chē)等移動(dòng)探測(cè)設(shè)備，極大拓展了探測(cè)和研究范圍。

保真模擬分總體：該部分在陸地實(shí)驗(yàn)室建立深海環(huán)境模擬系統(tǒng)。其中的冷泉艙球艙內(nèi)徑 5 米、柱艙內(nèi)徑 3 米、水體總高度 15 米，最大工作壓力達(dá) 20 兆帕，等同于海底 2000 米左右的壓力。在這里，科研人員可以依據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)可燃冰形成的物理、化學(xué)和生物過(guò)程及其相關(guān)機(jī)制、可燃冰開(kāi)采過(guò)程和冷泉生態(tài)系統(tǒng)全生命周期發(fā)育演化的過(guò)程進(jìn)行全要素的仿真模擬重塑。通過(guò)將海底實(shí)驗(yàn) “搬到” 陸地開(kāi)展復(fù)刻實(shí)驗(yàn)研究，為深入探究冷泉生態(tài)系統(tǒng)提供了更便捷、可控的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

保障支撐分總體：由水面保障母船和研發(fā)與智慧管理中心組成。水面保障母船設(shè)計(jì)排水量達(dá) 9380 噸，具備 600 噸級(jí)海底實(shí)驗(yàn)室收放與保障作業(yè)能力。它為整個(gè)研究裝置提供物資補(bǔ)給、人員運(yùn)輸、數(shù)據(jù)傳輸、動(dòng)力供應(yīng)等關(guān)鍵保障，確保海底實(shí)驗(yàn)室及其他設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。研發(fā)與智慧管理中心則負(fù)責(zé)整個(gè)冷泉裝置系統(tǒng)的日常運(yùn)維管理、科學(xué)研究統(tǒng)籌等工作，保障整個(gè)項(xiàng)目的高效推進(jìn)。

三、冷泉生態(tài)系統(tǒng)研究裝置的科學(xué)意義

探索生命起源與適應(yīng)機(jī)制：冷泉生態(tài)系統(tǒng)的極端環(huán)境與地球早期環(huán)境有相似之處，研究這里的生物有助于揭示生命在極端條件下的起源和演化過(guò)程，以及生命對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制，為我們理解生命的本質(zhì)提供重要線索。

助力深海資源綠色開(kāi)發(fā)：冷泉區(qū)與可燃冰等深海資源密切相關(guān)，是可燃冰的富集區(qū)。通過(guò)研究冷泉生態(tài)系統(tǒng)，能夠深入了解可燃冰的形成、分布和演化規(guī)律，為可燃冰等深海資源的綠色開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)，降低開(kāi)發(fā)過(guò)程對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)的雙贏。

研究全球氣候變化：冷泉區(qū)的甲烷氣體是重要的溫室氣體來(lái)源，其滲漏對(duì)全球氣候及生態(tài)環(huán)境影響重大。借助冷泉裝置，科學(xué)家可以精確監(jiān)測(cè)冷泉區(qū)甲烷的釋放規(guī)律、通量變化等，為全球氣候變化的研究和預(yù)測(cè)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，助力應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)。

挖掘新型生物資源：冷泉生物在獨(dú)特的環(huán)境中進(jìn)化出了特殊的生理機(jī)制和代謝途徑，有可能合成生物醫(yī)學(xué)上重要的化合物，具有巨大的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用潛力。研究裝置的建設(shè)將有助于發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)這些新型生物資源，為醫(yī)藥、生物技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展注入新活力。

四、冷泉生態(tài)系統(tǒng)研究裝置的建設(shè)意義

推動(dòng)深?？萍伎缭桨l(fā)展：冷泉裝置的建設(shè)和運(yùn)行，將突破深海載人長(zhǎng)周期駐留實(shí)驗(yàn)、超大潛深大型耐壓結(jié)構(gòu)安全性、大尺度鈦合金加工工藝、深水濕插拔連接器、深水接駁開(kāi)艙等一系列關(guān)鍵核心技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)深海工程技術(shù)及裝備在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)從 “跟跑” 到 “領(lǐng)跑” 的超越，大幅提升我國(guó)在深?？茖W(xué)研究領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展：該裝置的建設(shè)將實(shí)現(xiàn)我國(guó)深海長(zhǎng)周期載人駐留實(shí)驗(yàn)裝備的工程化應(yīng)用，帶動(dòng)深海材料、深海能源、深海通信、海洋裝備制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用，創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

促進(jìn)國(guó)際科技合作交流：作為一個(gè)多學(xué)科綜合的大科學(xué)裝置，建成后將向社會(huì)開(kāi)放共享，建立多學(xué)科綜合交叉平臺(tái)，吸引全球高水平研究及技術(shù)人才。這將促進(jìn)冷泉科技研發(fā)領(lǐng)域的國(guó)際合作，提升我國(guó)在國(guó)際海洋科研領(lǐng)域的影響力，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化粵港澳大灣區(qū)的大科學(xué)裝置配置和科技布局，推動(dòng)區(qū)域科技創(chuàng)新發(fā)展。