谁能帮我介绍一下洋中脊热液系统?

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2025-03-26 17:11:01

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回答1：

对美国明尼苏达大学地球化学博士丁抗来说，自从20年前他选择了研究海底热液这一科研方向后就再没有离开过这一领域。10年前，他乘坐阿尔文深潜器下到2000多米以下的深海，目睹了海底热液系统喷发时生命涌现的壮丽景观，他也因此成为第一个到达千米以下海底的中国人。不久前，笔者在上海有幸听到丁博士报告他对洋中脊热液系统的研究心得。会后，丁博士专门接受了笔者的访问。

潜心十年准备下潜

1977年，科学家首次在Galapagos一直被认为是荒漠一片的深海海底发现管状生物群，1979年又发现了高温热液（100℃以上的黑烟囱）并追踪发现海洋热液系统。以此为标志，引发了一场持续至今的涉及海洋、生命等学科的革命。其时，正在贵阳中科院地球化学所涂光炽门下读研究生的丁抗听说了这件事，很有兴趣，并定下了这个学科方向。在涂先生的支持下，1988年，丁抗冲着在该领域走在最前沿的明尼苏达大学而去。

“当时，科学界正力图弄清海底的高温热液是怎么来的？它的制约因素、在什么温度、压力下能生成热液？不同地区的热液为何不同？是什么因素在起作用？那时已经知道，热液中生命的存在与氢气、硫化氢有关，其含量的多少对热液体系中生命的发生与否有着很关键的影响。”

在这种背景下，到美国后的最初5年，丁抗的主要精力就放在研究热液中氢气及硫化氢的含量，试图找出什么因素在制约着它们的量变？随着研究的深入，他发现这些问题还涉及到一些很基本的化学问题。譬如要确立这两个化学组分在热液中的活度系数。他在高温高压条件下进行了大量的实验工作，最终解决了这个一直悬而未决的难题。

在做实验时他意识到，由于海底和地面实验室的环境的不同，在实验室测得的热液样品的pH值并不准确。那时，科学界尚无在海底直接测定热液pH值的能力，为此丁抗做了2年的实验，设法通过搞清铁和氢气、pH值之间的关系来间接获得结果，由此建立了计算洋中脊中热液原位pH值的热力学公式。1992年，他首次获得了几个主要热液活动区中热液的pH值。

尽管实验工作很漂亮，但这些都还是间接推断。接下来应当直接到海底热液口测定，而这一工作的关键是原位传感器技术。这种能经受海底热液口高温高压酸性溶液环境的化学传感器当时只能自己研制，为此，丁抗从1993年开始挑战这一化学传感器技术的禁区。连续3年，相继攻克了机械、电子、材料以及理论热力学等难关后，他终于研制成世界上首个在超临界水中能分别测氢气、硫化氢和pH值的原位传感器。这几样化学成分对海底热液中的生命都有着很关键的作用，尤其前两项是热液中生命存在最重要的能量来源。

1996年，他对于相关的高温原位pH值的研究结果在《Science》（科学）杂志上发表，给出了热液的原位酸碱度和在实验室测定值之间的关系。

十年下潜探究生命

正因为有了以上的贡献和经历，也因为有了非常清晰的研究目标，1998年，也就是丁博士到明尼苏达大学10年后，他获准第一次进入深潜器阿尔文号，第一次到了海底。

这以后的10年，丁抗和他的同事们考察了北太平洋的所有热液点，他自己17次深潜海底，用他研制的传感器一一去测，通过上百次地应用、改进，不仅证明了这种传感器是有用的、可用的，而且可用来解决科学问题，如了解热液的演化，从幼年到成年，再到老年，随着这些变化，氢、硫化氢、酸碱度等等怎样变化的，这些决定了热液生物群的变化。

对于首次下潜经历，丁抗这样描述：“随着潜艇下降到150米以下，窗外就一片漆黑了，透过舷窗看海底，感觉完全是一片漆黑，然后感到星星点点像流星一样一闪而过，水母等浮游生物游过时也能发光，就像星星的蓝光。再往下到了千米以下再无任何波浪，会感觉极其宁静，这是任何诗人无法表达的。海洋的波涛多被视为是力量的象征，实际上它的力量更多来自其宁静的主体。海底世界不仅宁静，而且很干净，看不到水草，绝大多数情况下看不到鱼和任何生物，偶尔会看到海绵，而当你看到有生命迹象时，如螃蟹等，就离热液很近了，然后看到热液时就是另一个世界了，非常壮观！”

十年的海底深潜探测过程中，丁博士和他的同事通过实际使用，不仅把传感器从样机不断完善成为实用装置，而且发现了越来越多的科学问题。其中，有些已找到答案，更多的还是未解之谜。

譬如：这种分布在海底大洋中脊汹涌壮观的热液在其深部产生的端点上究竟是何状态？具有何种物理和化学的特征？热液生物体系是如何随着热液的演化而从弱到强进而消亡的？

丁博士说，深海隐藏着无穷的奥秘，仅以我们目前对10%的洋中脊的考察，就已经产生了很多与常识不同的看法：

“现在大家最关心的是原来认为生命都是依赖光合作用的，现在发现有另外一类生物的化合作用，完全是通过溶液中的化学成分的反应产生能量，这种能量能被这些生物获取，形成新陈代谢的能量来源。这一发现大大有助于人们思考生命起源的问题。地球上本无氧气，这些氧气是生物活动的产物，所以对这部分热液生物的研究有可能帮助人们揭示生命起源的奥秘。

“另外，海洋中的化学成分，过去认为主要是受江河流入而致，现在发现不完全正确，它还受热液的影响。海水在洋壳中不断进行循环，大约每几千万年要完全轮换一遍。所以热液连接着处于低温或常温的海水和它下伏的高温岩石。

“另一个奇怪现象是海底热液生物中有一些仍是靠着光来获取其生命能量的，而那个世界里漆黑一团似乎并无光亮，其中之谜尚有待揭示，一个可能的解释是热液在形成时可能会带来一些光线，由此支持了这些生物的存活。

“另外对生物学的一些基本认识也会因为对热液生物的研究而有所突破和颠覆，现在差不多平均每个月就有两个新物种被人们发现证实，现在已发现500多种了。对搞基因工程的人而言，这是个巨大的宝库，对制药界而言，这种特种基因和资源也是极好的资源。这个领域的发现和研究仅只有30年，如果发展下去，前景一定是很难估量的。”

建言中国深入海底

丁博士告诉记者，他目前做的课题包括通过氢气、硫化氢、硫酸根三样东西研究建立热液演化的序列，了解什么因素在决定着一个热液化学体系的演化？搞清什么样的化学环境使得这些生物存在，同时也要研究不仅热液决定了生命的存在，生命也改变了热液。

针对生命起源问题，丁博士谈到，在海底热液体系的研究领域有几件事可以做。一是尽可能多地发现生物，并且争取在更高的温度条件下发现生物（目前所证实的生物最高的存活温度是121℃）；通过研究来确定其功能与生存环境，通过DNA测序来弄清这种生物在整个生物演化史中的位置。另外也可以在热液的高温区段，比如300-400℃高温下，研究无机二氧化碳如何在热液条件下转变成有机化合物的，这实际上一直是探索生命起源的一个基本途径。

丁博士认为，研究大西洋的热液体系与火星研究也有某种关联，火星岩石类似大西洋洋底的岩石，如果火星早期有水的话，那么条件就有相似性，为什么那时就不能有生命呢？

丁博士说，以上都还只是洋中脊研究问题中的一个点。由于对洋中脊的了解关乎人类对生命本源的了解，关乎对海洋世界的认识，从长远来讲，也关乎人类的生存。所以，国际社会对洋中脊、对深海世界的了解的兴趣日增，纷纷出台各自的研究计划。美国在早些年就有了专门的洋中脊计划。丁博士期盼中国也能尽早制定自己的洋中脊及深海探测计划。

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