第1985回：海底热泉巨型管虫，深海采矿阿尔文号

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无欺于死者，无负于生者，无愧于来者

第1985回：海底热泉巨型管虫，深海采矿阿尔文号

月球只是试验场，人类的长期目标是火星。

深海采矿将是人类的终极梦想，它比跑到火星采矿要现实得多。。。

在前文《黃劍博客圖文集》“第1802回：重复使用货运飞船，载人龙飞船示范号”中，我们多次提到了人类目前在太空技术上的巨大进步，人类现在已经开始着手到火星了掠夺矿产资源了。。。

那么我们对自己的地球又有多了解呢？实际上，人类对大海深处所知极为肤浅，甚至还不如人类对月球的了解。。。（吃里扒外，这山望着那山高，老婆是别人家的好。。。咱们天天惦记别人的好，却忘记珍惜自己曾经拥有的地球资源）

在人类探索太平洋的过程中，一个叫阿尔文号的潜水器功不可没。

阿尔文号是美国海军所有、伍兹霍尔海洋研究所运营的一艘深潜器，1964年6月5日从亚特兰蒂斯号海洋调查船上下水。它迄今已执行过五千多次任务，在寻找泰坦尼克号的时候发挥过重要作用。它是为了取代操作难度较高的深海潜艇等设备而建造的，重约17吨，可搭载两名观测员和一名驾驶员。它有两个机械臂，但也可以视情况安装额外设备。在紧急情况下，其前后部分可以互相脱离。

阿尔文号在下潜时，科学家意外发现了一种完全颠覆人类对生物认知的东西：巨型管虫。

巨型管虫是西伯加虫科下的一种生物。它生活在太平洋一英里以下的海底热泉附近，可以忍受富含硫化氢、水温在2至30摄氏度之间的海水。其长度可达2.4米（7英尺10英寸），直径约4厘米（1.6英寸）。不同于生长速度极为缓慢的羽织虫属物种Lamellibrachia luymesi（170至250年间只能生长2米），巨型管虫生长速度极快，两年内就可以长1.5米（4英尺11英寸）。

巨型管虫发现于1977年由地质学家杰克·科利斯乘坐阿尔文号深潜器前往科隆群岛热点探勘时所发现。巨型管虫的发现完全是个意外，当时的研究队伍只是为了研究当地的海底热泉，因此也没有生物学家进驻。这次探勘还在海底热泉附近发现了很多其他新物种。

由于阿尔文号深潜器搭载了机械手臂，因此也采收了许多生物的样本，包括了双壳纲、多毛纲、大型螃蟹以及约长 2 米的巨型管虫个体。

在这之后于中洋脊附近的海底热泉也陆续发现了许多海洋生物，尽管热泉附近的温度可达 350 °C到 380 °C。

巨型管虫刚孵化时为于远洋带可自行游动不仰赖共生的担轮幼虫，在发展为后担轮幼虫后转为行固着生活，并开始仰赖共生细菌提供营养。巨型管虫体内的共生菌并未出现于管虫的配子之中，而是在管虫孵化后，透过类似感染的形式借由皮肤自周遭环境吸收而得到。

刚出生的巨型管虫具有完整的消化系统，包括口、前段肠、中段肠、后段肠及肛门。在共生菌于中段肠建立群落后，中段肠会膨胀并形成营养体，而其他部分的消化系统则会退化。在成年巨型管虫的体内，几乎看不到有原本消化系统器官的残留。若将巨型管虫去掉外部由几丁质组成的长管，其身体构造有别与传统西伯加虫科的前体部、中体部、后体部三分形式。

巨型管虫身体的第一部分被称为鳃羽（Branchial Plume），主要负责提供营养给栖息于营养体内的共生细菌。其红色来自于其中由至多144个血球素链组成的血红素。这些血红素最大的特征在于能够携带并运送硫化氢及氧气，而大部分物种的血红素并无此能力。如果巨型管虫受到来自外界的刺激，它们会将鳃羽缩回至管中，并利用壳盖将自己封闭于管内。

巨型管虫身体的第二部分称为被套（vestimentum），由带状的肌肉所组成，带有两翼并在末端有两个生殖孔。膨大的背血管结构（功能类似于心脏）就位于被套之内。

巨型管虫身体的第三部分称为躯干部（trunk），包含了体壁、生殖腺以及体腔；躯干部也是管虫营养体的所在位置，营养体为海绵状的组织，储存了能提供管虫营养的硫氧化细菌与硫颗粒。由于成年巨型管虫的嘴、消化系统与肛门均已退化，它们所需的营养均必须由这些互利共生的细菌提供。细菌在营养体中所进行的化能合成，最早是由科里·卡瓦纳发现。

巨型管虫鳃羽中的血红素具有携带并运送H2S及O2的能力，而体内的共生菌则能透过微血管获得这些化学物质以进行化能合成。在化能合成的过程中，线粒体酵素硫氰酸酶会催化硫代硫酸盐S2O32-的歧化反应，生成S及亚硫酸盐SO32-。

硝酸盐与亚硝酸盐具有毒性，但是氮却是生物合成的重要元素。位于巨型管虫营养体内的化能合成细菌能将硝酸盐转化为铵离子，由细菌合成氨基酸并释放给巨型管虫。为了能将硝酸盐运输给细菌，巨型管虫的血管内具有极高浓度的硝酸盐，甚至为周遭海水硝酸盐浓度的 100 倍。为何巨型管虫能够浓缩并承受如此高浓度的硝酸盐，至今仍然未知。

巨型管虫身体的第四部分称为后体部（opistosome），将个体固着于管内并用来储存细菌化能合成后所产生的废物。

巨型管虫生存的环境叫海底热液系统。

海底热泉（hydrothermal vent）是从海底喷出经由地热加热过的水及其裂缝喷发口。通常发现于火山活动频发、大陆板块移动的地区及海盆、热点附近。常见陆地类型为温泉、火山喷气孔和间歇泉。在海底常会形成海底烟柱，相对于同样深度的其他海底地区，海底热泉附近通常生物更为繁盛，它们倚靠分解热泉中流出的矿物质为食。化能合成细菌和古生菌形成了此处食物链的最底层，支持着多样化生物，包括巨型管虫、一些蛤蜊和节肢动物的生存。活跃的海底热泉还被认为存在于木星的卫星木卫二上，火星上可能还有古代的深海热泉。

在中洋脊（例如东太平洋海隆和大西洋洋中脊）的海底热泉最为典型，此处大陆板块分离，并不断生成新的陆块。

相对于此深度通常大约2°C的环境水，海底热泉中喷出的水之温度可高达60至464°C。 同时由于此深度极高的液体静压力，海底热泉可能会成为超临界流体。其在218标准大气压下在纯水中的临界点是375 °C。在水下3,000米的深度，压力超过300标准大气压（海水密度超过淡水），因此在407 °C处成为超临界流体 ，拥有介于气体和液体之间的性质。

姊妹峰（海拔-2996米）、虾场（Shrimp Farm）和墨菲斯托（Mephisto海拔-3047米）是三座拥有海底烟柱的深海热泉，坐落于阿森松岛附近的大西洋洋中脊，可能自2002年地震之后就开始活跃了。 其水体有相变发生。2008年，其中一个被测到水温超过464 °C。这种热力学条件已经超过了海水应有的临界点，这是第一个在洋中脊发现的岩浆-热水交互作用现象。

最初的海底烟囱是由矿物质硬石膏沉积形成的。铜、铁、锌的硫化物矿物填塞其缝隙，减少孔洞。曾有记录显示海底烟囱可以快到每日增长30公分，到60米左右垮掉。2007年4月的调查显示，斐济附近的海底热泉口有丰富的溶解铁。

一些深海热泉会形成圆柱形的烟囱，其主要成分是热泉中的矿物。当超高温的热泉接触冰冷的海水时，矿物质沉淀析出变成烟囱的一部分，其中有些高达60米。

黑色海底烟柱是一类极深的深海热泉，它们包含云雾状黑色物质，通常富含硫化物。黑色的海底烟柱首次在东太平洋海隆被发现于1977年，发现人是斯克里普斯海洋研究所的科学家，使用了伍兹霍尔海洋研究所的阿尔文号深潜器。现在黑色海底烟柱存在于大西洋和太平洋地区平均2100米深的水下。最北部的五个黑色烟柱被称为洛基城堡， 2008年，它们由卑尔根大学的科学家发现于格林兰岛和挪威之间北纬73°N的地点。这些黑色烟柱也发现于版块活动不那么活跃的地区。

白色海底烟柱的颜色较偏酸性黑色海底烟柱更浅，富含钡、钙和硅元素会导致这种情况发生。它们的温度也较低，会持续形成柠檬酸循环。这里偏碱性水体和微观结构被认为是生命起源的温床。

一般认为生物存活必须依靠阳光，但是许多深海生物能只依靠海地的沉积物为生。深海热泉为这些生物提供了栖身之所，海底热泉附近的水体富含矿物质及细菌。因此其附近通常会聚集著端足类和桡足类生物，更大型的生物还有鱼类、甲壳纲生物、管蠕虫和章鱼。

巨型管虫可长达2.4米，是深海热泉附近最重要的生物之一。它们没有嘴和消化道，依靠它们自身组织中的细菌生产的养分为生，每盎司管蠕虫组织中约有2850亿细菌。管蠕虫红色的羽状组织中含有血红蛋白。血红蛋白和硫化氢结合，并且转移到生活在管状蠕虫体内的细菌。细菌回报给管蠕虫含有碳化合物的养分。

其他生活在此地的奇特生物还有鳞足蜗牛，其非常奇特的足部附有铁化物和有机材料形成的起保护作用的鳞片。可在80 °C（176 °F）高温下存活的庞贝虫也发现于此地。

1993年，已知有超过100种腹足类生物聚集在深海热泉附近。 超过300个新物种在热液喷口被发现， 其中不乏在地理上分开的热液喷口地区被发现的“姐妹物种”。据信在北美洲板块覆盖原先的洋中脊时，东太平洋地区曾有一个单一的、生物地理独立的海底热泉生物群。在墨西哥海岸附近2,500米深处海底发现有光养细菌存在，在此深度并无阳光。这些绿菌门的细菌依靠黑色海底烟柱发出的微光来进行光合作用，这是世界首次发现不使用阳光进行光合作用的生物。

生物地质化学循环在生态学上指的是化学元素或分子在生态系统中划分的生物群落和无机环境之间相互循环的过程。这使得相关的元素得以循环，虽然实际上在某些循环中化学元素被长期积聚在同一个地方而不发生移动（如海洋或湖泊的水）。

例如，水始终是通过水的循环回收利用，如该图所示。水经过蒸发，凝结和降水，干净清爽的回落到地球。通过生物化学循环，元素，化合物，以及其它形式的物质是从一个生物体到另一个生物体，并从生物圈中的一个部分到另一个部分。

生态系统有许多生物地球化学循环作为系统的一部分运行，例如水循环，碳循环，氮循环等。生物中发生的所有化学元素都是生物地球化学循环的一部分。 除了作为生物体的一部分之外，这些化学元素还通过生态系统的非生物因素循环，例如水（水圈），陆地（岩石圈）和/或空气（大气层）。

地球上的所有生物因素都可以被认为是生物圈的组成部分。所有的化学物质、营养物质或者更进一步说——元素，例如碳、氮、氧、磷——存在于生态系统中的有机体的封闭系统中，同时有机体又与开放系统相互循环这些化学物质以保持收支平衡。生态系统的能量则由开放系统所提供；太阳持续地为地球以光的形式提供能量，最后被食物网中的各个营养级所利用或以热能的形式散失。

生态系统中的能量流是一个开放的系统; 太阳不断地以光的形式给予行星能量，同时最终在食物网的整个营养级中以热量的形式被使用和被丢失。 碳被用来制造碳水化合物，脂肪和蛋白质，这是食物热量的主要来源。 这些化合物被氧化释放二氧化碳，二氧化碳可被植物捕获以制备有机化合物。 化学反应由太阳光的能量提供动力。

生态系统有可能在没有阳光的情况下获得能量。 碳必须与氢和氧结合才能用作能源，并且该过程取决于阳光。 深海中没有阳光可以穿透的生态系统使用硫磺。 海底热泉附近的硫化氢可以被诸如巨型管虫之类的生物利用。 在硫循环中，硫可以永久地作为能源回收。 能量可以通过硫化合物的氧化和还原来释放（例如，将元素硫氧化成亚硫酸盐然后氧化成硫酸盐）。

虽然地球不断从太阳获得能量，但地球化学成分基本上是固定的，因为仅有陨石偶尔会增加额外的物质。 由于这种化学成分不像能源那样得到补充，因此所有依赖这些化学成分的流程都必须回收利用。 这些循环包括生物圈和非生物岩石圈，大气层和水圈。

目前正在研究许多生物地球化学循环，因为气候变化和人类影响正在极大地改变这些相对未知的循环的速度，强度和平衡。

生物地球化学循环总是涉及热平衡状态：隔室之间元素循环的平衡。 但是，总体平衡可能涉及在全球范围内分发的隔间。

由于生物地球化学循环描述了物质在整个地球上的运动，因此对这些物质的研究本质上是多学科的。 碳循环可能与生态学和大气科学的研究有关。 生化动力学也与地质学和土壤学（土壤研究）领域有关。

1949年，一个深海调查项目探测到红海中心有不寻常的热水反应。后来发现这些热水来自于一个活跃的海床裂缝。

1977年，一个由俄勒冈州立大学的杰克·科利斯领导的海洋地质学家团队在东太平洋海隆的加拉帕格斯裂谷海底热泉附近发现了一个化能合成生态系统。1979年，生物学家们再次回到这里利用伍兹霍尔海洋研究所的DSV Alvin号深海潜艇来探测裂谷，亲眼目睹了海底热泉生物群落。同年，彼得·朗斯代尔发表了第一篇关于海底热泉生物群落的科学论文。

2005年，一家叫做Neptune Resources NL的海洋探测公司开始了对新西兰专属经济区克尔玛德克岛弧进行海底块状硫化物矿床探索。2007年4月，哥斯达黎加附近的美杜莎深海热泉田也开始了探索工作。 2010年，开曼海沟的皮卡尔德被伍兹霍尔海洋研究所和NASA喷气推进实验室的科学家发现。该深海热泉带长达110千米，也是世界上已知最深的深海热泉。

2020年5月28日，中国科学院海洋研究所声称其旗下的“科学”号科考船在深海热液区首次观测到气态水存在。因为有丰富的海底块状硫化物矿床，深海热泉成为了海底开发的一个重要地区。澳大利亚昆士兰的伊萨山就是著名的开发地之一。 开发这些地区被认为极有经济价值。

开发这些海地矿产可能会破坏深海热泉附近的生态系统， 因此在开发之前需要有许多保护和控制措施。

同时关于保护深海热泉的话题由来已久，在过去的20年中时常变成激烈话题。 实际上需要指出的是，目前为止对深海热泉造成了破坏的还包括那些探索此地的科学家们。 虽然有多次企图规范科学家们考察行为的国际公约，不过现在仍没有旨在保护深海热泉的国际公约。

深海采矿，或深海开采是一种新近的采矿程序，从海床或洋底开采矿物。地点通常选在蕴藏有大片丰富的锰结核或者海底热泉附近，距离海平面有 1400 米到 3700 米不等的距离。这些涌泉是形成大量海底硫化物的良好条件，而这些硫化物之中会包含一些有价值的贵金属，例如银、金、铜、锰、钴和锌。开采所使用的器械，则是利用液压泵或者使用桶装方法，将原矿带到地表以后再加以处理。

1960年代中期，J. L. 梅洛在他的著作中《海洋的矿物资源》（Mineral Resources of the Sea）提出了深海探勘的可能性。该书认为，在地球的海洋中可以寻得近乎无穷无尽的钴、镍和其他金属矿。

梅洛认为这些金属就藏在锰结核中，一种块状的压缩沉积物，位在海底大约 5000 米的地方。包含法、德、美之内的一些国家派出了探勘船来寻找这些结核物，结果显示，原先对深海开采的可行性预估被夸张了。过高的估计加上金属价格降低，深海探勘在 1982 年左右几乎完全被遗弃。美国从 1960 年代开始到 1984 年为止，在此项活动上花费了将近6亿5千万美元，成本几乎无回收。

在过去十年，深海开采进入一个新的阶段。在日本、中国、韩国、印度不断上升的金属需求，将这些国家推向寻找新的矿源。并且将目标放在海底热泉，而非原先的结核物。

目前，最佳的深海开采可行地点，称作 Solwara 1 计划，位于巴布亚新几内亚境内的海岸，是一个高纯度的铜-金矿，而且它也是世界第一个海床大量硫化物资源。Solwara 1 计划精确的说，位于新爱尔兰省俾斯麦海，深度 1600 米。利用最新的 ROV（遥控水中运输）科技，那提勒斯矿业（Nautilus Minerals Inc.）成为第一个在海底大规模开采的矿业公司。首批开采预期将在 2013 年开始。

规范深海开采的条例中，最重要的是联合国海洋法公约，它在 1973 年至 1982 年之间成形，并且在 1984 年实施。该公约设立了国际海底管理局（International Seabed Authority），负责管理在专属经济海域以外的深海采矿活动（200 海里）。此管理局规定有意进行海底开采的国家，必须有两个等值的开采地点，并且将其中之一交由该局管理，附带 10 至 20 年后必须移转所使用的采矿科技给其他国家。这个限制在当时看似合理，因为一般认为海底开采有高额的利润。但是这个严格的规定，导致一些先进国家拒绝签署 1982 年的初步协定。

深海中蕴含着许多不同的资源可供提炼，包括银、金、铜、锰、钴和锌，这些原矿可以在不同类型的海床寻得，而且通常比地表上的矿藏更加密集。

科技的进展让使用水下遥控载具（ROV）成为探勘开采地点的利器，它们利用钻头和切割工具，收集原矿的样本，带回地表分析。假如有可采的地点出现了，就会由采矿船或采矿站进行活动。

对全面开采来说，有两种主流的采矿法：连续的线型桶装系统（continuous-line bucket system，CLB）和液压汲取系统。CLB系统适合用来开采结核物，类似一个输送带系统，由海底输向地表，将有价值的资源提取出来以后，再将尾矿（tailing）输回海洋中。液压汲取系统则是利用两个导管，一个汲取原矿向上，另一个则将尾矿放回。

近年最受瞩目的采矿地点位于环绕巴布亚新几内亚的马努斯盆地中部和东部，以及东部的锥状火山口。这些地点的硫化物显露出可观的黄金藏量（平均浓度为 26 ppm）。它的深度仅有 1050 米，相对较浅，而且邻近就有黄金的提炼厂，非常具可采性。

由于深海开采是一个全新的领域，实际开采的后果仍属未明。然而，专家仍十分确定，移除部分的海床会扰乱底栖区的生物，尾矿会增加水体的毒性，并且形成悬浮物漂流（sediment plume）。依照开采的不同类型和地点，可能对底栖生物造成永久的伤害。除了对该区域的直接影响外，泄漏、倾倒和侵蚀则会改变该地区的化学组成。

悬浮物漂流（一种羽状漂流结构）也许是深海开采的所有影响中，最具破坏力的。将尾矿送回海中时，它通常呈现一种精磨、非常细小的颗粒，进而形成在水中漂流、类似云雾的团状结构。有两种类型：水面型，或者水底型的。近水底的类型，是透过通管将尾矿送回水底时形成的。这些水底的团状物，会增加水的浊度，阻塞水底生物用来摄食的过滤性器官。水面性漂流的则造成较严重的问题，依照其颗粒的粒度，水流会将这些颗粒散布到占据一个广大的区域。漂流团亦会影响浮游生物以及水的光透性，进而影响该地区的食物链。。。

Jumbo Huang Notes Citation: Oceans cover 70 percent of the earth's surface, but only a fraction of the undersea world has been explored."What we are doing is similar to astronauts and planetary scientists just trying to study life on another planet," says Beth Orcutt, a senior research scientist.The journey begins in Costa Rica aboard the R/V Atlantis, a research vessel operated by the Woods Hole Oceanographic Institution.

From there, Phil gets the chance to take a dive with Alvin, a deep-water submersible capable of taking explorers down to 6,000 metres (20,000 feet) under the sea.Commissioned in 1964, Alvin has a celebrated history, locating an unexploded hydrogen bomb off the coast of Spain and exploring the famous RMS Titanic in the 1980s.Alvin and its first female pilot, Cindy Van Dover, were the first to discover hydrothermal vents, which are underwater springs where plumes of black smoke and water pour out from underneath the earth's crust. The vents were inhabited by previously unknown organisms that thrived in the absence of sunlight.