要是把幾組數(shù)據(jù)擺出來，普通人或許會感受到一些研究海洋領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的焦慮。
首先，海洋覆蓋了全球70%以上的面積，但目前海洋只有5%的區(qū)域被人類探明。其次，國際自然保護(hù)聯(lián)盟（IUCN）去年告訴他們，全球每年生產(chǎn)約4.6億噸塑料，其中有2000萬噸最終流入海洋。最后，一篇近期發(fā)表在Nature上的論文指出，在深海試采發(fā)生44年之后，許多生物群體依然受到影響。
平衡保護(hù)與開發(fā)是個(gè)難題。在2025中關(guān)村論壇年會舉辦的海洋科學(xué)與發(fā)展論壇上，國家自然科學(xué)基金委員會副主任蘭玉杰表示，“人類要破解共同發(fā)展難題，比以往任何時(shí)候都更加需要國際合作和開放共享?！痹诩訌?qiáng)海洋領(lǐng)域基礎(chǔ)研究布局方面，她提到將主動適應(yīng)AI驅(qū)動的科研范式帶來的方法論革新。
深海采礦逐漸走向商業(yè)化，生境保護(hù)是關(guān)鍵
人們對海洋知之甚少。在垂直方向上，海洋包括大陸架、大陸坡、深海平原、海溝、盆地、海底山脈、海底峽谷、海底山等地形，垂直深度最大可以達(dá)到11千米。大海深處并不寂寥，其物種豐富程度也很高。
但毫無疑問的是，深海面臨著來自自然和人類的雙重挑戰(zhàn)。例如，全球增溫會讓海水酸化，對于“這種增溫和酸化是如何向深海挺進(jìn)，其影響程度如何？”這類問題，人類目前也難以解答。
新能源中有錳、鈷、鎳等重要金屬元素，這些元素的重要富存區(qū)域就在深海。于是，人們從水深大約1000米以下的海底開始挖掘，提取礦產(chǎn)資源。他們認(rèn)為，深海采礦是一種可持續(xù)性更高的獲取綠色轉(zhuǎn)型所需礦產(chǎn)的方式。
已有的科學(xué)研究表明深海采礦本質(zhì)上會嚴(yán)重破壞開采區(qū)域的棲息地和生物多樣性，受到影響的依賴海底資源生存的生物類群可能需要數(shù)百萬年才能恢復(fù)，甚至可能發(fā)生物種的局部滅絕。
而采礦過程釋放的化學(xué)物質(zhì)能改變海底水化學(xué)環(huán)境，通過富集作用導(dǎo)致重要經(jīng)濟(jì)魚類發(fā)生毒素積累，甚至影響深海生物的生存。此外，深海采礦帶來的噪聲、燈光和震動等物理干擾會擾亂包括鯨類在內(nèi)的海洋生物之間的交流。
不過，需要認(rèn)清的是，在全球能源轉(zhuǎn)型的重要階段里，人類無法避免去開發(fā)深海資源。
中國海洋大學(xué)教授陳旭光表示，深海蘊(yùn)藏著幾千億噸的礦產(chǎn)資源，它既是人類可持續(xù)發(fā)展的新支點(diǎn)，也是全人類共同的財(cái)富。目前世界各國競相在深海采礦工程技術(shù)裝備領(lǐng)域取得突破，許多國家已初步掌握了具備深海采礦完整的技術(shù)裝備體系。在深海采礦不斷走向商業(yè)化的過程中，生境保護(hù)成為了大家最關(guān)心的問題，也是最關(guān)鍵的問題。
陳旭光認(rèn)為，深海開發(fā)和環(huán)境保護(hù)絕對不是相互沖突、相互制約的關(guān)系，而是深度融合、相互增益的共生關(guān)系?！氨热缯f，我們在深海礦產(chǎn)開發(fā)過程中，可以幫助二氧化碳更好地封存在深海海底，來實(shí)現(xiàn)二氧化碳的深海封存，從而助力全球的碳減排計(jì)劃。與此同時(shí)深海采礦水下裝備也可以支撐環(huán)境監(jiān)測的保護(hù)裝備的研發(fā)和穩(wěn)定地運(yùn)行?！?/p>
科研工作者借助于深海采礦的輪船、管纜和礦車系統(tǒng)，將液態(tài)二氧化碳從水面可以輸送至海底，讓它作為海洋礦產(chǎn)開發(fā)的留存介質(zhì)，這樣在保持深海礦產(chǎn)開發(fā)高效率的同時(shí)，能夠讓二氧化碳形成穩(wěn)定的水合物附存災(zāi)害地，這樣就形成深海礦產(chǎn)開發(fā)和深海碳封存的協(xié)同并進(jìn)、共同發(fā)展。
深海的作業(yè)擾動有可能在海帶形成大規(guī)模的羽狀流，這些羽狀流可能會生成擴(kuò)散，威脅生態(tài)環(huán)境。陳旭光介紹，鑒于深海采礦可能引發(fā)的生態(tài)的危險(xiǎn)，他們從綠色的藻類當(dāng)中提取成分，這個(gè)成分可以和羽狀流的細(xì)小顆?？焖俚匦罘e成團(tuán)，形成大量的絮團(tuán)快速地沉積到海底，這樣就能制約減緩海底產(chǎn)生的羽狀流對海底生態(tài)的危險(xiǎn)和威脅，能抑制深海采礦對海底的生態(tài)的威脅，讓海底告別這種類似于霧霾的威脅，守護(hù)海底生態(tài)。
“這是我們的一個(gè)理念。這個(gè)工作也通過蛟龍?zhí)栐诤５自贿M(jìn)行了海試的驗(yàn)證?！标愋窆庹f。
用AI研究深海生境
深海生境有多個(gè)。中國工程院院士、自然資源部第二海洋研究所研究員李家彪說，在這些生境空間里，有100萬的新物種會被發(fā)現(xiàn)。從最近幾次深潛所獲得的新物種來看，他認(rèn)為這種估算并不激進(jìn)。
人類對于深海生境的研究不足，缺少系統(tǒng)性的科學(xué)觀測?；谶@類情況，2023年聯(lián)合國教科文組織政府間海洋學(xué)委員會發(fā)起了一個(gè)“數(shù)字化的深海典型生境”大科學(xué)計(jì)劃。該計(jì)劃也成為全球21項(xiàng)聯(lián)合國“海洋科學(xué)促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展十年”大科學(xué)計(jì)劃申報(bào)中的唯一獲批計(jì)劃。
根據(jù)計(jì)劃，科學(xué)家們將重點(diǎn)關(guān)注海山、洋中脊、陸坡和平原等易受自然變化、氣候變化、人類活動影響的深海典型生境類型，開展科學(xué)調(diào)查及連通性研究，發(fā)展深海長期智能觀監(jiān)測技術(shù)，提升深海典型生境應(yīng)對擾動的預(yù)測能力，構(gòu)建“發(fā)現(xiàn)-模擬-預(yù)測”數(shù)字化平臺，集成深海典型生境“一張圖”等公共產(chǎn)品并形成深海典型生境治理解決方案。
按照李家彪的解釋，這個(gè)項(xiàng)目是希望推動人們對深海不同生境的認(rèn)知發(fā)展，以及去探索發(fā)展深海生境的新技術(shù)。簡而言之，該項(xiàng)目就是幫助人類去理解在自然和人類的影響下，這些深海生境的韌性和脆弱性到底在哪里。
海洋科學(xué)是一個(gè)天然跨學(xué)科、跨國別的研究領(lǐng)域。特別是在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速演進(jìn)的背景下，深海研究面臨的許多問題高度復(fù)雜，相關(guān)理論和技術(shù)突破越來越依賴不同學(xué)科、不同國家的協(xié)同攻關(guān)。就如同李家彪所說，做好“數(shù)字化的深海典型生境”大科學(xué)計(jì)劃，單一的研究機(jī)構(gòu)、單一的國家很難去完成全球認(rèn)識，所以必須要構(gòu)建一個(gè)全球網(wǎng)絡(luò)。
在此次論壇上，李家彪還提到，當(dāng)前我們要聚焦全球最重要的三個(gè)深海生境。一個(gè)是大洋中脊的熱液生境，這個(gè)區(qū)域是硫化物分布的區(qū)域；第二個(gè)是深海平原生境，這里分布了大量的錳結(jié)核，可能是在未來最先開發(fā)的礦種；第三個(gè)是深海海山生境，海山是物質(zhì)和能量在垂直方面交流最為激烈的區(qū)域，該區(qū)域可能是日后最重要的研究方向。
“研究深海生境雖然是一個(gè)生物學(xué)的問題，但是它的方法可能要過渡到非生物學(xué)才能夠解決?！崩罴冶胝J(rèn)為，人類觀察世界的最重要的工具，一個(gè)是眼睛、一個(gè)是耳朵。在研究深海生境時(shí)，聲和光兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)可能需要利用AI來深度學(xué)習(xí)。
在他看來，海洋中最大的數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)就是稀疏的空間數(shù)據(jù)以及這些數(shù)據(jù)之間缺少關(guān)聯(lián)，這些需要用生成式AI以及大數(shù)據(jù)模型來分別解決。專家們希望提供一個(gè)更大的預(yù)測模型，這個(gè)預(yù)測模型需輸入各種環(huán)境數(shù)據(jù)，并對深海生境進(jìn)行成圖，構(gòu)建一個(gè)全球或者是一個(gè)區(qū)域尺度的生境宏觀時(shí)空演化的多模態(tài)大模型。
他說，這些模型則有利于我們未來輸入不同的參數(shù)來預(yù)測氣候變化、預(yù)測人類活動可能帶來的影響。而它的后果評估，則會變得更加數(shù)字化。
穿越海斗深淵，發(fā)現(xiàn)全新的生命
在上世紀(jì)70年代，著名的美國載人潛水器阿爾文對于海底熱液煙囪以及熱液極端生命的發(fā)現(xiàn)，震驚了世界。而這一發(fā)現(xiàn)也極大地拓展了人類特別是科學(xué)界對地球上極端生命科學(xué)的認(rèn)知。不過，地球上還存在著比深海熱液更加極端的環(huán)境，也就是超過6000米的深淵區(qū)域。
全球共有37條超過6000米的海斗深淵，所涉海域接近于我國的陸地面積。它們分布在大洋板塊向大陸板塊俯沖的地帶上，水深范圍從6000米到11000米左右，被科學(xué)家稱為“海斗深淵”“超深淵”或“海溝”，代表著地球上最深的海洋區(qū)域。
當(dāng)海水深度每增加10米，水中物體所要承受的海水壓力就會增加一個(gè)大氣壓。如果是在10000米的海底，所要承受的壓力將達(dá)到1000個(gè)大氣壓。所以，探索海斗深淵就需要依賴無人的著陸器或者是無人的潛水器來開展研究。我國經(jīng)過十余年努力，先后研發(fā)出了三代載人潛水器，7000米級的“蛟龍”號，4500米級的“深海勇士”號以及現(xiàn)在萬米級的“奮斗者”號。
2022年中國科學(xué)院部署啟動“全球深淵深潛探索計(jì)劃”。去年，在西北太平洋高緯度寒冷海域及最低能見度僅50米的惡劣天氣下，“奮斗者”號全海深載人潛水器37天完成31個(gè)潛次任務(wù)，其中28次下潛超過6000米水深，7次下潛超過9000米水深。截至2024年底，我國科學(xué)家已完成八條全球主要海溝深淵的載人深潛科考，創(chuàng)造多項(xiàng)世界載人深潛作業(yè)和科考新紀(jì)錄。
在此次論壇上，中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所研究員杜夢然分享了自己下潛的經(jīng)歷。隨著不斷地進(jìn)入深淵，杜夢然等人發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的海洋調(diào)查方式，尤其是把樣品取樣回來后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室分析的方式，已無法滿足他們對這種極端條件下生命過程的研究需求，因此，他們決定把實(shí)驗(yàn)室搬到海底去。
“我們現(xiàn)在能在深淵的原位實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵溶解氣體和衡量金屬的分析，我們也能通過這種探針的方式把它插到沉積物之下，獲得關(guān)鍵的化學(xué)參數(shù)剖面?！倍艍羧徽f，他們還能進(jìn)一步在深淵萬米的原位進(jìn)行同位素的示蹤試驗(yàn)，幫助科研人員研究有機(jī)質(zhì)降解碳的動力學(xué)機(jī)制。
除了這些研究需求外，他們現(xiàn)在的一項(xiàng)工作是要給載人潛水器安裝一個(gè)智能“大腦”。過去，科研人員下潛要依賴此前下潛科學(xué)家的經(jīng)驗(yàn)，去識別一個(gè)未知環(huán)境的生物或地質(zhì)目標(biāo)，而現(xiàn)在科研人員可通過大數(shù)據(jù)訓(xùn)練，可讓任何背景的科學(xué)家在下潛過程中都能認(rèn)識到一個(gè)未知的海域所蘊(yùn)藏著哪些全新的、未知的生命和地質(zhì)目標(biāo)。
杜夢然還提到，如今他們也研制了一系列、一套能在深海深淵海底進(jìn)行長期駐留的原位實(shí)驗(yàn)室。這些原位實(shí)驗(yàn)室可以在深海深淵底部駐留半年以上，自帶電源可以根據(jù)科學(xué)家預(yù)設(shè)的程序進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，也可以根據(jù)所攜帶的傳感器獲得參數(shù)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的智能調(diào)節(jié)，以滿足他們對長周期生物地球化學(xué)研究的需求。
新京報(bào)記者 張建林
編輯 劉茜賢 校對 吳興發(fā)
