海洋地質學家汪品先：走向深海大洋

央視國際 2004年11月22日 17:06

　　同濟大學海洋地質實驗室：汪品先

　　一．時代的召喚-走向深海大洋

　　近半世紀前，學術界前輩提出"上天，入地，下海"，指出了我國地球科學進一步發展的方向。到如今，不僅衛星遊弋、飛船載人，而且正在積極作探月準備；大洋鑽探、大陸鑽探先後在我國實現；海底深潛也已經指日可待。與半世紀前相比，我國科學界對地球的觀測能力已經不可同日而語。然而，假如將海洋、固體地球和大氣的研究比作地球科學中海陸空三軍的話，那"海軍"就是三者中的弱點；其中面向深海大洋的研究，又屬"弱"中之"弱"。而這與當今世界的走向大相徑庭。一方面，近半個世紀以來，世界地球科學的突破點，主要在於深海研究；另方面，1994年國際海洋法公約生效以後，對專屬經濟區以外深海大洋的國際競爭日趨劇烈。美國正在討論要將海洋投入增加一倍，日本建造了比美國大三四倍的大洋鑽探船，相互在海上爭雄；亞洲國家如韓國也提出"海洋開發的全球化與信息化"的目標，走向國際競爭。

　　中國具有世界上最大的地球科學研究隊伍之一，但長期以來缺乏深海大洋研究的力量。因此，深海研究在學術上已經成為制約我國地球科學進一步發展的"瓶頸"，在應用上也難以適應國際海上權益與資源之爭的形勢。目前無論從國家需求或者從我國實力出發，都到了"衝出亞洲，走向世界"的時候；重新考慮我國在國際地球科學中定位，已經迫在眉睫。

　　二．深海的發現-從"大洋中脊"到"深部生物圈"

　　一部科學史，其實也就是人類的視野不斷拓寬的歷史。對時間的概念，已經從幾千年擴展到百億年以上：1658年，愛爾蘭大主教James Ussher 曾經"計算" 出世界是上帝是在紀元前4004年10月23日星期天創造的；而今天討論的已經是宇宙大爆炸的週期性和時間有無起點的問題。 對空間的概念，不僅向外擴展到太空，而且對地球的視角也已經"上窮碧落下黃泉"，深入到地球的內部。人類文明從大陸萌發，始終以地面作為基本的活動平臺。隨著科學技術的發展，儘管"入地"的能力還遠不如"上天"，卻已經能夠穿過水層，探索深海洋底的秘密。

　　在太空中，地球是唯一呈藍色的行星，水是地球最大的特點，也是地球上生命發育的基本條件。但是水又是阻撓人類認識地球的最大障礙：地球表面13億多立方公里的水，鋪平了能覆蓋整個地球兩千多米厚。好在97% 的水都集中在海洋裏，可是平均水深3800米的海洋也佔地球表面71%。幾千年來，人類社會在大陸上生生息息，把遠離自己的海洋留給神話世界；一旦透過幾千米的水深看到了大洋的真面目，回過頭來才明白自己腳下大陸的真相。

　　人們看慣了綿亙的山嶺和曲折的海岸，不大會去問"為什麼"的問題。九十年前，A.Wegener 發現大西洋兩側非洲和南美岸線可以嵌合、又産共同化石，從而提出"大陸漂移"的假説，但當時回答他的只是嘲笑和冷漠。要等半個世紀之後，深海測量技術發現深海洋底也有高山峻嶺，全世界有8萬公里長的山脊蜿蜒在各個大洋，而大西洋的中脊恰好與非洲和南美的岸線平行時，人們才恍然大悟，原來大陸和大洋的岩石圈是分成若干"板塊"的整體。陸地和海底的山脈，都是板塊移動的産物，無論走向、位置都有它的道理。在景仰上世紀初先知的洞察力的同時，科學界深感只有透過水層看到地球表面的整體，才能理解大陸及其山系分佈的原理。

　　同樣，沐浴在陽光下的人們，看慣了飛禽走獸、樹木花草，決不會對"萬物生長靠太陽"産生懷疑。又是深海海底"黑暗生物圈"的發現，開闢了新的視野。七十年代末，"Alvin"號深潛器在東太平洋發現了近百度的高溫，原來海底有"黑煙"狀的含硫化物熱液從海底噴出，冷卻後形成"黑煙囪"聳立海底。更為有趣的是在熱液區的動物群,比如長達三米而無消化器官，全靠硫細菌提供營養的蠕蟲，加上特殊的瓣鰓類、螃蟹之類，説明地球上不僅有我們所習慣的，在常溫和有光的環境下通過光合作用生産有機質"有光食物鏈"，還存在著依靠地球內源能量即地熱支持，在深海黑暗和高溫的環境下，通過化合作用(chemosynthesis)生産有機質的"黑暗食物鏈"。現在，這類熱液生物群在各大洋發現的地點已經數以百計，離我們最近的就在沖繩海槽。

　　黑暗食物鏈的基礎，是在還原條件下進行化合作用製造有機質的原核生物，包括細菌與古菌(Archaea)，推測與生命起源時的生物群相近。不只是海底，近年來發現在數千米深海海底下面數百米的深處，還有微生物在地層的極端條件下生存，這種"深部生物圈"雖然都由微小的原核生物組成，卻有極大的數量，有人估計其生物量相當全球地表生物總量的1/10。與熱液口"自養"的微生物不同，深部生物圈的原核生物依靠地層裏的有機物實行"異養"，從地中海底第四紀的腐泥層，到美國白堊紀的有機質頁巖裏都有發現，它們的新陳代謝極其緩慢，但"壽命"極長。它們也可以在洋中脊的玄武岩裏生長，依靠玄武岩的蝕變為生；甚至海底火山爆發也有超高溫細菌發現，引起學術界極大的注意。深部生物圈的發現，不僅向區分"古生物"與"今生物"的劃分提出了挑戰，甚至向"生"與"死"的概念提出了疑問。

　　"深部生物圈"的發現，大大拓寬了"生物圈"的分佈範圍。原來從極地冰蓋到火山熱泉，從深海海底到地層深處，生物的分佈幾乎無所不在，那末人類迄今研究和熟悉的，只不過是生物圈中的一小部分。不但海底，海水層裏也是一樣：運用新技術，發現了普通顯微鏡下看不見的微微型浮游生物（pico-plankton）。其中包括能夠進行光合作用的細菌, 它們在貧養的開放性大洋中可以構成初始生産力的主體。比如原綠球菌（Prochlorococcus）粒徑才0.4-0.8μm，可是在熱帶、亞熱帶寡營養海域可以佔到總生産量的90%以上。深海大洋的發現，糾正了我們對生物界的偏見：我們用肉眼、甚至用光學顯微鏡見到的，只是地球生態系統的上層，只佔生物圈的一小部分；地球生態系統的真正基礎，在於連細胞核都沒有的原核生物。生物的一級分類，應當是古菌、細菌與真核生物三大類，而我們熟悉的動、植物只是真核生物中的一部分。真核生物的多樣性在於結構形態和行為特徵，可依靠形態來識別；而原核生物的多樣性卻在於新陳代謝的類型，並不靠形態識別。具體説，真核生物只能以"燃料"氧作為能源，原核生物卻能"燃燒"不同成分（SO42-；NO3-; NO2-等）獲得能量，因而新陳代謝類型不同，産生的生物地球化學效果也就多種多樣。於是，地球表層有許多從前以為是"無機"的化學過程，從一些金屬礦床到岩溶石筍，其實都是微生物的生物化學反應。

　　生物圈概念的擴展，也改變了地球科學與生命科學的關係。傳統地質學裏生物的"主角"是大化石，而實際改造地球的首先是原核生物，它們幾乎沒有形態化石可留，只靠生態過程影響著化學元素週期表裏幾乎所有的元素，在三、四十億年的地質歷史上默默無聲地"耕耘"，直到今天才有可能得到重新評價。生命演化史的研究很像社會歷史，引人矚目的恐龍、鱗木固然重要，但真的要揭示機理，還非要深入到原核生物不可。縱觀地球歷史，85%時間裏是古菌和細菌這兩類原核生物的世界，它們從還原到氧化環境都有分佈，真核類在氧化環境下大發展，已經是後來的事。總之，深海大洋的研究，不僅是地球科學，也是生命科學的突破口。