我过有哪些对生物学有过重大贡献地科学家?贡献是什么?

编者按：4月2日,我国“大洋一号”科学考察船从青岛出发,开始首次横跨太平洋、大西洋、印度洋的环球之旅,对三大洋的深海海底进行地质、地球物理、地球化学、水文、生物等方面的综合考察.
几千米的深海不同于人们熟悉的近浅海,那里奥妙无穷,还蕴藏着丰富的战略金属、能源和生物资源,是国际科学研究的前沿.美国明尼苏达大学的地球化学家丁抗博士主持着一个高温高压热液实验室,近10年来一直活跃在深海探测领域,他曾十次乘坐美国“阿尔文”号载人潜器深入海底,他所研制的耐高温高压化学传感器曾参加过七八十次深潜考察.这里请他介绍一下近年来国际深海探测的最新进展.
深海海底的极端生命现象引发人类思考——
记者：科学家们在深海海底发现了什么?
丁抗：我们发现在几千米的海底,没有足够的氧气,也没有阳光.但是只要火山一活动,喷出高温的热液,用不了多长时间,一两个月以后再下去,你就能用肉眼看到一个新出现的生物群落,再过3年左右的时间,就可以见到一个完整的生物链,这是从无到有的生命产生过程.
几千米深的海底,有几百个大气压,伴随着海底火山、岩浆活动而喷出的热液有三四百摄氏度,如此极端的环境,居然有助于生命产生、存活,这是非常值得研究的.再比如说,我们发现海底喷出来的高温的水,能发出可见光,用现有的物理、化学理论尚无法解释.海底本来是没有光的,许多动物没有眼睛.但是有一种虾,头顶上长着眼睛,我们就思考它在看什么东西.研究表明,它看到的光就是喷出来的热水发出的可见光.再进一步研究,早期的生命是在没有光的条件下产生的,现在的生命是靠光的,很可能最早期的生命先是学会利用这种热液发出的光,然后逐渐演化到学会用太阳光.这都是些科学命题.
记者：海底的热液是怎么产生的?
丁抗：海底火山及岩浆活动使海底产生裂缝,海水进入裂缝,被岩浆所散发的高温加热.在高达400摄氏度及500大气压的条件下,热液与海底岩石(主要是玄武岩)发生反应,把石头里的化学成分给抽取出来了.过去我们只知道海底火山活动形成了海底的矿产资源,现在认识到在资源产生的同时,也产生了生命,或者说给生命的诞生创造了条件.这是一个非常前沿的科学命题.
记者：深海底发现的“黑烟囱”、“白烟囱”是怎么回事?
丁抗：从大洋海底火山口喷出的海底热液,与海底玄武岩反应,产生大量重金属、硫化氢,逐渐冷却沉积下来后,能够直立向上形成约3至4层楼高的中空的柱状体,颜色发黑,人们把它称为“黑烟囱”.所谓的“白烟囱”成因与“黑烟囱”一样,只不过它的成分是碳酸盐、硫酸盐,颜色发白.1977年,“阿尔文”号载人潜器在大西洋海底发现了它们,热液口附近的硫化物、岩石、沉积物以及生物马上成为科学家研究的热点.
记者：深海探测的这些发现对人类生活会产生什么影响?
丁抗：过去,谁也没有想过到深海里面寻找生命的起源.1977年,“阿尔文”号上的地质学家深入海底首次发现热液活动区及其伴生的一些古怪的海底生物,生物学家们根本不相信,因为按当时的认识,这些生物是不可能存在的.后来证明它们确实是海底极端环境下的生命,科学家就开始思考它为什么能够产生和存活,这就带来了关于生命起源的新的科学命题.所以,这些发现首先是使人类的一些基本的科学认识发生了革命性的变化.
研究生物的人,都希望能够发现几个新的物种,对生物学做出重大贡献.而到目前,科学家在深海海底发现的新物种不下三四百个,并且发现这些生物具有许多人们尚不知道的基因.还发现了许多的古菌.研究表明,这些古怪的生物,远远早于恐龙的时代.如果在深海生物基因的研究方面有新的突破,就有可能获得捷径来为人类的健康服务.这里面潜在的经济效益不可估量.发达国家的很多高科技生物公司已经在搞这方面的研究开发,并且形成了产品.
深海探测对技术提出很大的挑战———
记者：深海探测魅力无穷,涉足这一领域需要具备什么技术条件?
丁抗：深海探测需要很多技术条件.你有再好的设想,下不去就是空的.研究地球的人,走出去爬山,可以把矿石采集回来.而在几千米的深海,船出去不是观光旅游,而是要做科学研究.没有深海探测设备,你能看到吗,你能直接到海底取样,并把它拿上来吗?所以,跟其他科学探测比起来,深海探测最明显的标志,就是科学和技术密不可分.
这些技术设备包括水下自动潜器、缆控潜器和载人潜器,还有很多“看、听、抓、钻、嗅”的技术手段.所有这些技术装备都不能用地面上使用的常规装备.它必须能够承受海底的高温、高压,能够在极端环境下正常工作.这是一个技术问题,也是重要的科学命题,任何一个方面的突破都将是对人类的重大贡献.
记者：各种水下潜器如何工作?
丁抗：水下潜器大体上分为三种.一种是无人驾驶的*行动的潜器(AUV),也叫水下自动机器人.船开到某一海域,把它放下去,它可以自动地在深海探测.另一种是缆控潜器(ROV),拖着一根缆,可以下去,取样、拍照、探测.再一种就是载人潜器(HOV).
一般情况下,我们到了一个海域,不知道下面有什么,先把无人潜器放下去,在这个海域里扫,它能够贴地行进,并随地势高低自主升降.晚上放下去,第二天早晨收起来,半个小时以后,所有信息包括图都出来了.至于缆控潜器,我们是让它24小时不停地工作.针对可疑之处,再把载人潜器放下去,人到现场,观察它是什么东西,然后采样、探测,这些工作完成以后,就会有一个结果.
记者：请介绍一下国际上深海载人潜器的研制和使用情况.
丁抗：一些发达国家都研制了深海载人潜器.美国的“阿尔文”号是世界第一艘深海载人潜器,能下潜4800米,1962年诞生.现在,日本有一艘6500米的,俄罗斯的是6000米,法国有一艘,供欧盟共同使用.
没有载人潜器,会限制真正的科考能力,因此中国在研制出6000米无人潜器(水下自动机器人)之后,目前正在研制7000米载人潜器.
据我了解,世界上使用效率最高的是“阿尔文”载人潜器,它对国内所有的科学家开放,每年要下潜260天以上.为了保证载人潜器的安全、有效,有一系列的操作、维护制度和要求,但“阿尔文”能够做到早上下去,晚上上来,第二天再下去,再上来.而其它的潜器还达不到这样的使用效率.
要说载人潜器的重要性,我举一个例子.上世纪80年代末,苏联解体了,但*狠下心,出钱让荷兰公司为他们造了两艘6000米的载人潜器.国家都解体了,他们还是没有放弃这种设备,不愿意丢掉深海技术.
记者：除了潜器,还发展了哪些相关技术?
丁抗：比如说,我们乘坐潜器下去了,看到冒出来的高温热液,想知道它的化学成分,可是高温高压的热液取上来,不就凉了吗?我们研制了一种传感器,可以在海底直接塞到三四百摄氏度的热液里面进行温度和化学成分的检测.这一技术,除了在海底的科学考察中发挥作用,还能用于一些高温高压的生产线.还有一种趋势,就是把陆地上实验室里常用的能谱仪、光谱仪、质谱仪等大型仪器,通过小型化、集成化,放在海底.这些小型低能耗的设备要能在海底用,在陆地上就更有应用前景了,这就会引发整个化学探测、工业探测的革命.也就是说,研制深海潜器所需的装备系统也是国际上的一个热点.
(照片均由丁抗提供)
左为陆地上找到的10亿年前的生物化石,右为在3000米的深海中发现的同一生物,证明10亿年前有过的生物,现在还存活于深海之中.