2023年9月15日，科普中國·星空講壇以“邁向高水平科技自立自強(qiáng)”為主題，邀請5位來自超導(dǎo)技術(shù)、海洋資源、航天科技、氣象預(yù)測、水利水電領(lǐng)域的專家，圍繞中國最具代表性的、切實(shí)造福百姓的五大科學(xué)與技術(shù)，聚焦“富民強(qiáng)國‘強(qiáng)’什么”，帶領(lǐng)公眾感受我國科技、科研工作背后的精神和魅力。

中國極地中心研究中心研究員何劍鋒教授帶來演講：在地球探秘地外生命？

地球上，能否找到古老生命？

當(dāng)我們仰望星空，你是否曾想，在浩瀚的宇宙中，是否會有地外生命的存在？

當(dāng)前，外太空探索能力非常有，換個(gè)思路，地球上有沒有與地外生命生存類似的環(huán)境，可供我們開展相關(guān)的研究呢？

我想很多人可能會想到世界各地的戈壁灘，尤其會聯(lián)想到雅丹地貌的代表、中國新疆的大海道，當(dāng)然也有人會聯(lián)想到南北極無邊無際的大冰原。

我現(xiàn)在要給出的選擇或許會出乎許多人的意料之外：那就是南極冰蓋厚厚冰層下面的水世界——一個(gè)對多數(shù)人都極為陌生的世界。

演講者供圖

我們普遍認(rèn)為，地球所必須的要素之一是——液態(tài)水的存在。而在其他的一些星球上，如木衛(wèi)二可能就有一個(gè)15到25千米厚的冰殼，覆蓋著60到150千米深的海洋；而土衛(wèi)二（Enceladus）的冰凍表面下也有一片平均厚度為20至25千米的海洋，并且海洋底部還存在著熱液活動。

而南極冰蓋底部環(huán)境和這些星球非常相似，它不僅具備與這些外星球環(huán)境同樣的形態(tài)，同時(shí)還具備科學(xué)家猜測可能孕育原始生命的那些星球的相似條件：比如說同樣是個(gè)冰凍的世界、同樣有著厚厚的冰層，在厚厚的冰層下同樣具有大量的液態(tài)水。

大家都知道，南極寒冷并且干旱，南極大陸是被厚厚的冰層所覆蓋的，平均厚度接近2000米，最厚可以達(dá)4000米。調(diào)查顯示，其實(shí)在南極是存在多個(gè)大型煤礦，表明那里曾經(jīng)是個(gè)溫暖而濕潤的世界。

那么，它是什么時(shí)候開始變冷而最終形成冰蓋的呢？

南極冰蓋，演講者供圖

科學(xué)研究表明，南極冰蓋起源于大約3400萬年前，有兩個(gè)外部因素來共同導(dǎo)致：

一個(gè)是那個(gè)時(shí)候地球大氣中的二氧化碳濃度開始下降，全球氣候開始變冷，這也是恐龍滅絕之后地球所經(jīng)歷的一次最大的氣候變化；

二是大陸漂移使得南極大陸與南美大陸分離，形成了我們整個(gè)南大洋。德雷克海峽打開導(dǎo)致的南極繞極流形成，它就像一個(gè)“銅墻鐵壁”一樣，保護(hù)著南極洲，阻止了低緯度地區(qū)的熱量向南輸運(yùn)，所以最終導(dǎo)致南極變冷并最終形成冰蓋。

南極冰蓋下的神秘世界

在南極厚厚的冰蓋底下這個(gè)被冰封的世界里，會蘊(yùn)藏著一些什么樣的秘密呢？科學(xué)家們的探測結(jié)果，跟我們的想象可能不太一樣。

冰蓋下有什么？

實(shí)際上，在厚厚的冰層下，除了山川之外，還遍布河流和湖泊，是一個(gè)妥妥的“世外桃源”。當(dāng)然還有一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)就是，有45%的地區(qū)其基巖是位于海平面以下的。

冰蓋之下的水系，演講者供圖

淺藍(lán)色部分，南極洲的基巖部分并不是一個(gè)完整的大陸，若揭掉厚厚的冰層，南極洲有很大一部分會被海水所淹沒的。

探測表明，南極冰蓋底部存在著一個(gè)龐大的水系，通過暗河把部分冰下湖連成一體。最近，科學(xué)家們就在冰蓋底部發(fā)現(xiàn)了一條匯入威德爾海的巨大冰下暗河，長達(dá)460千米，大約是上海到合肥的距離。

此外，由于冰蓋的冰是流動的，冰下水系也起到了潤滑底部、加快水體流動的作用，加速了冰向海的輸運(yùn)和海平面的上升。因此，研究冰下水系，對于了解冰蓋穩(wěn)定性和全球海平面的變化，同樣具有重要意義。

南極冰蓋下的湖水

東方湖是迄今在南極發(fā)現(xiàn)的最大冰下湖，也是地球上表面積第16大湖。該湖位于東南極內(nèi)陸俄羅斯東方站近4 000米厚的冰層之下，其冰表處在海平面以下約500米。湖長250千米，表面積達(dá)到12500平方千米，平均水深432米，儲水量5400立方千米，大約是我國最大湖泊——青海湖儲水量的54倍。所以這是一個(gè)非常龐大的一個(gè)湖泊。

冰下湖根據(jù)其特性可分為兩大類：封閉性冰下湖和開放性冰下湖。

前者是指被冰蓋完全覆蓋和包圍的湖泊，就是我們圖中看到黑色的這些點(diǎn)狀部分。這些湖泊與世隔絕，其中很有可能存在數(shù)百萬年乃至更古老的獨(dú)特生命形態(tài)；

后者是由冰蓋底部的水文系統(tǒng)供水的湖泊，也就是我們看到圖中紅色的部分，與整個(gè)冰下水系連成一體，湖內(nèi)的水會被不斷更新。

托斯冰川，演講者供圖

冰蓋表面的融水可以通過冰裂縫向下滲透，為整個(gè)冰下流水提供水源；但是冰下的流體并不總是聚在一起形成一個(gè)湖泊，它有時(shí)候也可能是被直接排出的冰蓋外部，如拖成冰川的最大的速率可達(dá)220立方米每秒，橘紅色的部分就是被凍結(jié)的外排的水。

冰下湖為什么不會被凍結(jié)？

原因可能有兩個(gè)：

一是，厚達(dá)千米的冰層給冰下湖提供了巨大的壓力，導(dǎo)致冰下湖的冰點(diǎn)降低，即使在零下，湖水也不會被凍結(jié)；

二是，南極冰下基巖下分布著大量的火山點(diǎn)，地?zé)峤o冰下湖提供熱量，讓湖水不至于被凍結(jié)成冰。

地球上的大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)都依賴太陽獲取能量，但并非所有的都依賴。深海的熱液噴口生態(tài)系統(tǒng)并不是藻類通過光合作用吸收二氧化碳形成有機(jī)物的，而是微生物利用化學(xué)物質(zhì)形成有機(jī)物。

而南極冰下湖泊也是圍繞太陽以外的能源建立生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)例子。相關(guān)研究表明，那里同樣存在低等生命形態(tài)，從而提升了在環(huán)境惡劣星球地外生命存在的可能性。

我們可以通過測冰雷達(dá)等手段，對冰蓋底部神秘形態(tài)的探測，只能通過鉆探、采樣，南極冰蓋深部鉆探工程，是一個(gè)國家科技和后勤支撐能力的全面的檢驗(yàn)，目前成功鉆穿冰層獲得湖水或湖底沉積物樣品的冰下湖有3個(gè)：

一個(gè)是位于東南極洲的東方湖以及位于西南極洲的威爾蘭斯湖和默瑟湖，前者是封閉性湖泊，由俄羅斯主導(dǎo)；

后兩者為開放性湖泊，由美國主導(dǎo)。英國曾主導(dǎo)過西南極洲的埃爾斯沃思湖的鉆探，但是沒能成功。

冰蓋深部鉆探面臨的挑戰(zhàn)

首先，需要有強(qiáng)大的后勤支撐能力，把大量的設(shè)備運(yùn)送到極寒的冰蓋深處，并在那里露營開展鉆探工作，這樣就是很多國家都沒有這個(gè)能力。

演講者供圖

其次，需要具備相關(guān)的深部鉆探技術(shù)與裝備，確保設(shè)備能到達(dá)冰蓋內(nèi)部一定的深度并且獲取樣品；

最后，需要具備高超的防污染水平，深部樣品采集不能被地表生命所污染，確保采集的生命密碼是真實(shí)來自于冰蓋深部。

樣品的污染難題

其中，最大的挑戰(zhàn)不是鉆穿冰層，而是在鉆進(jìn)和取樣過程可能導(dǎo)致的樣品污染問題。

南極冰蓋深部鉆探主要鉆具有這么三種：

第一種是采集冰芯的深冰芯鉆，我們最左邊的這種；第二個(gè)用于鉆穿冰層獲取冰下樣品，比如說類似于湖水的冰蓋熱水鉆；第三個(gè)是用于采集冰蓋底部巖層樣品的冰下地質(zhì)鉆。

已有鉆探裝備的使用都容易造成一定程度的污染：

一方面是采芯的鉆探相對較慢，所以說它要分年度實(shí)施，由于冰蓋的冰是流動的，要確保被鉆孔的形狀的話，就要往鉆孔里面加入較為粘稠的有機(jī)的鉆孔液，來確保來年可以繼續(xù)使用；

演講者供圖

二是熱水鉆的效率相對較高，但所需的熱水都只能就地取材，也就是用現(xiàn)場的冰融化而獲得的，所以說熱水的注入會導(dǎo)致上層的生命物質(zhì)被送至冰蓋深層而造成污染。因而，盡管現(xiàn)有研究表明冰下湖存在超過3500種微生物，但是都無法排除污染導(dǎo)致的嫌疑。

自研深冰芯鉆

我們國家在多個(gè)國家項(xiàng)目的支持下，我國先后研制了深冰芯鉆、冰架熱水鉆、冰下地質(zhì)鉆和無污染冰下湖鉆，覆蓋了南極冰蓋深部鉆探的所有鉆具類型，并在研發(fā)與應(yīng)用中取得了顯著進(jìn)展。

深冰芯鉆，演講者供圖

首先是深冰芯鉆：它是由國家“863”計(jì)劃支持研發(fā)，2012年1月7日正式應(yīng)用于冰穹A深冰芯鉆探。至2021年8月，已經(jīng)成功進(jìn)行了5個(gè)工作季的深冰芯鉆探施工和1個(gè)工作季的維護(hù)作業(yè)，一共獲取了800多米的冰芯樣品。

冰架熱水鉆也是由國家“863”計(jì)劃支持研發(fā)。這個(gè)系統(tǒng)主要通過高熱、高壓的熱水來熔化冰層，可以快速形成鉆孔，但無法獲取冰芯樣品，鉆孔主噴嘴是配備了鉆孔直徑測量、壓力和溫度傳感器。系統(tǒng)還配備了一個(gè)獨(dú)立的熱融鉆，用于40到50米深度內(nèi)的先導(dǎo)鉆進(jìn)。

冰下基巖鉆，演講者供圖

冰下基巖鉆：國家自然科學(xué)基金重大儀器專項(xiàng)資助。鉆具包括3個(gè)模塊：大直徑螺旋鉆，主要用于上部積雪取樣；冰芯鉆，主要用于用深部冰芯采集；而基巖鉆則用于鉆穿冰蓋后的底部取芯。中國第35次南極考察期間，極地冰下基巖鉆成功鉆穿近200米厚的南極冰蓋，獲取了連續(xù)的冰芯樣品和冰下巖心樣品，使我國成為世界上第三個(gè)在南極冰蓋鉆取冰下基巖樣品的國家。

如何無污染冰下湖鉆

為了解決現(xiàn)有鉆機(jī)在使用過程中的污染問題，我國在國家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)支持下，于2016年開始了無污染冰下湖鉆的研制。

無污染冰下湖鉆，演講者供圖

最終，在2021/2022年的中國第38次南極考察期間完成現(xiàn)場試驗(yàn)，累計(jì)鉆進(jìn)深度超500米，創(chuàng)造了我國在可回收式冰層熱融探測取樣技術(shù)從0到1的突破，并且超越歐美，實(shí)現(xiàn)國際領(lǐng)跑，這也是非常不容易的。

這套國際上首創(chuàng)的無污染冰下湖鉆，包含了多項(xiàng)核心技術(shù)，其中線纜是重要問題?？茖W(xué)家在3年的時(shí)間里，先后研制了10款電纜，最終獲得成功。

南極冰下湖的鉆探計(jì)劃

近年來，我國利用“雪鷹601”固定翼飛機(jī)在東南極伊麗莎白公主地開展大面航空探測，在泰山站附近發(fā)現(xiàn)了南極洲第五大冰下湖——“雪鷹湖”，官方的名字叫“麒麟”湖。這個(gè)由中國命名的冰下湖，是一個(gè)封閉性的湖泊，位于冰下3200米處的峽谷里，長約42公里、寬14.5公里、深198米，表面積370平方公里，儲水量略高于西湖。

演講者供圖

這里面最有意思的是在湖底有一層富含地下水的沉積物，平均厚度將近100米，推測這些沉積物可能是在南極洲出現(xiàn)冰蓋之前由河水帶來并堆積而形成的，這意味著這些沉積物比冰蓋本身還要古老，可能會留存南極洲在冰蓋形成前的環(huán)境和生命活動信息。

多年的南極冰蓋深部鉆探技術(shù)裝備積累，為我國冰下湖鉆探計(jì)劃的實(shí)施奠定了非常堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我國將在“十四五”期間，通過國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和我國南極考察后勤保障的支持，優(yōu)化現(xiàn)有的無污染冰下湖鉆，并且計(jì)劃通過熱水鉆鉆穿冰蓋的上部冰層，利用無污染冰下湖鉆鉆穿下部冰層并到達(dá)冰下湖，獲取冰下湖的基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)和冰下湖樣品，利用獨(dú)有的無污染冰下湖鉆探技術(shù)為探秘地球古老環(huán)境和極端環(huán)境古老生命做出中國貢獻(xiàn)。

結(jié)語

南極洲的冰下湖泊最終可能不僅是科學(xué)家們的夢想，同時(shí)也是大家共同的夢想。

演講者供圖

實(shí)施對木衛(wèi)二的海洋采樣過于遙遠(yuǎn)，但南極冰下湖泊中的生態(tài)系統(tǒng)，在數(shù)百萬年的相對孤立中進(jìn)化，可能會提供地球上獨(dú)特的生命形態(tài)。

最終，冰下湖泊可能會成為我們有朝一日，可能在太陽系乃至外太陽系發(fā)現(xiàn)生命的一個(gè)路標(biāo)。

而隨著南極冰蓋深部鉆探技術(shù)和保障能力的發(fā)展，我國有望在揭秘極端環(huán)境古老生命方面做出積極的貢獻(xiàn)，讓我們一起期待這一天的盡早到來，謝謝。

策劃制作

責(zé)編丨金禹奮