NASA美国太空总署为何不但上天还要下海？

美國太空总署的海洋探测任务(Credit: ESA - European Space Agency)

海洋覆盖了我们地球70%以上的表面，但80%以上的海洋至今仍未被人类探索过。实际上我们常说，人类对火星和月球表面的认识甚至远过于我们对海洋深处的了解。

美国太空总署(NASA)现有一项深海探险计划就是要弥补这一缺失，希望在地球海洋最深处的探索发现能帮助我们一窥外太空其他星球的海洋可能像什么样子，此外还可以尝试在地球上最极端的自然环境中突破人类科技力量的极限。这次深海探索充满奇迹，也危机重重，因水压巨大发生爆炸灾难的风险不可说不小。

美国太空总署希望，在深海的探险发现将有助于解开一些外太空的秘密，同时也可以测试前往太阳系其他星球探险所需的一些设备和实验。

地球海洋最深处与美国太空总署希望前往太阳系某些星球进行探索的环境有惊人的相似之处。地球海洋深处探险甚至可以提供线索，告知科学家应该在什么地方寻找外星生命。

地球海洋最深区域以希腊神话中的地狱冥王哈迪斯(Hades)命名，称为哈迪斯超深渊带(Hadal zone)。这个超深渊带的确像人类想象的地狱冥界，是地球上一个令人生畏的禁区。这里由深不可测的海盆和海沟组成，最深处可至海洋洋面以下11公里。所占的海床面积总和相当于整个澳大利亚。迄今只有屈指可数的深海潜水器敢斗胆闯入这个黑暗的幽冥深渊。

正是在这个黑暗深渊带，美国太空总署的科学家与麻省的伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institute, WHOI)合作，试图探索和研究地球上生命的极限。甚至科学家探索超深渊带所使用的术语也与太空探索相同，比如称，海洋生物学家近年来已经将多个配备了传感器和相机的“着陆器”( landers)送到了海洋深渊带的“迫降地”(crash-land)进行测量。

在曾经被认为是没有生命的深海热泉喷口发现了丰富的生物(Credit: Science Photo Library)

位于南加州的美国太空总署喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)的工程师们正在建造一种新型的自动深海探测机器人，用来测绘深渊带以往无法抵达的最深处的海底地图。

这个深海探测器命名为“俄耳甫斯”(Orpheus)号，俄耳甫斯是希腊神话中的一个英雄，神话传说他曾往返于深渊中的阴曹地府。 俄耳甫斯号采用了类似美国太空总署“毅力号”火星探测器(Perseverance Mars Rover)的视觉导航技术，使用超高敏感度的相机来识别海底的岩层、贝壳和其他特征，以绘制布满地标，或换句话说应该叫海底标记的三维地图。该技术不但能让这位深海探测机器人自寻路径，并能认出已经勘探过的地方，或许还可以有助于俄耳甫斯对生活在这种恶劣环境的生物形态有新的发现。

领导伍兹霍尔海洋研究所深海探索计划的深海生物学家蒂姆·尚克(Tim Shank)说，“俄耳甫斯是一个尝试，如果探测成功，海洋中就没有人类不能到达的地方。”

这不是尚克首次尝试深入超深渊带的黑暗深处。2014年，俄耳甫斯号的前任涅鲁斯号(Nereus，希腊神话中的海神)被送往新西兰东北部的克马德克海沟(Kermadec Trench)探测，但这艘潜水探测器下到水下10公里时发生爆炸，原因很可能是承受不了巨大的水压。

尚克说，“12个小时后，我们看到涅鲁斯变成了小碎片。”他补充说，涅鲁斯号的失败让他们要重新思考探索深海区域的新办法。经重新设计的深海探测器俄耳甫斯号大小和一辆四轮自行车差不多，重约250公斤，比以前所有的水下探测器都要轻小很多，而且造价较便宜。轻巧使俄耳甫斯号更为灵活，能够进入以前从未被探测过的海床深处的海沟和海底喷泉。

地球的欧罗巴卫星

海洋生物学家在很长一个时期认为超深渊带不可能有生命，但在20世纪上半叶，深海潜水器开始冒险进入这一海域，才发现在这个原以为的生命禁区中生命是可能存在的。

当时的科学家仍然以为，海洋所有生物，无一例外都是由光合作用提供能量的食物链得以维持。海洋洋面的植物、藻类和一些海洋细菌将太阳的能量转化为糖，储存在它们的有机体中，然后被食草海洋动物吃掉，而食草动物又被食肉的海洋动物吃掉，形成海洋食物链。科学家们深信，生活在深海的生物是靠死去的生命有机物而延续生命，其赖以生存的有机物包括动物的尸体、粪便，以及从海洋上层落下来的“海洋雪”，即指深海中像雪花一样不断沉降的有机物碎屑。

当时的科学家认为海洋最深的区域没有足够的食物来维持任何海洋生物延续生命，而且也因太过黑暗和寒冷，生命根本无法存在。

但到1977年，一个美国研究小组将一个远程遥控的阿尔文号(Alvin)潜水器下降到2440公尺深的太平洋海底时，人类对深海生命的认识才彻底大改观。这艘潜水船的任务是拍摄这片海床的热泉图像，因为海底火山活动，有不断的热量从海床的火山口冒出。

科学家目瞪口呆地发现，在这个海底火山口周围竟然有生机勃勃的生态系统，充满了海洋生物，比如半透明的蜗牛和片脚类动物，以及以前从未见过的微小的跳蚤状甲壳动物。

尚克说，“有了此发现，我们才发现了地球上一种全新的生命形态。这些深海动物不依靠阳光……而是以来自海底深处的化学物质为生。”

但科学家也感到很困惑，在深渊带海底生活的物种如何能经受巨大的水压而延续生命?

尚克说，在超深渊带“水压达到每平方英寸15000磅。此处压力之大，可以把动物的每个细胞都挤压出来。”

在1977年首次目睹此海底奇景后，科学家发现，生活在这种海底深度的生物因其细胞已能承受巨大水压因而能够存活。在超深渊带生活的生物，如巨大的片脚甲壳类动物和狮子鱼，体内有一种叫做压溶酶(piezolytes ，来自希腊语，压力之意)的物质，可以阻止体内细胞膜和蛋白质在极高的压力下被压碎。压溶酶会增加蛋白质在细胞内的空间来对抗其周围水的重量而抵消压力。

尚克说，“这就像在帐篷中立桩柱一样。”

海洋覆盖了我们地球70%以上的表面(Credit: NASA)

发现在如此恶劣的环境有生物不仅能生存活下来，而且还能茁壮繁育，这给生物学家提出了一个重要的问题：在我们地球的领域之外，是否也能在其他星球的海洋世界发现这类生物。

在木星的卫星欧罗巴(Europa，也称木卫二)冰冻外壳之下，是一个液态海洋，据认为深度在60到150公里之间，其含水量是地球上海洋含水总量的两倍。阳光无法穿透木卫二厚厚的冰壳外层，冰层上有纵横交错的裂缝和断痕。木卫二冰壳之下的压力与地球海洋超深渊带相当。

尚克说。“我们的地球也有自己的欧罗巴(即月球)，除非先在地球上试行过，我不知道我们如何在地球的欧罗巴上进行探索。”

相信能够探测地球海洋深渊带的机器人也可以在6.283亿公里外的冰冻月球(地球的欧罗巴)上做同样的探测。

参与建造俄耳甫斯的美国太空总署喷气推进实验室的工程师罗素·史密斯(Russell Smith)说，“对我们来说，地球深海海底是我们开发技术、以成功地进入这些星球的海洋世界一个很好的试验场所。”

然而，能够在外太空或深海作业的机器人必须是完全自动。史密斯说，“机器人必须能够做出决策。”他指出，俄耳甫斯的目标是能够检测和分类海水中的环境DNA和化学物质，并从海底取回样本。

他说，为超深渊带制造探测机器人是非常艰难的任务。

俄耳甫斯号必须承受巨大的水压和极端的温度，超深渊带的水温只略高于冰点，但在深海热泉四周温度则可以高达370摄氏度。

史密斯说，“开发一种能够在海洋深渊中工作的机器人非常之困难。需要一种相当厚实的外壳来防止电子设备被压碎或浸水。”俄耳甫斯外壳一部分由合成泡沫材料构成，这是一种由置于环氧树脂中的微小玻璃球组成的浮力材料。俄耳甫斯使用的这种外壳泡沫为电影导演卡梅隆(James Cameron)的深海挑战者号(Deepsea Challenger)制作的剩余材料。卡梅隆曾在2012年乘深海挑战者号下沉到西太平洋的马里亚纳海沟(Mariana Trench)的底部。

阿尔文号深潜器1977年下潜到2440公尺深的海底，首次探测到海底热泉区域有生物存在(Credit: Ralph White/Getty Images)

由于深海一片漆黑，俄耳甫斯配备了一个巨大的射灯。但是如果射灯一直打开不关，就会很快耗尽机器人的电池，让机器人困在海洋深渊中动弹不得。史密斯说，为了省电，俄耳甫斯号在不拍照或采样的时候会切换到低功耗模式。

月球探险

2017年，美国太空总署启动了水下生物地球化学科学和勘探模拟系统计划(Systematic Underwater Biogeochemical Science and Exploration Analog, Subsea)，将太空和海洋勘探领域结合一体研究探索。到目前为止，这个计划已经完成了两项使用远程遥控操作的潜水器到太平洋海底探测热泉喷口的任务。

科学家认为 ，夏威夷海岸大约30公里外的罗希海底火山(Lō`ihi)，以及加利福尼亚州和俄勒冈州交界的美国海岸处120公里外的戈尔达海岭(Gorda Ridge)这两处海域周遭的火山活动，与木卫二(欧罗巴)和土星的卫星土卫二冰层下的海洋世界可能发现的状况很相似。

美国太空总署负责Subsea计划、协助太空人探索月球和外太空的地球生物学家达琳·林(Darlene Lim)说，“Subsea整个计划是基于我们发现地球深海区域的特性可能很类似于某些星球活跃的环境，比如土卫二。”

科学家通过Subsea计划的这两项深海探测行动，对这两处海底火山喷口的地质和化学状况以及周围的生态有了较多的了解。

海洋深渊中的生态

海洋超深渊带不仅有生命的存在，还维持着一个丰富、或许对于我们有些陌生的生态系统。迄今为止发现居住在海洋最深处的生物之一是一种巨大的片脚类动物，身长超过8厘米，是在秘鲁-智利海沟最深处即深达8公里以下的理查兹深海沟(Richards Deep)发现。这种深海甲壳类动物命名为Eurythenes atacamensis，是虾的近亲，为食腐动物，以从上层洋面漂下来的已死海洋生物的碎片为生，为英国纽卡斯尔大学(Newcastle University)的海洋生物学家约翰娜·韦斯顿(Johanna Weston)等研究人员在2018年发现，据悉这是生活在秘鲁-智利海沟中数量最多的生物之一。

此外这片深海水域还有至少三种奇怪且相当脆弱的狮子鱼科和长腿等足目这样的物种。这些生物每一种都能在深渊带的极端水压、低温和漆黑无光的极恶劣环境中生存。

达琳·林说，“这些海底热泉喷口完全无害。你必须非常仔细地观察从海床升上来的热水与很冷的海水相互交汇作用的温度变化。即使这一行动本身也非常有价值，因为我们可能需要对太阳系中的一些海洋世界进行探索。”

虽然向木卫二和土卫二发射机器人探测器可能还需要几十年的时间，但美国太空总署的科学家已经将他们从深海探索中学到的知识应用到太空任务中。

到2023年，美国宇航局将发射一个机器探测车，在月球南极寻找水冰。这项名为“挥发性物质调查极地探测”(Volatiles Investigating Polar Exploration Rover, Viper)的任务，将研究月球诺比尔陨石坑(lunar crater Nobile)附近的冰，希望未来能够开采月球冰作为火箭燃料或饮用水。虽然不是在水下操作，但在月球上漫游的这辆探测车将面临许多与水下探测相同的技术挑战。

达琳·林也是Viper计划的副首席科学家。她说，“我们将会从Subsea学到的所有知识应用到Viper计划上。”

Subsea计划是要确保科学家在极具挑战性的环境下无论是通信还是技术都能完成研究目标。

从操作的角度来看，海洋和太空探索也有很多共同之处。机器人被派往这两个领域探索人类无法到达的危险环境，科学家团队则远程遥控支持。此外计划也可以帮助宇航员将来在月球基地控制机器人设备打下基础。

Subsea计划出海探测的科学家不到10人，但他们会与人数更多的陆上团队同事协同工作。至于Viper计划，一个团队将在地球上几乎同时操作月球探测车，并必须快速分析数据和做出决定。

参与两项计划的美国太空总署社会科学家扎拉·米尔马莱克(Zara Mirmalek)，其工作是帮助科学家们为极端环境下的探索做好准备。她说，有效的沟通在这些任务中至关重要。

土星第六大卫星土卫二冰冷的表面有大量的水蒸气喷涌而出，这表明土卫二下面潜藏着液态海洋(Credit: Nasa/JPL/Space Science Institute)

由于深海勘探的复杂性，科学家们不得不根据海洋条件、天气和海水盐度随时调整计划改变决定。米尔马莱克说，“你拥有的时间往往比预期的要少。深海中工作极之艰难，因为深海环境对技术要求很高。”

她说，通信在太空任务中极其有限。为了应对外太空的情况，米尔马莱克限制水下科学家每天只能通讯一次。她说，“没有一次失手，他们达到了所有的研究目标。”

达琳·林说，“我们在与海洋学学界合作的过程中所学到的一切都很宝贵，让我们对设计Viper任务的科学操作过程满怀信心，这一切真的非常难得。”

但就像飞离地球的外太空探险，深入海底探险也让人类以新的视野认识我们的地球家园。美国太空总署表示，太空总署策划的海洋探索已经产生了“数以千计”的科学发现，如果我们希望继续生活在一个有健康海洋的世界，那太空总署的海洋探险提供了维持海洋健康至关重要的信息。劳拉·罗伦佐尼(Laura Lorenzoni)是太空总署任务理事会的海洋生物学和生物地球化学计划的科学家。她说，如果我们要拯救海洋，我们就必须了解海洋。

罗伦佐尼说，“这对地球上的生命可说是非同小可，太空总署已开始并将持续做下去的海洋探测，是保证我们地球海洋资源可持续利用的基础。”

换句话来说，人类探索外太空其他星球的每行一步，都会帮助我们对自己的蓝色星球家园探索最少的区域多增加一份认识。无论是天外星球，还是我们脚下的海洋深渊，都是人类需要探索之疆域。