國(guó)內(nèi)外深海生物捕獲現(xiàn)狀綜述

魏 翀 許肖梅

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國(guó)內(nèi)外深海生物捕獲現(xiàn)狀綜述

魏 翀*許肖梅

廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

隨著人類對(duì)海洋的開發(fā)利用，深海資源成為了各國(guó)研究者極力探索的一塊寶地。文章系統(tǒng)介紹了當(dāng)今國(guó)內(nèi)外針對(duì)深海生物的捕獲技術(shù)，以及捕獲技術(shù)的現(xiàn)狀和收獲，提出一些深海生物捕獲待解決的難點(diǎn)，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

深海 捕獲 采樣 深海生物

1 引言

和傳統(tǒng)海域不同，深海是一個(gè)非常特殊的生態(tài)環(huán)境，可以說是地球上最惡劣的環(huán)境之一。這里永久低溫(火山口除外)、高壓、黑暗。海水每加深10米，就會(huì)增加一個(gè)大氣壓。在1萬(wàn)多米的深海，壓力高達(dá)1000多個(gè)大氣壓，也就是在每平方厘米的面積上的壓力可達(dá)到1000公斤[1]。

近年來(lái)，隨著各國(guó)海洋技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家紛紛把目光聚焦到深海這片廣闊而又神秘的未知領(lǐng)域。其中對(duì)深海生物的探索主要包括了兩方面：一是對(duì)生命起源的探索，如對(duì)發(fā)現(xiàn)深海熱液噴口生物群落等[2]；二是對(duì)深海生物樣本進(jìn)行采樣及研究。本文將詳細(xì)敘述近年來(lái)對(duì)深海生物捕獲技術(shù)方面的現(xiàn)狀、進(jìn)展以及收獲。

2 深海生物捕獲技術(shù)

深海生物捕獲，即對(duì)深海生物進(jìn)行采樣，把生物樣品從深海捕獲出水進(jìn)行科學(xué)研究。從生物特性上來(lái)看，浮游生物行動(dòng)力差，分布較多，所以相對(duì)容易捕獲。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)浮游生物的捕獲技術(shù)已經(jīng)比較成熟，傳統(tǒng)的捕獲方法就是利用深海拖網(wǎng)、取樣器或者抓斗獲取生物樣本，然后拖上岸來(lái)進(jìn)行過濾分離[3]。而對(duì)于深海一些較大型生物（諸如深海底棲生物、游泳生物）的捕獲相對(duì)較難，當(dāng)今的捕獲技術(shù)主要分為拖網(wǎng)技術(shù)以及深潛器技術(shù)，結(jié)合一些比較簡(jiǎn)單的誘捕技術(shù)。

2.1 深海拖網(wǎng)捕獲技術(shù)

拖網(wǎng)捕獲技術(shù)，是一種利用船舶航行的拖拽式采樣方式。主要分為底拖網(wǎng)和水中拖網(wǎng)兩種方式。

底拖網(wǎng)技術(shù)用于對(duì)深海底棲生物等小型生物進(jìn)行采樣捕獲。它由拖曳纜繩和采樣鐵框架和網(wǎng)籃等構(gòu)成，采樣時(shí)用絞車把采樣器沉放到海底，并靠船舶的航行沿著海底拖曳采樣，收集樣品。

水中拖網(wǎng)適用于捕獲較大的深海生物，它是由拖拽覽繩和設(shè)置了一定網(wǎng)格大小的漁網(wǎng)所組成，利用船只在海面上拖動(dòng)，來(lái)回拖拽進(jìn)行捕獲。

2.1.1 拖網(wǎng)的缺陷

大量研究顯示，底拖網(wǎng)技術(shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了災(zāi)難性傷害，珊瑚、海綿、魚類和其它動(dòng)物都將因此受到捕殺。而且眾多海洋生物的棲息地——海山等水下生態(tài)系統(tǒng)也遭到了嚴(yán)重的破壞。這對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)造成了無(wú)法彌補(bǔ)的損失。

圖1 拖網(wǎng)前后海床對(duì)比圖

從圖1中可見，拖網(wǎng)后海床上留下明顯的底拖網(wǎng)滾輪劃痕，所經(jīng)之處都被夷為平地。此外，底拖網(wǎng)還會(huì)掀起海底沉積物，嚴(yán)重破壞海底生物的生存環(huán)境。

而從技術(shù)層次來(lái)看，拖網(wǎng)技術(shù)很難對(duì)生物進(jìn)行有針對(duì)性的捕獲，往往造成不分青紅皂白的“濫殺無(wú)辜”，成功率低且浪費(fèi)資源。

2.1.2 拖網(wǎng)的改進(jìn)[4]

由于拖網(wǎng)存在著以上這些缺陷，尤其是對(duì)深海生態(tài)環(huán)境的破壞，使得研究者不得不思考如何改進(jìn)技術(shù)，盡量減小拖網(wǎng)的破壞。改進(jìn)的理論基礎(chǔ)是使用遙控技術(shù)控制拖網(wǎng)上綱、下綱以及海底之間的距離（D1、D2），使其保持在一個(gè)合適的距離，盡可能的減小拖網(wǎng)與海底之間的剪切力。

圖 2 拖網(wǎng)改進(jìn)原理圖

目前加拿大的NTI公司就基于這種理論發(fā)明了一種拖網(wǎng)監(jiān)視系統(tǒng)。這套拖網(wǎng)監(jiān)視系統(tǒng)NETMIND ?由四部分組成：接收器，水聽器，軟件和傳感器，分別安裝在拖網(wǎng)上進(jìn)行工作。這種新型拖網(wǎng)技術(shù)主要能夠更好地監(jiān)視和控制拖網(wǎng)過程，不僅提高了效率，更重要的是控制了拖網(wǎng)高度，盡量減少拖網(wǎng)與海床摩擦所產(chǎn)生的破壞。

2.2 深潛器技術(shù)

深海深潛器近年來(lái)越來(lái)越多地運(yùn)用于人類對(duì)深海資源的探索。其中，對(duì)深海生物資源的探索也是極為重要的一環(huán)。深潛器最直觀的優(yōu)點(diǎn)在于科學(xué)家可以遠(yuǎn)程進(jìn)行操控并且針對(duì)性高，也不會(huì)對(duì)深海環(huán)境造成破壞，但造價(jià)不菲。主要分為水下機(jī)器人和載人深海深潛器兩種。

2.2.1 深海深潛機(jī)器人

水下機(jī)器人又稱無(wú)人遙控潛水器，其工作方式是由水面母船上的工作人員通過連接潛水器的臍帶提供動(dòng)力，操縱或控制潛水器，采用水下電視、聲吶等專用設(shè)備進(jìn)行觀察，并由機(jī)械手進(jìn)行水下作業(yè)。在深海生物捕獲中，水下機(jī)器人使用機(jī)械手把捕獲的生物放入收集倉(cāng)中帶上水面。

2.2.2 深海載人深潛器

深海載人深潛器與水下機(jī)器人的不同之處在于可以把人攜帶進(jìn)深潛器進(jìn)入深海進(jìn)行科學(xué)工作，類似于潛艇，其科技含量更高。

2.3 其他技術(shù)

除了上述兩種方法外，還有一些針對(duì)某些特定的深海生物所設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單誘捕設(shè)備。比如把深度表綁在浮動(dòng)的長(zhǎng)繩上垂吊到海底下捕捉大型游泳生物；利用深海抓斗捕獲底層底棲生物等等。

3 國(guó)內(nèi)外深海生物捕獲現(xiàn)狀及收獲

3.1 拖網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)狀與收獲

在利用拖網(wǎng)技術(shù)對(duì)較大型深海生物捕獲方面，研究者們的收獲頗豐。2008年，來(lái)自14個(gè)國(guó)家的科學(xué)家在北大西洋的馬尾藻海(Sargasso sea)表層以下5000米處運(yùn)用拖網(wǎng)捕獲了一種漂浮的、相貌丑陋的片腳類動(dòng)物(Amphipod)，它是一種小型的、類似對(duì)蝦的甲殼類。此外，專家們?cè)谶@里采集了500多種生物，其中可能包括12個(gè)新物種。這也是我們目前了解到的生活在最深海域中的生物之一；在愛爾蘭西北處約400里的大西洋深海處，考察者們通過深海拖拉船捕獲到深海巨型蜘蛛蟹；在深海魚類捕獲方面，科學(xué)家們利用底拖網(wǎng)技術(shù)捕獲深海貢式巨口魚、深海白鰭袋巨口魚以及寬咽魚等等。

除了大型深海生物，研究者還利用兩種特制的拖網(wǎng)技術(shù)對(duì)生活于3000~6000m的深海生物幼體進(jìn)行捕獲。而這兩種拖網(wǎng)新技術(shù)在國(guó)內(nèi)外運(yùn)用的還比較少[5]：

第一種叫作多層矩形中層拖網(wǎng)RMT(Multiple RectangularMidwater Trawl)，用于采集上升熱液羽流中的熱液生物幼體。該網(wǎng)由甲板上發(fā)出不同頻率的聲波來(lái)控制網(wǎng)的開閉裝置。不足之處是沒有可視裝置，無(wú)法在近底層水平拖曳，因而很難采集到近底層熱液生物幼體。

第二種用拖網(wǎng)和浮游生物泵掛在深潛器的側(cè)面采集近底層熱液生物幼體。但考慮到潛器活動(dòng)范圍、下潛時(shí)間以及安全性的多方面因素，拖掛的拖網(wǎng)網(wǎng)口比較小，濾水量不大，采集的幼體也不多。系統(tǒng)中浮游生物泵被安裝在深潛器上，并下放到預(yù)定深度后開啟動(dòng)力泵，使大量海水流過濾網(wǎng)，捕獲的懸浮顆粒物和微生物的濾網(wǎng)連同一定體積的水樣密封于耐壓樣品容器中，但由于深海底大型生物的豐度低且泵過濾的水量有限，幾乎采集不到底棲生物幼體等較大的生物，偶爾采到一些，也都是死的標(biāo)本，因此這種方法不常使用。

3.2 深潛水下機(jī)器人的現(xiàn)狀與收獲

當(dāng)今深潛水下機(jī)器人技術(shù)比較發(fā)達(dá)的是美國(guó)、日本以及一些歐洲國(guó)家，我國(guó)近年來(lái)在這個(gè)方面也取得了突破性的進(jìn)展。

在利用深海深潛機(jī)器人對(duì)深海資源進(jìn)行探測(cè)領(lǐng)域上處于領(lǐng)先地位的是美國(guó)。美國(guó)的伍茲霍爾（Woods Hole）海洋研究所從事研制深海深潛機(jī)器人以及深海載人深潛器兩方面的工作，貢獻(xiàn)巨大。他們?cè)?007年研制的訥雷依(Nereus)號(hào)水下機(jī)器人對(duì)大面積洋底進(jìn)行一般性測(cè)量以及收集生物標(biāo)本，訥雷依(Nereus)號(hào)水下機(jī)器人能夠在最大深度為6500～11000 m的世界海洋，其中包括北冰洋底[6]。在2009年，來(lái)自伍茲霍爾海洋研究所的專家對(duì)東南亞的西里伯斯海進(jìn)行了一次為期4周的“探究深海物種進(jìn)化”的科學(xué)考察，發(fā)現(xiàn)了大量以前未見的物種，并且還捕獲了不少深海罕見的生物。所使用的技術(shù)就是一臺(tái)名為“全球最棒的漂流者”的深潛水下機(jī)器人（如圖3），它配備有高清晰度攝像頭，能在深達(dá)3000米的水下工作，科學(xué)家可遠(yuǎn)距離操作，將水中抓獲的生物存放在機(jī)器人的收集倉(cāng)中。

圖 3 “全球最棒漂流者”水下機(jī)器人

通過這次深海采樣，科學(xué)家捕獲了不少深海生物，比如在2000米深的西里伯斯海捕獲了一種長(zhǎng)約3厘米，和普通藥片差不多大小的等足目生物（如圖4）；在約2500米海域捕獲了一種粉紅色、透明的好似海參的生物等等。

圖4 “全球最棒漂流者”水下機(jī)器人所捕獲生物

國(guó)內(nèi)近年來(lái)在深潛器技術(shù)領(lǐng)域取得了突破，2008年5月在海南，目前我國(guó)下潛深度最大、功能最強(qiáng)的無(wú)人遙控潛水器(Remotely Operated vehicle，簡(jiǎn)稱ROV)“海龍?zhí)枴?，亦稱水下取樣型機(jī)器人完成了3277米深誨試驗(yàn)，這在目前世界上只有極少數(shù)國(guó)家能夠做到。該機(jī)器人將主要用于大洋深海生物基因和極端微生物的研究以及探索人類起源的秘密，同時(shí)也將進(jìn)行各種水下作業(yè)。

3.3 深海載人深潛器的現(xiàn)狀與收獲

深海載人潛水器最初更多地應(yīng)用在軍事方面，近年來(lái)隨著深潛器技術(shù)的突飛猛進(jìn)，載人深潛器開始被廣泛運(yùn)用在深海科學(xué)研究中去。相比較水下機(jī)器人，深潛器能夠?qū)⒀芯咳藛T送入深海進(jìn)行實(shí)地考察，研究人員可以近距離更直觀的對(duì)生物進(jìn)行研究。由于深海載人潛水器的特殊地位和作用，美、法、日、俄等國(guó)早已開展了深海載人潛水器的研制工作，而我國(guó)起步相對(duì)較晚。

國(guó)外方面，美國(guó)在無(wú)人潛航器中最具代表性的就是美國(guó)伍茲霍爾（Woods Hole）海洋研究所研制的阿爾文號(hào)（Alvin）深潛器。自建造以來(lái)，阿爾文號(hào)已下潛4100余次，每年的平均下潛次數(shù)保持在百次以上，對(duì)地殼構(gòu)造、海洋化學(xué)、生命的起源以及深海物質(zhì)的組成等基礎(chǔ)研究起到了重要作用[6]。在深海生物方面的最著名的貢獻(xiàn)就是于1977年歷史性地發(fā)現(xiàn)了洋中脊上的黑煙囪和熱液生物群落。如圖5所示，科學(xué)家（Pilot）可隨著阿爾文號(hào)的載人艙潛入海底，利用配備的機(jī)械手（Starboard/Port Manipulator）、生物取樣器以及采樣籃（Sample Basket）對(duì)深海生物進(jìn)行采樣和收集。據(jù)悉，2004年美國(guó)已決定斥資2000多萬(wàn)美元在6年內(nèi)建造一艘功能更加完善的新概念A(yù)LVIN號(hào)潛水器[7]。

圖5 阿爾文號(hào)（Alvin）深潛器構(gòu)造簡(jiǎn)圖

其他國(guó)家方面，日本海洋科技中心用欽合金做耐壓殼建造了 “深海2000”號(hào)和“深海6500”號(hào)的潛水器，以及法國(guó)研制的“Victor 6000”號(hào)、Nautile號(hào)和Cyana號(hào)載人深潛器，都能在低至6000m的深海完成包括深海生物捕獲考察在內(nèi)的許多深海探索及捕撈工作。

我國(guó)的海洋事業(yè)起步較晚。近年來(lái)，海洋開發(fā)和海洋科研逐步和國(guó)際接軌，開始走向深遠(yuǎn)洋。我國(guó)在載人深潛器領(lǐng)域最大的突破是研制的7000米載人深潛器（如圖6），此載人深潛器需花5小時(shí)下潛至7000米深海，整個(gè)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)可達(dá)12小時(shí)。潛水器類似美國(guó)阿爾文號(hào)能容納3個(gè)人，一名操作員，兩名科學(xué)家。在潛水器的前端，是一個(gè)密閉的玻璃，潛水科學(xué)家可以通過這里看到外面的世界。潛水器裝有兩只機(jī)械手，可以進(jìn)行抓取等水下工作。潛水器可用于深海生物基因的采樣及研究等多項(xiàng)工作。

圖6 我國(guó)研制的7000米深海載人深潛器

3.4 其他誘捕技術(shù)的現(xiàn)狀與收獲[8]

此外，科學(xué)研究者也會(huì)針對(duì)所要捕獲的生物的特性設(shè)計(jì)一些比較簡(jiǎn)單的誘捕設(shè)備來(lái)進(jìn)行采樣。

比如在針對(duì)大型深海游泳生物捕獲方面，2005年，來(lái)自日本的兩位科學(xué)家在水深900米的海中將攝影機(jī)和深度表綁在浮動(dòng)的長(zhǎng)繩上垂吊到海底。他們?cè)跀z影機(jī)下面掛著小烏賊當(dāng)誘餌，并且用一袋切碎的蝦來(lái)引誘大章魚。當(dāng)一條長(zhǎng)約8米的大烏賊用觸角纏繞住誘餌后，就被隱藏在其中的掛鉤給鉤住了，綁在長(zhǎng)繩上的攝影機(jī)拍下了前前后后捕獲的過程。

而針對(duì)一些小型深海生物，研究人員研制了一種像雙瓣貝殼的“大洋抓斗”，在撞擊到海底時(shí)能快速閉合，將樣品全部“抓”到斗內(nèi)。但它容易擾亂樣品，不利于精細(xì)研究。為此又設(shè)計(jì)了箱式取樣器、重力取樣器和活塞取樣器等，將它們垂直下放到海底，利用特殊裝置迅速將樣品完好地取上來(lái)，這樣就能對(duì)沉積物逐層加以研究。

4 對(duì)深海生物捕獲技術(shù)的探討

4.1 捕獲技術(shù)的展望

就目前的技術(shù)而言，水下機(jī)器人以及載人深潛器無(wú)論制造還是使用都需耗費(fèi)極大的人力財(cái)力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普通研究機(jī)構(gòu)的承擔(dān)能力。拖網(wǎng)技術(shù)雖然使用較為廣泛，但是除了存在會(huì)破壞深海生態(tài)環(huán)境的弊端以外，捕獲的針對(duì)性和成功率都比較低。最為關(guān)鍵的是，無(wú)論拖網(wǎng)或深潛器都不是專門針對(duì)捕獲設(shè)計(jì)的，其捕獲功能的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性太低。因此，越來(lái)越多的研究人員正在開發(fā)一種既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用、專門針對(duì)深海生物捕獲的簡(jiǎn)單設(shè)備，比如一些深海生物誘捕設(shè)備。

所謂的“誘捕”，即是轉(zhuǎn)“主動(dòng)捕獲”為“被動(dòng)誘捕”。研究者根據(jù)深潛器的耐壓構(gòu)造原理[9-10]，設(shè)計(jì)建造一個(gè)耐壓的籠體，籠內(nèi)放有誘餌，籠體上帶有類似蟹籠的誘捕口，籠體外裝有蓄電池、重錨、浮標(biāo)、無(wú)線通信設(shè)備以及水下聲學(xué)通信設(shè)備。把此誘捕籠放入海底，一段時(shí)間后，通過水下聲學(xué)釋放器等設(shè)備控制其上浮并通過無(wú)線通信設(shè)備定位回收。此設(shè)計(jì)可通過改變誘餌來(lái)更換捕獲的對(duì)象，針對(duì)性較拖網(wǎng)技術(shù)有很大提高，而且不會(huì)破壞深海環(huán)境，也不需要深潛器那般龐大的經(jīng)費(fèi)支持。

4.2 深海生物捕獲待解決的難點(diǎn)

目前對(duì)深海生物捕獲存在著一個(gè)難題，就是所捕獲生物的存活率。也就是說，當(dāng)今的采樣技術(shù)在捕獲稍微大型的生物的時(shí)候，很難克服保壓的問題，往往把深海生物從海底撈上來(lái)的過程中生物已經(jīng)死亡，在采集深海生物幼體方面也具有同樣的難題，沒有保壓裝置所采集的幼體出水面時(shí)已幾乎全部死亡(除了極個(gè)別的蟹類大眼幼體能在1個(gè)大氣壓下經(jīng)歷變態(tài)發(fā)育過程外)。

為此，各國(guó)的研究者開始對(duì)保壓轉(zhuǎn)置進(jìn)行了研究。目前對(duì)深海微生物的活體采樣已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，使用的方法是多網(wǎng)分段/分層生物幼體保壓取樣器，可以保持高壓取樣筒體的壓力，即6h的壓力變化不超過10%[3]。接下來(lái)，針對(duì)中大型深海生物捕獲裝置的保壓?jiǎn)栴}也急需得到解決。

5 結(jié)語(yǔ)

21世紀(jì)是屬于海洋的世紀(jì)，海洋中有著巨大的資源等著人類去探索和發(fā)掘。深海作為海洋最神秘之處，是地球表面生物多樣性最為豐富的地區(qū)，因此，對(duì)深海的生物進(jìn)行捕獲研究以及發(fā)現(xiàn)深海新的物種，進(jìn)而對(duì)深海極端海洋生態(tài)系統(tǒng)中的生物資源、生物多樣性進(jìn)行系統(tǒng)的比較研究，對(duì)人類揭示生命的起源以及研究生物對(duì)特殊環(huán)境的適應(yīng)能力有著極為重要的科學(xué)意義。目前，國(guó)際上對(duì)深海生物資源的探索愈來(lái)愈熱，各國(guó)科學(xué)家都爭(zhēng)先恐后地探索著這片人類知之甚少的寶地，深海生物資源也已成為世界各國(guó)的戰(zhàn)略發(fā)展資源，許多發(fā)達(dá)國(guó)家在制定針對(duì)本土生物資源保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃的同時(shí)，更是把目光轉(zhuǎn)向國(guó)際公共深海區(qū)域的競(jìng)爭(zhēng)和開發(fā)。因此，我國(guó)要在今后日趨激烈的國(guó)際深海公共資源的競(jìng)爭(zhēng)中取得領(lǐng)先地位的話，就必須盡快發(fā)展海洋事業(yè)，發(fā)掘深海生物資源。

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魏翀，weichong3310@yahoo.com.cn。