南極冰蓋下，能找到地外生命嗎？

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”為主題，邀請5位來自超導技術(shù)、海洋資源、航天科技、氣象預測、水利水電領(lǐng)域的專家，圍繞中國最具代表性的、切實造福百姓的五大科學與技術(shù)，聚焦“富民強國‘強’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？

當前，外太空探索能力非常有，換個思路，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——一個對多數(shù)人都極為陌生的世界。

演講者供圖

我們普遍認為，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)，同時還具備科學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4000米。調(diào)查顯示，其實在南極是存在多個大型煤礦，表明那里曾經(jīng)是個溫暖而濕潤的世界。

那么，它是什么時候開始變冷而最終形成冰蓋的呢？

南極冰蓋，演講者供圖

科學研究表明，南極冰蓋起源于大約3400萬年前，有兩個外部因素來共同導致：

一個是那個時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，形成了我們整個南大洋。德雷克海峽打開導致的南極繞極流形成，它就像一個“銅墻鐵壁”一樣，保護著南極洲，阻止了低緯度地區(qū)的熱量向南輸運，所以最終導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被冰封的世界里，會蘊藏著一些什么樣的秘密呢？科學家們的探測結(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，是一個妥妥的“世外桃源”。當然還有一個重大的發(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

淺藍色部分，南極洲的基巖部分并不是一個完整的大陸，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龐大的水系，通過暗河把部分冰下湖連成一體。最近，科學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。所以這是一個非常龐大的一個湖泊。

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湖泊，它有時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：

一是，厚達千米的冰層給冰下湖提供了巨大的壓力，導致冰下湖的冰點降低，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，地熱給冰下湖提供熱量，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物的，而是微生物利用化學物質(zhì)形成有機物。

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，是一個國家科技和后勤支撐能力的全面的檢驗，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：

一個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；

后兩者為開放性湖泊，由美國主導。英國曾主導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，需要有強大的后勤支撐能力，把大量的設(shè)備運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，而是在鉆進和取樣過程可能導致的樣品污染問題。

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致的嫌疑。

自研深冰芯鉆

我們國家在多個國家項目的支持下，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)與應用中取得了顯著進展。

深冰芯鉆，演講者供圖

首先是深冰芯鉆：它是由國家“863”計劃支持研發(fā)，2012年1月7日正式應用于冰穹A深冰芯鉆探。至2021年8月，已經(jīng)成功進行了5個工作季的深冰芯鉆探施工和1個工作季的維護作業(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”計劃支持研發(fā)。這個系統(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)還配備了一個獨立的熱融鉆，用于40到50米深度內(nèi)的先導鉆進。

冰下基巖鉆，演講者供圖

冰下基巖鉆：國家自然科學基金重大儀器專項資助。鉆具包括3個模塊：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)有鉆機在使用過程中的污染問題，我國在國家“十三五”重點研發(fā)專項支持下，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，累計鉆進深度超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，包含了多項核心技術(shù)，其中線纜是重要問題?？茖W家在3年的時間里，先后研制了10款電纜，最終獲得成功。

南極冰下湖的鉆探計劃

近年來，我國利用“雪鷹601”固定翼飛機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。這個由中國命名的冰下湖，是一個封閉性的湖泊，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劃的實施奠定了非常堅實的基礎(chǔ)。我國將在“十四五”期間，通過國家重點研發(fā)計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。

結(jié)語

南極洲的冰下湖泊最終可能不僅是科學家們的夢想，同時也是大家共同的夢想。

演講者供圖

實施對木衛(wèi)二的海洋采樣過于遙遠，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化，可能會提供地球上獨特的生命形態(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)生命的一個路標。

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，讓我們一起期待這一天的盡早到來，謝謝。

策劃制作

責編丨金禹奮