文章亮点
1. 综合评述了探索极端生命的深海装备进展。
2. 介绍了极端深海生态系统的发现及其相应的设备需求。
3. 回顾了各种深海装备的发展历史和现状。
4. 提出了未来深海装备的挑战和前景。
图形摘要
文章信息标题：Role of Deep-Sea Equipment in Promoting the Forefront of Studies on Life in Extreme Environments作者：Jianzhen Lianga,b, Jing-Chun Fenga,b*, Si Zhanga,b,c*, Yanpeng Caia,b, Zhifeng Yanga,b,Tian Nid, Hua-Yong Yangb期刊：iScience原文链接: https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(21)01268-2DIO: https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.103299
摘 要 深海环境容纳了世界上最大的生态系统，拥有最大的生物群落以及广泛未被发现的物种。然而，人们对这些生态系统的认知尚浅。由于人类难以进入深海区域，深海装备是研究深海极端环境及其生命不可或缺的途径。本文论述了与极端生态系统相关的深海装备的历史发展和最新技术，以阐明该装备对极端环境及其内生命研究的促进作用。文中分析了深海装备开发与物种发现之间的联系；详细阐述了热液、冷泉、鲸落、海山及海沟等深海生态系统研究及相关的装备；提出了关于观测设备、采样器、实验室模拟系统以及潜水器等主要深海装备的前景和挑战，明确了未来极端环境及其生命研究的方向和重点；描绘了原位观测、采样、可控培养、水下环境载人实验和实验室模拟的综合蓝图。
1 前沿
海洋水下深度3000米以上的区域占比超过了海洋总空间的50%，栖息着大量未被发现的物种。深海水体接壤地球壳体，其环境特征独特，有别于陆地和其他海洋生态系统。深海生态系统在全球生物地球化学循环和地球生命进化中起到重要作用，然其具体机制还未得到充分了解。
随着海洋勘探的发展，深海环境中的极端生命逐渐被人类所知。深海环境中的极端地球化学过程创造了各种深海栖息地类型，如热液喷口、冷泉、鲸落、海底山和海沟，深海生物依靠极端生境释放的能量得以生存和繁衍。由于深海环境存在高压、极高/低温、光线有限和营养缺乏等特点，深海生物经过长期地适应和进化，形成了独特的营养代谢方式和极强的适应能力，相关研究为探索深海生物圈极端环境中生命的起源和进化的奥秘提供了依据，而且其结构与功能具有较高的自然价值，可应用于工业生产，具有重要的科学研究价值。鉴于装备条件的限制，人类很难进入深海实际环境开展研究，故目前对于深海生物的研究尚还缺乏。迄今为止，仅对不到0.1%的深海海底环境进行了详细调查；虽然深海环境是地球最大的生物栖息地，但在海洋生物基因研究中与深海生物基因相关的不足4%，从极端生物调查和研究的角度来看，对深海装备技术的发展与应用提出了极大的需求和技术挑战。 因此，为推进未来极端生命探索与研究，本研究对深海装备的历史特点和现状进行了调研和评估；本文详细介绍了主要深海极端生态系统以及相应的设备需求；分析了装备开发在深海极端环境中促进生物研究的重要性；全面综述了现有用于识别极端生命的深海装备发展历史及其现状，提出了深海设备面临的挑战、前景和对未来的影响。
2 深海极端生态系统
由于生态系统的复杂性，深海勘探面临更多挑战。深海海底主要分布在3000-5000米的深度范围内，其平均深度为3800米（图1a）。深海冷泉、鲸落、热液、海山和海沟为深海生物的发育提供了重要的碳源和能源。（图1b）
图1. 深海生态系统的分布（a）从海洋表层到深处的海底深度分布比例;（b）世界各地极端生态系统的地理分布，包括冷泉、鲸落、热液和海沟
3 装备开发对深海极端生物研究的重要性
随着海洋勘探装备技术的进步，人类对深海生物资源和生态系统服务功能的基本认识得到了迅速发展。发达国家越来越重视大型深海设备的研究和开发，包括载人潜器（HOV）、遥控式潜器（ROV）和自主式潜器（AUV）。通过先进的海洋勘探装备和技术，已在勘探的海域中相继发现了大量深海物种，如图2所示。
图2. 深海物种的地理分布和全球深海设备的全球分布
为明确深海生物研究与装备开发之间的关系，对1960年至2020年间的世界海洋物种IOBIS数据库中每年新发现的深海物种数量和Google Patent数据库中每年新发明的设备数量进行了比较和相关性分析（见图3）。可见自2000年以来，每年累计发现的物种和开发设备数量呈急剧增加趋势（图3a），累计发现的物种生长趋势与已开发设备的增加有显著相关性（如图3b，Pearson相关系数为 0.91，R2为0.82），该现象揭示了深海装备对生物资源研究的加速效应。
图3. 深海设备促进了生物资源的开发 （a）自1960年以来，已开发取样器及传感器的数量以及累计发现物种的数量;（b）已开发取样器及传感器与累计发现物种数量的相关性分析
4 深海装备的发展
目前，各类研究工作对深海生物和生态系统研究中的常规设备已经进行了较为全面的综述和介绍。根据研究范围和目标，主要有四种不同类型的深海设备可供选择：（1）由局部观测和长期观测组成的观测设备；（2）取样器，包括底部拖网、挖泥船和爬犁等独立设备，以及安装的相机、抓斗和取样器等设备；（3）生物反应器模拟系统；（4）潜水器系统，包括HOV、ROV、和AUV。由于远离大陆，故为获取深海特殊的生物资源，必须开发与之配套的设备。而根据深海的特殊环境特征，对设备的耐高压性和耐腐蚀性有严格的要求。因深海探测和采样需求的不断拓展，其对设备的作业深度、作业范围和非干扰采样提出了新的要求，技术的革新将促进深海装备更精确地部署。鉴于深海环境条件恶劣复杂，相应设备必须保持在原位条件下进行作业，需要与深海环境形成相互融合的场景。未来的研究应建立全息成像、原位观测、保真采样、深海载人实验、深海可控养殖、船上实验和实验室实验相结合的方法，以确保深海环境中的生物不受干扰。这为研究极端环境生物多样性提供了新的视角和机会。
01 观测设备 全面了解生物过程与极端深海环境之间的相互作用，以及生物群落的分布和生态功能，并获取有关周围环境条件的详细信息，是对深海观测设备的基本要求。环境和生物尺度的重叠是环境胁迫与生物地球化学反应关系的直接结果，先进的观测设备有助于全面掌握极端生物栖息地的环境条件参数，观察极端生物栖息地的环境有助于了解生物对环境的适应机制。海底观测技术可促进底栖和远洋生态系统的研究，尤其是在气候变化和人类活动的影响下，将水下传感器和摄像机系统耦合在观测设备上是观察当地生态系统的有效工具。传感器的精准性、可靠性和稳定性是保证极端深海环境现场监测的主要因素，由于深海环境的恶劣和水下仪器承载能力的有限，探测传感器也正向小型化、智能化和精密化方向发展。在未来，深海生态监测系统应支持三维勘探功能，改进和集成移动式绳系监控平台、离岸分析器及固定监测平台，以提高深海环境和生物观测能力。
02 海底观测网 深海调查和勘探通常需要数周时间，有限的采样和测量会导致对深海生物多样性的低估；连续观测数据的不足，导致降低观测者对动态深海生态系统中随机和季节性事件作用的理解。与局部的深海调查相比，海底观测站具有更先进的综合能力，可以对海洋过程进行长期、跨学科和高分辨率地连续监测。国际海洋科学界一直在发展海底观测网的概念，如图4所示，有线观测网正在深海海洋中部署。目前，综合部署的有线海底观测网络主要包括NEPTUNE（加拿大）、VENUS（加拿大）、MARS（美国）、ECSSOS（中国）、IEED（日本）等。
图4. 深海长期观测网络的全球分布
典型的有线海底观测网络通常包括水下电缆、岸站控制中心、传感器、接驳盒、生物取样器和防水连接器模块等（图5）。岸站控制中心是网络的核心大脑，负责数据传输和存储、系统运行管理以及应急响应。传感器与网络类似于眼睛和耳朵，收集有关光、温度和氧气等参数的信息；接驳盒是网络的核心，控制信息和能量转移；水下电缆被视为网络的通道，负责能源供应，能够进行持续的深海长期观测。连续时间序列观测促进了对海底生态系统演化及其与海洋和地球内部热化学过程相互作用的研究。目前多个地区已部署了深海监测设备，以测量海底呼吸和生物地球化学参数，然而，由于地理条件、装备技术和工程技术等限制，迄今为止只有少数海底观测站观测和研究了深海热液区和冷泉的极端环境和栖息地中的生命。有线海底观测网络面临的总体挑战主要包括:（1）接线盒、电缆和探测系统的安装成本高，且安装施工周期长，维护难度大；（2）近海渔业十分密集，海底电缆易受拖网渔船的破坏；（3）有线观测网络有利于定点观测，覆盖的观测面积非常有限，投入产出比较低。总之，长期观测网络已逐渐成为深海极端环境生物观测的有力工具。功能完备的水下网络系统是研究极端环境生态系统的基础，通过持续长期监测和实时数据传输可以掌握底栖生物群落多样性的随时间的演化过程和动物对季节环境变化的响应特性。
图5. 深海生态系统观测技术的未来概念
03 采样设备 样品采集是深海极端生物调查中不可或缺的一部分，在极端环境中获取生物资源方面发挥着至关重要的作用。选择最合适的采样设备取决于不同的极端环境，目前，根据研究范围，采样设备主要包括通用生物采样器、基于潜水器的精确采样器和基于视觉采样的摄像系统（图6）。
采样技术的进步促进了对各种极端生物获取的进展。目前，为增加人们对极端底栖生境中生物生长状况的了解，深海取样器正向更精确的方向发展，并专注于原位条件的保存。大容量取样技术是另一个挑战，因为对深海微生物富集、元素循环和污染物运输的研究常常需要大量的水样。
图6. 深海设备成像技术以及生境特征 （A）HOV Alvin上的采样器和高清摄像头;（B）ROV ROPOS 上的相机系统;（C）拖曳相机;（D）海底网络的履带车Wally正在进行视频记录;（E）沉积物取样的柱芯;（F）ROV机械臂捕获的热液动物;（G）采集热液样本的取样器;（H）Woody热液喷口的马赛克图及示意图;（I）ROV视频调查部分的摄影;（J）鲸落分解过程的时间序列图像
04 深海模拟系统 由于进入特殊极端环境的机会有限，而且存在巨大的成本和安全风险，因此不可能在极端环境中对所有生物进行实验研究。此外，科考船采集的样品数量也有限，如果极端生命离开了原来的生活环境，将很容易死亡。实验室原位环境条件模拟是研究极端生物代谢及变化响应的一种有效、经济的实验性方法。为研究生命如何在高温和高压的极端环境下生长，可在实验室模拟系统（如生物反应器）中更详细、更持续地观察到，通过改变环境条件和控制养分输入便可用于模拟深海的自然环境。如图7所示，实验室深海模拟系统主要包括生物反应器、基于泵机的气液注入组件、反应器内部压力、温度和物质浓度等环境条件控制组件和环境信息监测组件，以及废物罐、分析部件等辅助组件。在陆地实验室开展深海极端生物的培育实验对于深海生物资源的开发利用具有重要意义。目前，能够模拟整个生态系统完整演化的技术有限，这是今后厘清极端条件下生物适应机制的重要途径。
图7. 实验室深海模拟系统的系统组成
05 深海潜水器 潜水器为在水体和各类底栖地形中对深海生物进行精确性和选择性的取样和观测提供了途径。潜水器配备了典型的采样装置。大多数潜水器是为深海生境调查而设计的，是深海生物资源开发的重要工具，主要可分为HOV、ROV 和AUV。
HOV
当科学家们身临深海极端环境时，他们可能从新的研究情景和研究方法中受到鼓舞和启发，HOV则将科学家和各种观测、取样设备搭载到了复杂的深海极端环境中。作为可载人的水下实验平台，HOV是观测海洋现象、获取海洋资源的重要技术手段。如图8所示，自1979年第一艘现代科学潜水器Alvin在加拉帕戈斯裂谷发现了海底热液喷口群落以来，便拉开了深海极端生物研究的序幕，通过进入深海的HOV，也改变了我们对深海基本生物和化学过程的理解。HOV的优势在于可以实现生物采样、生境分析和原位实验；根据实际生物动态，研究人员可以实地获取连续实时的原位数据，并进行设计实验和精细操作。对深海极端环境中的生物研究离不开人的智慧、知识、经验和判断力，因此，要完全依靠智能机器人技术独立解决深海生物研究问题是很困难的。在极端环境中，生命研究的过程需要准确和沉浸式的调查，极端环境下的深海研究致力于极端生境的探索和对未知生命的研究。这与水下标准流程的操作模式不同，既没有固定的操作过程，也无法用个人想象和推论来预测深海所有情况。因此，通过载人潜水器，对不同的环境和研究对象及时采取不同的观测、取样和实验的方案，大大提高了人类探索极端深海生物的积极性、选择性和灵活性，极大地促进了深海极端生物学研究。
图8. 在极端环境生命研究中HOV发展的时间轴
ROV
ROV是一种有缆遥控的无人潜水器，由科考船上的技术人员远程操作，旨在完成不同的危险任务。在过去几十年中，近海石油和天然气工业制造了大量ROV，以支持深海资源的开发，自20世纪80年代以来，ROV被制造用于科学研究，特别是深海生物及其栖息环境的调查，如图9所示。
ROV本质上是人类视觉、听觉、触觉和水下活动的延伸。在深海极端环境的生物调查中，ROV在环境观测和采样作业中起着非常重要的作用；如今，ROV正在经历巨大的技术进步，也开创了大量的生物研究成果。事实上，由于缆线长度的限制，ROV只能在相对有限的区域运行，其更适合悬停操作，具有高度交互性的实时性能、强大操作能力及有效载荷的优势。现在，许多深海作业都可以应用遥控无人潜水器，而不会对调查人员造成潜在危险。目前，ROV的工作能力基本可以覆盖海洋环境的全深度，这为极端生态系统研究提供了极大的技术支撑。
图9. 在极端环境生命研究中ROV发展的时间轴
AUV
无缆控制的自主式潜器AUV可在水下自主运行，按照既定程序开展水下调查，从而在水下具有很强的自主性。AUV被应用以来，已经获得了大量生境数据，以用于极端环境生态系统的研究，如图10所示。水下机器人能够有效地促进深海极端环境的调查，已成为海洋勘探中获取海底地形和热液柱信息的、具有前瞻性的重要工具。
AUV按照预设任务执行大规模深海探测，如深海极端生境中的环境参数检测、栖息地地形图和流体动态参数检测。目前，AUV在深海极端环境调查中具有高度灵活性的优势，且在深海极端生境数据收集方面发挥了关键作用，但在自主性、智能化、续航力、导航定位、信息交互和负载能力等方面还需进一步深入研究，以实现深海长期、实时和连续的定点观察及采样研究。
图10. 在极端环境生命研究中AUV发展的时间轴4
前景与挑战目前，深海装备的各种技术已被广泛应用于研究极端生物和生境生态系统。未来，深海设备将朝着现场观测、取样、培养、载人实验和实验室模拟向一体化方向发展，其主要前景和挑战如下：
01
技术的进步为在深海开发新的传感器和观测技术打开了新大门。深海传感器技术正朝着高精度、抗干扰、模块化、标准化、通用化的方向发展。传感器技术被大量应用于海底观测，使海底观测网可以实现响应式实时采样，并能监测整个生态系统的驱动因素。深海观测站和监测系统也正朝着三维、多功能、多平台协调的方向发展。海洋观测站将极大促进海洋信息学的发展，为获取大量海洋-地球数据和研究生物、化学、物理和地质过程之间的关系提供所需的工具。
02
采样设备的未来发展要注重原位保真采样、连续远距离采样、无害取样、高丰度富集。采集和保存活体标本需要准确抓取和原位储存技术，特别是对于无脊椎动物。考虑到生活在极端深海环境中的生物体是密度低、数量多的稀有物种，因此，空间分布和多点采样对于生物取样至关重要。同时，还要结合多种采样设备采集生物样品以更精准评估深海生物多样性。
03
生物反应器等实验室模拟系统用于模拟各种自然海洋环境已被证明是有效的。由于关键技术和成本的限制，我国仍然缺乏能够模拟极端生态系统演变的大型模拟系统，未来设备研发需要加强实验室模拟的连续高精度控制能力。目前已有水下实验装置成功通过潜水器放置在海底，以电子方式自动测量和记录数据，为在实验室原位模拟提供精准数据。
04
通常潜水设备设计是为了适应深海中尽可能监测多个环境变量。HOV的发展方向是提高探测能力的作业深度、实用性、可操作性和探测能力。今后，应利用现有技术形成载人潜水器系统，缩短开发时间和操作成本，提高载人潜水器的综合操作能力，包括水下续航能力、作业范围和操作工具模块。在ROV、AUV的关键技术上要有所突破，如多学科整体优化、目标智能感知与识别、任务规划与智能决策控制、作业智能操控、多元装备协同作业、智能故障诊断、仿生设计等。未来的无人机应该变得更加远程化、高度智能化、集群化和协作化。人工智能技术的应用将显著提高无人机的自主决策和目标识别能力，通过载人平台和小型平台集群的互联互通，实现固定设备、移动设备和多潜水器的网络协同。
5未来启示
极端环境中的极端深海生物仍然是生物资源开发的前沿，深海装备技术的发展要与科学需求相适应。深海生物多样性、不同生态系统间的生物连通性、极端环境的生物适应机制、人类活动和气候变化的生物水平和生态响应等深海生物前沿研究需要创新技术。未来，需要加强科学家、企业和政府之间的有效对话和合作以促进深海装备的发展，并可以从以下三个方面展开：（1）决策者应加强政策指导，优化不同学科之间的资源配置；在国家层面，决策者可以鼓励科学家聚焦重要的研究方向。（2）不同学科或国家的科学家应进行多层面的合作和互动。（3）工业界应加强与科学家的合作，为科学目标服务。
