國內外深海生物捕獲現狀綜述

魏 翀 許肖梅

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國內外深海生物捕獲現狀綜述

魏 翀*許肖梅

廈門大學水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室

隨著人類對海洋的開發利用，深海資源成為了各國研究者極力探索的一塊寶地。文章系統介紹了當今國內外針對深海生物的捕獲技術，以及捕獲技術的現狀和收獲，提出一些深海生物捕獲待解決的難點，并對未來的發展進行了展望。

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1 引言

和傳統海域不同，深海是一個非常特殊的生態環境，可以說是地球上最惡劣的環境之一。這里永久低溫(火山口除外)、高壓、黑暗。海水每加深10米，就會增加一個大氣壓。在1萬多米的深海，壓力高達1000多個大氣壓，也就是在每平方厘米的面積上的壓力可達到1000公斤[1]。

近年來，隨著各國海洋技術的發展，科學家紛紛把目光聚焦到深海這片廣闊而又神秘的未知領域。其中對深海生物的探索主要包括了兩方面：一是對生命起源的探索，如對發現深海熱液噴口生物群落等[2]；二是對深海生物樣本進行采樣及研究。本文將詳細敘述近年來對深海生物捕獲技術方面的現狀、進展以及收獲。

2 深海生物捕獲技術

深海生物捕獲，即對深海生物進行采樣，把生物樣品從深海捕獲出水進行科學研究。從生物特性上來看，浮游生物行動力差，分布較多，所以相對容易捕獲。目前國內外對浮游生物的捕獲技術已經比較成熟，傳統的捕獲方法就是利用深海拖網、取樣器或者抓斗獲取生物樣本，然后拖上岸來進行過濾分離[3]。而對于深海一些較大型生物（諸如深海底棲生物、游泳生物）的捕獲相對較難，當今的捕獲技術主要分為拖網技術以及深潛器技術，結合一些比較簡單的誘捕技術。

2.1 深海拖網捕獲技術

拖網捕獲技術，是一種利用船舶航行的拖拽式采樣方式。主要分為底拖網和水中拖網兩種方式。

底拖網技術用于對深海底棲生物等小型生物進行采樣捕獲。它由拖曳纜繩和采樣鐵框架和網籃等構成，采樣時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。

水中拖網適用于捕獲較大的深海生物，它是由拖拽覽繩和設置了一定網格大小的漁網所組成，利用船只在海面上拖動，來回拖拽進行捕獲。

2.1.1 拖網的缺陷

大量研究顯示，底拖網技術對生態系統造成了災難性傷害，珊瑚、海綿、魚類和其它動物都將因此受到捕殺。而且眾多海洋生物的棲息地——海山等水下生態系統也遭到了嚴重的破壞。這對海洋生態系統造成了無法彌補的損失。

圖1 拖網前后海床對比圖

從圖1中可見，拖網后海床上留下明顯的底拖網滾輪劃痕，所經之處都被夷為平地。此外，底拖網還會掀起海底沉積物，嚴重破壞海底生物的生存環境。

而從技術層次來看，拖網技術很難對生物進行有針對性的捕獲，往往造成不分青紅皂白的“濫殺無辜”，成功率低且浪費資源。

2.1.2 拖網的改進[4]

由于拖網存在著以上這些缺陷，尤其是對深海生態環境的破壞，使得研究者不得不思考如何改進技術，盡量減小拖網的破壞。改進的理論基礎是使用遙控技術控制拖網上綱、下綱以及海底之間的距離（D1、D2），使其保持在一個合適的距離，盡可能的減小拖網與海底之間的剪切力。

圖 2 拖網改進原理圖

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

2.2 深潛器技術

深海深潛器近年來越來越多地運用于人類對深海資源的探索。其中，對深海生物資源的探索也是極為重要的一環。深潛器最直觀的優點在于科學家可以遠程進行操控并且針對性高，也不會對深海環境造成破壞，但造價不菲。主要分為水下機器人和載人深海深潛器兩種。

2.2.1 深海深潛機器人

水下機器人又稱無人遙控潛水器，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力，操縱或控制潛水器，采用水下電視、聲吶等專用設備進行觀察，并由機械手進行水下作業。在深海生物捕獲中，水下機器人使用機械手把捕獲的生物放入收集倉中帶上水面。

2.2.2 深海載人深潛器

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

2.3 其他技術

除了上述兩種方法外，還有一些針對某些特定的深海生物所設計的簡單誘捕設備。比如把深度表綁在浮動的長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 國內外深海生物捕獲現狀及收獲

3.1 拖網技術的現狀與收獲

在利用拖網技術對較大型深海生物捕獲方面，研究者們的收獲頗豐。2008年，來自14個國家的科學家在北大西洋的馬尾藻海(Sargasso sea)表層以下5000米處運用拖網捕獲了一種漂浮的、相貌丑陋的片腳類動物(Amphipod)，它是一種小型的、類似對蝦的甲殼類。此外，專家們在這里采集了500多種生物，其中可能包括12個新物種。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，科學家們利用底拖網技術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技術對生活于3000~6000m的深海生物幼體進行捕獲。而這兩種拖網新技術在國內外運用的還比較少[5]：

第一種叫作多層矩形中層拖網RMT(Multiple RectangularMidwater Trawl)，用于采集上升熱液羽流中的熱液生物幼體。該網由甲板上發出不同頻率的聲波來控制網的開閉裝置。不足之處是沒有可視裝置，無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。

第二種用拖網和浮游生物泵掛在深潛器的側面采集近底層熱液生物幼體。但考慮到潛器活動范圍、下潛時間以及安全性的多方面因素，拖掛的拖網網口比較小，濾水量不大，采集的幼體也不多。系統中浮游生物泵被安裝在深潛器上，并下放到預定深度后開啟動力泵，使大量海水流過濾網，捕獲的懸浮顆粒物和微生物的濾網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，也都是死的標本，因此這種方法不常使用。

3.2 深潛水下機器人的現狀與收獲

當今深潛水下機器人技術比較發達的是美國、日本以及一些歐洲國家，我國近年來在這個方面也取得了突破性的進展。

在利用深海深潛機器人對深海資源進行探測領域上處于領先地位的是美國。美國的伍茲霍爾（Woods Hole）海洋研究所從事研制深海深潛機器人以及深海載人深潛器兩方面的工作，貢獻巨大。他們在2007年研制的訥雷依(Nereus)號水下機器人對大面積洋底進行一般性測量以及收集生物標本，訥雷依(Nereus)號水下機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，來自伍茲霍爾海洋研究所的專家對東南亞的西里伯斯海進行了一次為期4周的“探究深海物種進化”的科學考察，發現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。所使用的技術就是一臺名為“全球最棒的漂流者”的深潛水下機器人（如圖3），它配備有高清晰度攝像頭，能在深達3000米的水下工作，科學家可遠距離操作，將水中抓獲的生物存放在機器人的收集倉中。

圖 3 “全球最棒漂流者”水下機器人

通過這次深海采樣，科學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”水下機器人所捕獲生物

國內近年來在深潛器技術領域取得了突破，2008年5月在海南，目前我國下潛深度最大、功能最強的無人遙控潛水器(Remotely Operated vehicle，簡稱ROV)“海龍號”，亦稱水下取樣型機器人完成了3277米深誨試驗，這在目前世界上只有極少數國家能夠做到。該機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，同時也將進行各種水下作業。

3.3 深海載人深潛器的現狀與收獲

深海載人潛水器最初更多地應用在軍事方面，近年來隨著深潛器技術的突飛猛進，載人深潛器開始被廣泛運用在深海科學研究中去。相比較水下機器人，深潛器能夠將研究人員送入深海進行實地考察，研究人員可以近距離更直觀的對生物進行研究。由于深海載人潛水器的特殊地位和作用，美、法、日、俄等國早已開展了深海載人潛水器的研制工作，而我國起步相對較晚。

國外方面，美國在無人潛航器中最具代表性的就是美國伍茲霍爾（Woods Hole）海洋研究所研制的阿爾文號（Alvin）深潛器。自建造以來，阿爾文號已下潛4100余次，每年的平均下潛次數保持在百次以上，對地殼構造、海洋化學、生命的起源以及深海物質的組成等基礎研究起到了重要作用[6]。在深海生物方面的最著名的貢獻就是于1977年歷史性地發現了洋中脊上的黑煙囪和熱液生物群落。如圖5所示，科學家（Pilot）可隨著阿爾文號的載人艙潛入海底，利用配備的機械手（Starboard/Port Manipulator）、生物取樣器以及采樣籃（Sample Basket）對深海生物進行采樣和收集。據悉，2004年美國已決定斥資2000多萬美元在6年內建造一艘功能更加完善的新概念ALVIN號潛水器[7]。

圖5 阿爾文號（Alvin）深潛器構造簡圖

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

我國的海洋事業起步較晚。近年來，海洋開發和海洋科研逐步和國際接軌，開始走向深遠洋。我國在載人深潛器領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小時下潛至7000米深海，整個作業時長可達12小時。潛水器類似美國阿爾文號能容納3個人，一名操作員，兩名科學家。在潛水器的前端，是一個密閉的玻璃，潛水科學家可以通過這里看到外面的世界。潛水器裝有兩只機械手，可以進行抓取等水下工作。潛水器可用于深海生物基因的采樣及研究等多項工作。

圖6 我國研制的7000米深海載人深潛器

3.4 其他誘捕技術的現狀與收獲[8]

此外，科學研究者也會針對所要捕獲的生物的特性設計一些比較簡單的誘捕設備來進行采樣。

比如在針對大型深海游泳生物捕獲方面，2005年，來自日本的兩位科學家在水深900米的海中將攝影機和深度表綁在浮動的長繩上垂吊到海底。他們在攝影機下面掛著小烏賊當誘餌，并且用一袋切碎的蝦來引誘大章魚。當一條長約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，綁在長繩上的攝影機拍下了前前后后捕獲的過程。

而針對一些小型深海生物，研究人員研制了一種像雙瓣貝殼的“大洋抓斗”，在撞擊到海底時能快速閉合，將樣品全部“抓”到斗內。但它容易擾亂樣品，不利于精細研究。為此又設計了箱式取樣器、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，這樣就能對沉積物逐層加以研究。

4 對深海生物捕獲技術的探討

4.1 捕獲技術的展望

就目前的技術而言，水下機器人以及載人深潛器無論制造還是使用都需耗費極大的人力財力，遠遠超過了普通研究機構的承擔能力。拖網技術雖然使用較為廣泛，但是除了存在會破壞深海生態環境的弊端以外，捕獲的針對性和成功率都比較低。最為關鍵的是，無論拖網或深潛器都不是專門針對捕獲設計的，其捕獲功能的經濟實用性太低。因此，越來越多的研究人員正在開發一種既經濟又實用、專門針對深海生物捕獲的簡單設備，比如一些深海生物誘捕設備。

所謂的“誘捕”，即是轉“主動捕獲”為“被動誘捕”。研究者根據深潛器的耐壓構造原理[9-10]，設計建造一個耐壓的籠體，籠內放有誘餌，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、無線通信設備以及水下聲學通信設備。把此誘捕籠放入海底，一段時間后，通過水下聲學釋放器等設備控制其上浮并通過無線通信設備定位回收。此設計可通過改變誘餌來更換捕獲的對象，針對性較拖網技術有很大提高，而且不會破壞深海環境，也不需要深潛器那般龐大的經費支持。

4.2 深海生物捕獲待解決的難點

目前對深海生物捕獲存在著一個難題，就是所捕獲生物的存活率。也就是說，當今的采樣技術在捕獲稍微大型的生物的時候，很難克服保壓的問題，往往把深海生物從海底撈上來的過程中生物已經死亡，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已幾乎全部死亡(除了極個別的蟹類大眼幼體能在1個大氣壓下經歷變態發育過程外)。

為此，各國的研究者開始對保壓轉置進行了研究。目前對深海微生物的活體采樣已經可以實現，使用的方法是多網分段/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，針對中大型深海生物捕獲裝置的保壓問題也急需得到解決。

5 結語

21世紀是屬于海洋的世紀，海洋中有著巨大的資源等著人類去探索和發掘。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，因此，對深海的生物進行捕獲研究以及發現深海新的物種，進而對深海極端海洋生態系統中的生物資源、生物多樣性進行系統的比較研究，對人類揭示生命的起源以及研究生物對特殊環境的適應能力有著極為重要的科學意義。目前，國際上對深海生物資源的探索愈來愈熱，各國科學家都爭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的戰略發展資源，許多發達國家在制定針對本土生物資源保護和可持續發展規劃的同時，更是把目光轉向國際公共深海區域的競爭和開發。因此，我國要在今后日趨激烈的國際深海公共資源的競爭中取得領先地位的話，就必須盡快發展海洋事業，發掘深海生物資源。

[1] 游隆信.深海生物及其生存環境[J].生物學教學,2004，29（1）：54-55.

[2] 王麗玲,等.深海熱液噴口生物群落研究進展[J].地球科學進展,2008,23(6):604-612.

[3] 劉少軍,等.深海保真取樣器研究及其虛擬樣機實現[J].機械工程與自動化, 2005,(2):1.

[4] Charles W.West. Development and Application of Bottom Trawl Instrumentation Systems in Fisheries Resource Assessment[J].OCEANS,1984, Jan 6th,2003.

[5] 葛朝平.深海近底層多網分段/分層生物幼體保壓取樣器研究[D].杭州:浙江大學碩士學位論文,2008.

[6] Andrew D.Bowen.The Nereus hybrid underwater robotic vehicle for global ocean science operations to 11,000m depth[J].OCEANS, 2008, Sept,1-10.

[7] 顧繼紅,等.(美)伍茲·霍爾海洋研究中心載人深潛器計劃探究暨(美)新概念ALVIN號載人深潛器關鍵技術淺析[J].船舶,2008,(2):8-12.

[8] Jonathan Byron.Designing a Vertical / Horizontal AUV for Deep Ocean Sampling[J].OCEANS,2007,Sept.29 -2007,Oct. 4 2007, 1-10.

[9] 苗蘭森,等.深潛器大開口球形耐壓操縱艙結構模型的力學性能[J].海洋技術,2005,(6):20-24.

[10] 茍鵬,等.深潛器多球交接耐壓殼結構性能研究[J].艦船科學技術,2008，30(3):54-59.

魏翀，weichong3310@yahoo.com.cn。