深碳觀測(cè)計(jì)劃：對(duì)地球內(nèi)部碳的十年探索

深碳觀測(cè)計(jì)劃是一項(xiàng)為期十年的科研項(xiàng)目，旨在調(diào)查地球中碳的儲(chǔ)量、運(yùn)移、存在形式和起源。地球上超過(guò)90%的碳很可能存在于地球深部，深碳觀測(cè)計(jì)劃的核心任務(wù)是理解地球完整的碳循環(huán)過(guò)程——超出以往研究主要關(guān)注的大氣、大洋和淺地殼環(huán)境，拓展到包括地球深部在內(nèi)的碳循環(huán)。通過(guò)十年的焦點(diǎn)研究，深碳觀測(cè)計(jì)劃的科學(xué)家在地球上碳的物理、化學(xué)和生物作用方面取得了重大發(fā)現(xiàn)。

 

中國(guó)工程院院刊《Engineering》發(fā)表《深碳觀測(cè)計(jì)劃——對(duì)地球內(nèi)部碳的十年探索》。文章指出，為探究和開展涉及多學(xué)科的科學(xué)問(wèn)題，深碳觀測(cè)計(jì)劃聯(lián)合全球超過(guò)1200名科學(xué)家，并將其分為極端物理和化學(xué)、庫(kù)藏與流量、深部能源和深部生命4個(gè)科學(xué)共同體來(lái)展開研究。文章詳細(xì)介紹了4個(gè)科學(xué)共同體的研究成果與發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)深碳科學(xué)全新的認(rèn)識(shí)，這一過(guò)程也極大提高了全球科研合作的積極性。

 

 

一、概述

 

深碳觀測(cè)計(jì)劃（DCO）是一項(xiàng)為期十年的科研項(xiàng)目，旨在調(diào)查地球中碳的儲(chǔ)量、運(yùn)移、存在形式和起源。地球上超過(guò)90%的碳很可能存在于地球深部，DCO的核心任務(wù)是理解地球完整的碳循環(huán)過(guò)程——超出以往研究主要關(guān)注的大氣、大洋和淺地殼環(huán)境，拓展到包括地球深部在內(nèi)的碳循環(huán)。通過(guò)十年的焦點(diǎn)研究，DCO科學(xué)家在地球上碳的物理、化學(xué)和生物作用方面取得了重大發(fā)現(xiàn)。

 

為了探究涉及多學(xué)科的科學(xué)問(wèn)題，DCO聯(lián)合了全球超過(guò)1200名科學(xué)家，把他們大致分為四個(gè)科學(xué)共同體：極端物理和化學(xué)、庫(kù)藏與流量、深部能源和深部生命（表1）。該項(xiàng)目同時(shí)強(qiáng)調(diào)了四個(gè)能鏈接各團(tuán)體的交叉活動(dòng)——數(shù)據(jù)科學(xué)、儀器使用、野外工作以及建模和可視化，同時(shí)，幾個(gè)跨領(lǐng)域的研究小組為整個(gè)DCO提供必要的支持與幫助。

 

 

除了科學(xué)上取得的進(jìn)步，DCO還在全球范圍內(nèi)創(chuàng)造了一個(gè)跨學(xué)科的、國(guó)際化的不朽遺產(chǎn)，即成功地在50多個(gè)國(guó)家建立了由地質(zhì)學(xué)家、物理學(xué)家、化學(xué)家和生物學(xué)家組成的多樣化的、動(dòng)態(tài)的、協(xié)同的科學(xué)共同體。特別地，DCO一直通過(guò)支持處于科研起步階段，但將會(huì)在接下來(lái)的幾十年里堅(jiān)持探索、發(fā)現(xiàn)的科學(xué)家，來(lái)培養(yǎng)下一代從事深碳研究的研究員。

 

DCO的愿景、核心問(wèn)題和科學(xué)目標(biāo)最初是在2008年卡內(nèi)基科學(xué)研究所舉辦的國(guó)際深碳循環(huán)研討會(huì)上提出的。這次研討會(huì)成功地向Alfred P. Sloan基金會(huì)提出：自2009年到2019年，建立一個(gè)為期十年的深部碳科學(xué)研究項(xiàng)目。Alfred P. Sloan基金會(huì)承諾在未來(lái)十年內(nèi)向DCO提供共計(jì)5000萬(wàn)美元的種子基金。DCO利用Alfred P. Sloan基金會(huì)的支持，從國(guó)際組織、國(guó)家科學(xué)機(jī)構(gòu)、基金會(huì)和私營(yíng)部門獲得了超過(guò)5億美元的支持。

 

二、極端物理和化學(xué)共同體

 

DCO極端物理和化學(xué)共同體致力于提升我們對(duì)碳在極端條件下的物理、化學(xué)行為的理解，如在地球深部和其他星球上所發(fā)現(xiàn)的極端環(huán)境。在我們對(duì)極端條件下礦物、巖漿和熔體中的碳以及含水流體的理解上，該團(tuán)隊(duì)正在取得突破性的進(jìn)展。DCO科學(xué)家發(fā)表了一系列關(guān)于高溫高壓下含碳礦物性質(zhì)的新成果，包括碳酸鹽礦物、碳合物、干冰（CO2）及其包合物的結(jié)構(gòu)、壓縮性和彈性性質(zhì)。

 

其中一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是隨著溫度、壓力的升高，具sp3 雜化碳的相形成了由碳、氧組成的四面體配位。在常溫常壓下，CO2是線形分子；然而，在足夠高的壓力下，CO2轉(zhuǎn)變成由4個(gè)氧原子四面體配合碳原子形成的聚合框架結(jié)構(gòu)。CO2致密集合態(tài)可能是行星內(nèi)部碳潛在的儲(chǔ)庫(kù)。四面體配位的碳的穩(wěn)定性具有深遠(yuǎn)的意義，即這種碳可以取代硅酸鹽礦物中四面體配位的硅。這樣的取代機(jī)制已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，指示了地球和其他行星內(nèi)部碳潛在的庫(kù)藏。

 

DCO科學(xué)家開展了大量極端條件下碳酸鹽礦物性質(zhì)的研究。在常溫常壓下，碳酸鹽礦物中的碳形成三角面狀結(jié)構(gòu)單元。在高壓下，碳酸鹽礦物轉(zhuǎn)變?yōu)楦旅艿慕Y(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，碳四面體配位鏈接4個(gè)氧原子——該發(fā)現(xiàn)對(duì)深部碳循環(huán)中碳酸鹽礦物的穩(wěn)定性和性質(zhì)有重要意義。在極端條件下所開展的鐵-碳體系互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)提供了關(guān)于碳在地核中復(fù)雜作用的相互沖突的證據(jù)。巖漿海作用限定了碳的初始分布和深部碳循環(huán)進(jìn)一步發(fā)展的條件。巖漿也是將碳從地球內(nèi)部帶到表面的主要載體。

 

反之，碳通過(guò)誘發(fā)礦物中結(jié)構(gòu)水的熔融和遷移來(lái)影響地球深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程。熔融作用也會(huì)對(duì)俯沖到地幔深處的碳的循環(huán)產(chǎn)生重要影響。再生洋殼的相熔融關(guān)系表明，俯沖板塊在轉(zhuǎn)換帶經(jīng)歷熔融作用并脫去碳酸鹽組分，進(jìn)而形成深部碳俯沖的屏障。近期實(shí)驗(yàn)研究顯示，碳酸質(zhì)液體為弧下淺部區(qū)域的碳循環(huán)提供了一個(gè)重要的潛在途徑。

 

在我們對(duì)于液態(tài)流體在深部碳循環(huán)中的作用的認(rèn)識(shí)上，DCO取得了迅速的進(jìn)展。近階段發(fā)展了許多熱力學(xué)模型來(lái)理解地球上、中地殼中的水-巖相互作用，但由于不清楚極端條件下水的介電常數(shù)，這一認(rèn)識(shí)無(wú)法被延伸到更深的環(huán)境。

 

DCO科學(xué)家們通過(guò)運(yùn)用第一性原理計(jì)算，獲得了極端條件下水的介電常數(shù)以及碳酸鹽在地球深部的運(yùn)移情況，打破了這一阻礙。這些計(jì)算結(jié)果結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)展了地球深層水模型（DEW）。地球深層水模型的初步結(jié)果指示，有機(jī)碳在俯沖帶流體中起著重要作用，深部流體pH值的變化可導(dǎo)致金剛石的形成。碳在確定俯沖帶流體pH值這一問(wèn)題上的意義現(xiàn)在可以被充分考量，這將大大影響揮發(fā)分和金屬的循環(huán)過(guò)程。

 

上述成果正在改變我們對(duì)全球地球化學(xué)輸運(yùn)的認(rèn)識(shí)。

 

三、庫(kù)藏與流量共同體

 

DCO庫(kù)藏與流量共同體致力于發(fā)現(xiàn)地球深部主要的碳庫(kù)，確定碳在各碳庫(kù)間遷移的速率與機(jī)制，評(píng)估地球總的碳儲(chǔ)量。其下屬的金剛石與地幔碳動(dòng)力學(xué)研究組（DMGC），建立起了一個(gè)全球性的研究中心，旨在通過(guò)保存在金剛石中的獨(dú)特地質(zhì)記錄來(lái)研究地球深部。

 

DMGC通過(guò)研究金剛石和形成金剛石的流體與熔體，來(lái)認(rèn)識(shí)地球內(nèi)部的碳在地質(zhì)時(shí)間尺度上的遷移情況，以達(dá)到探索地球深部的目標(biāo)。由于這種探索一定程度上取決于可使用的樣品以及樣品研究各方面的協(xié)同合作，DMGC正在開發(fā)已注冊(cè)樣品集和金剛石與金剛石包裹體的地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。

 

在寶石級(jí)金剛石中發(fā)現(xiàn)的天然金屬、金屬碳合物和還原性揮發(fā)分表明金剛石形成于地球深部金屬性液體環(huán)境，這對(duì)地球演化具有深遠(yuǎn)意義。相反，某些富流體纖維狀金剛石則形成于俯沖板塊中的高鹽流體環(huán)境；這些研究數(shù)據(jù)顯示，俯沖作用、地幔交代變質(zhì)作用和富流體金剛石的形成之間存在著重要的聯(lián)系，并指示源于俯沖板塊的流體對(duì)巖石圈地幔深部的組成有重要影響。

 

超深金剛石中含水林伍德石的發(fā)現(xiàn)為地幔轉(zhuǎn)換帶含水提供了直接證據(jù)，含水的地幔轉(zhuǎn)換帶很可能在巖漿活動(dòng)和板塊構(gòu)造上起著關(guān)鍵性的作用。

 

形成于地球表面之下780 km處的金剛石中鈣-鈣鈦礦的發(fā)現(xiàn)，是對(duì)地球第四富含礦物的首次直接觀測(cè)；金剛石中碳同位素的組成，以及其初始的CaSiO3結(jié)構(gòu)，暗示著洋殼進(jìn)入下地幔的循環(huán)作用。藍(lán)色含硼金剛石中含有礦物包裹體，表明這些金剛石形成于俯沖到下地幔的大洋巖石圈。其揭示了碳、水和其他物質(zhì)從地殼到下地幔然后回到地球表面的超深的循環(huán)路徑。

 

庫(kù)藏與流量共同體下屬的地球深部碳脫氣研究組（DECADE）致力于準(zhǔn)確測(cè)定全球通過(guò)火山排放到大氣圈中CO2的流量。為達(dá)成這一目標(biāo)，DECADE開展了大量的野外工作，已經(jīng)在全球150個(gè)最活躍的火山中的20個(gè)上安裝了CO2監(jiān)測(cè)網(wǎng)。DECADE還開展了以實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)的研究，重點(diǎn)通過(guò)使用氣體樣品和熔融包裹體，為排放到大氣中的碳提供經(jīng)驗(yàn)約束。

 

哥斯達(dá)黎加圖里亞爾瓦火山上的高頻氣體監(jiān)測(cè)揭示了火山噴發(fā)的CO2前兆現(xiàn)象，這為改進(jìn)火山噴發(fā)預(yù)報(bào)奠定了基礎(chǔ)。由DECADE成員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)：位于西南太平洋瓦努阿圖火山弧的安布里姆玄武質(zhì)火山，是全球范圍內(nèi)已知的前三大持久性釋放火山氣體的火山之一。越來(lái)越多的證據(jù)表明，大陸裂谷是火山和斷裂帶向地球表面釋放深部碳的主要源區(qū)。

 

對(duì)大西洋洋中脊橄欖石熔融包裹體的最新測(cè)量顯示，全球不同區(qū)域上地幔碳含量的變化接近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這將影響熔體的動(dòng)力學(xué)過(guò)程、火山活動(dòng)的類型和由地球脫氣而引起的大氣演化。在一項(xiàng)全球性的研究中，DCO科學(xué)家首次在碳酸鹽沉積物下沉到海底的火山弧區(qū)域發(fā)現(xiàn)更高碳排放的證據(jù)[m(CO2)/m(Stotal )，此處m(CO2) 和 m(Stotal )分別代表CO2和硫的總量]。

 

綜合全球火山弧區(qū)域碳、氦同位素?cái)?shù)據(jù)可知，全球火山氣體中碳同位素的平均組成明顯重于典型的洋中脊玄武巖；該結(jié)果表明，地殼灰?guī)r層是火山碳的重要來(lái)源，這對(duì)理解碳返回地幔深部的過(guò)程和推測(cè)地球古氣候具有重要的意義。

 

深時(shí)尺度上的地球深部碳循環(huán)可視化建模對(duì)實(shí)現(xiàn)DCO總目標(biāo)意義重大。對(duì)俯沖帶碳流量的再評(píng)估表明，俯沖沉積物和大洋板塊中幾乎全部的碳都將進(jìn)入流體或熔體中，只有相對(duì)少部分的碳被返還到對(duì)流的地幔。板塊構(gòu)造的重建在地質(zhì)時(shí)間尺度上建立起了深部碳循環(huán)和大氣CO2濃度之間的關(guān)系。

 

數(shù)值模型給出的揮發(fā)分對(duì)在軟流圈中運(yùn)移的反應(yīng)熔體的作用顯示，盡管CO2 和水濃度較低，但是它們對(duì)巖漿作用的程度與巖漿形成的方式有著重要的控制作用，同時(shí)還影響著熔體遷移的動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及碳在巖石圈-軟流圈邊界處的停滯效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)地球深部脫氣過(guò)程意義重大。

 

四、深部能源共同體

 

DCO深部能源共同體致力于發(fā)展對(duì)調(diào)節(jié)地殼與地幔中非生物成因的碳?xì)浠衔锖推渌袡C(jī)物種產(chǎn)量以及產(chǎn)出速率的環(huán)境和過(guò)程的基本認(rèn)識(shí)。這項(xiàng)研究正在改變我們對(duì)甲烷（CH4 ）的認(rèn)識(shí)，包括對(duì)其成因、起源和形成溫度的全新的理解。儀器的革命性進(jìn)步使我們能區(qū)分非生物成因甲烷和生物成因甲烷。

 

Panorama質(zhì)譜儀是第一臺(tái)能在自然豐度下分辨兩種質(zhì)量數(shù)為18的甲烷雙重取代同位素體（二元同位素體）—— 13CH3D和 12CD2H2 的儀器。

 

在一篇由Edward Young和來(lái)自8個(gè)國(guó)家14個(gè)研究所的23名研究員合作的文章中，報(bào)道了首次完成對(duì)甲烷雙重取代同位素體的測(cè)定，氣體樣品來(lái)源于不同的地質(zhì)背景，包括大型天然氣田、超基性雜巖以及來(lái)自前寒武紀(jì)克拉通地下礦區(qū)深部的古水體。如果系統(tǒng)達(dá)到熱力學(xué)平衡，那么13CH3D和 12CD2H2 將作為兩個(gè)獨(dú)立的分子溫度計(jì)。

 

如果系統(tǒng)沒(méi)能達(dá)到熱力學(xué)平衡，那么就不可以使用這種方法標(biāo)定溫度；但是，這些數(shù)據(jù)可以提供區(qū)分非生物成因和生物成因甲烷的方法。不平衡體系中的同位素比值可以提供甲烷形成機(jī)制的信息，并可作為示蹤劑幫助我們理解其混合、擴(kuò)散、運(yùn)動(dòng)和其他過(guò)程。

 

在深海熱液噴口噴出的熱泉中普遍存在著溶解的甲烷，它們是生活在海底的微生物群落的潛在碳源。甲烷二元同位素分析表明，非生物成因的海底熱泉甲烷形成于熱的（270~360 ℃）、深的、未接受沉積的洋殼。這一重大發(fā)現(xiàn)是由在DCO支持下開發(fā)的可調(diào)諧紅外激光吸收光譜儀實(shí)現(xiàn)的。

 

通過(guò)該儀器，從大量的天然樣和人工培養(yǎng)樣中獲得的微生物甲烷產(chǎn)生了不平衡的二元同位素信號(hào)。二元同位素異常對(duì)確定甲烷的生物地球化學(xué)源區(qū)、富集情況和總量估計(jì)提供了約束。

 

計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)了一種形成非生物成因甲烷的新機(jī)制：在納米微孔控制的化學(xué)反應(yīng)中，二氧化碳甲烷化的限制作用將使熱力學(xué)平衡向生成甲烷的方向移動(dòng)。這種產(chǎn)生非生物成因甲烷的機(jī)制可能適用于海水和洋殼的相互作用過(guò)程，并且能解釋某些深海熱液噴口系統(tǒng)中甲烷的來(lái)源。

 

科研人員開展了大量關(guān)于非生物成因甲烷形成機(jī)制的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)涉及相當(dāng)廣的環(huán)境條件，包括超基性巖蛇紋石化過(guò)程中形成的還原環(huán)境。通過(guò)同位素標(biāo)記的CO2，部分實(shí)驗(yàn)證實(shí)早期認(rèn)為CH4 形成于低溫蛇紋石化過(guò)程的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。但是，其他實(shí)驗(yàn)表明在低溫、存在足量氫氣（H2）的條件下，CO2還原將產(chǎn)生大量的甲烷。類似地，在蛇紋石化的超基性巖中，甲烷可以在低溫下由含釕（Ru）鉻鐵礦催化產(chǎn)生。

 

DCO研究人員在全球開展了蛇紋石化過(guò)程中H2 和CH4 產(chǎn)生的野外調(diào)研工作。例如，國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（IODP）357航次科考：亞特蘭蒂斯地塊蛇紋石化和生物活動(dòng)在大西洋洋中脊側(cè)翼、跨大西洋地塊處形成的一個(gè)橫斷面。此次科考考察了蛇紋石化過(guò)程在驅(qū)動(dòng)海底熱液系統(tǒng)形成、維持微生物群落穩(wěn)定和固碳等方面的作用。

 

在一篇具重大意義的論文中，DCO科學(xué)家記錄到在大洋巖石圈中通過(guò)非生物途徑合成的氨基酸。非生物合成氨基酸形成于亞特蘭蒂斯地塊下部蛇紋石化改造作用的晚期階段。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于生命起源、古新陳代謝作用以及現(xiàn)今深部生物圈功能有著重要的意義。

 

前寒武紀(jì)克拉通中古地下水如今被認(rèn)為是H2的重要來(lái)源，這一觀點(diǎn)支持地下生物圈能達(dá)到幾千米的深度。然而，前寒武紀(jì)大陸地殼對(duì)全球H2產(chǎn)量的貢獻(xiàn)被大大低估。如果同時(shí)考慮輻射分解作用和水化反應(yīng)產(chǎn)生的H2，那么由前寒武紀(jì)大陸巖石圈產(chǎn)生的H2的產(chǎn)率應(yīng)與海洋系統(tǒng)的估計(jì)值相當(dāng)。結(jié)合前寒武紀(jì)大陸巖石圈H2的產(chǎn)量，現(xiàn)有的對(duì)全球H2的估計(jì)值應(yīng)該翻倍，從而增加地殼可居住體積。

 

氫分子的研究不僅僅局限于地球環(huán)境。DCO科學(xué)家也是發(fā)現(xiàn)從土衛(wèi)二上逃逸的分子氫和高級(jí)碳?xì)浠衔飯F(tuán)隊(duì)的成員。土衛(wèi)二上有一層冰蓋層覆蓋著下部海洋。氫分子的發(fā)現(xiàn)表明，外星大洋底部的水與巖石正在發(fā)生反應(yīng)。土衛(wèi)二上氫氣分子的形成環(huán)境很可能與地球洋底熱液噴口系統(tǒng)類似。而由土衛(wèi)二釋放的復(fù)雜含碳化合物的發(fā)現(xiàn)，揭示了在衛(wèi)星的大洋中也許存在生命必需的原始成分。

 

五、深部生命共同體

 

深層生命共同體致力于評(píng)估深部微生物與病毒所屬生物圈的性質(zhì)和范圍。該團(tuán)隊(duì)拓寬了我們對(duì)于地球微生物與病毒生物圈的認(rèn)知水平，調(diào)查了這些生態(tài)系統(tǒng)存活與演化的相互作用過(guò)程。

 

DCO聯(lián)合了各領(lǐng)域科學(xué)家從不同角度來(lái)探索深部生命：①研究大陸、洋底沉積物與巖石表層之下的生物圈；②探索基因組揭示的生命的極限與生命可能的起源；③調(diào)查深部生命對(duì)一系列極端物理化學(xué)條件的響應(yīng)。

 

參加了IODP 337航次科考“Shimokita下深部煤層生物圈”的DCO研究員探究了沉積物中生物圈的下邊界。他們?cè)诤５?.5 km之下的Miocene煤層中發(fā)現(xiàn)了能產(chǎn)生甲烷的微生物生態(tài)系統(tǒng)。這些生物集群可能是2000萬(wàn)年前埋藏在陸源沉積物中的微生物的后代。

 

盡管這些微生物的細(xì)胞數(shù)量很低，但是它們的活性生長(zhǎng)速率卻從數(shù)月到超過(guò)100年不等，其中一些生長(zhǎng)最緩慢的微生物的生長(zhǎng)速率是由直接培養(yǎng)觀測(cè)得到的。DCO研究員在南太平洋環(huán)流區(qū)域洋底75 m之下的沉積物中發(fā)現(xiàn)了好氧微生物群落，這一發(fā)現(xiàn)表明在15%~44%的太平洋沉積物和9%~37%的全球洋底沉積物中可能存在氧氣和好氧生物群落。

 

具有能夠承受住嚴(yán)酷壓力等地下條件特性的物種，如深古菌門，或許是那些常見物種的原始種，它們?cè)谔佳h(huán)中起著重要的作用。

 

因此，能在如高溫、富氫的Mid-Cayman Rise熱液噴口系統(tǒng)等極端環(huán)境中存在的微生物群落，對(duì)我們理解深部生命的極限非常重要。例如，深古菌門的微生物種是全球大洋下部分布最廣、數(shù)量最多、種類最豐富的古生菌。一項(xiàng)宏基因組研究表明，深古菌亞群具有多種新陳代謝方式，而這些代謝產(chǎn)物反過(guò)來(lái)又為異養(yǎng)、能產(chǎn)生甲烷的生物群落提供原料。

 

另一項(xiàng)宏基因組研究發(fā)現(xiàn)，微生物種不同的進(jìn)化壓力與關(guān)系到營(yíng)養(yǎng)攝取、生物膜形成和病毒入侵的基因有關(guān)，這一發(fā)現(xiàn)與不同地球化學(xué)背景下不同熱液噴口區(qū)顯現(xiàn)出具有明顯差異的演化歷程的現(xiàn)象相一致。

 

基于對(duì)全球77個(gè)不同海洋生態(tài)系統(tǒng)的古生菌和細(xì)菌的觀察，DCO研究人員發(fā)現(xiàn)甲烷滲出區(qū)群落的多樣性低于其他生態(tài)系統(tǒng)的群落。存活下來(lái)的生物組合反映了甲烷滲出區(qū)最有利的新陳代謝方式，并且將滲出區(qū)微生物系與其他海底微生物系區(qū)分開來(lái)。盡管在全球甲烷產(chǎn)區(qū)僅有少數(shù)種類的嗜甲烷菌存在，但這些微生物可能大大影響了海洋中甲烷的含量。

 

DCO也對(duì)大陸深部生物圈進(jìn)行了研究。DCO科學(xué)家通過(guò)收集全球大陸地下區(qū)域的細(xì)胞濃度和微生物多樣性數(shù)據(jù)，估計(jì)大陸地下細(xì)胞總數(shù)為2×1029  ~6×1029   個(gè)，所發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌比深海古生菌更豐富，其群落組成與所處環(huán)境巖性相關(guān)。

 

研究人員對(duì)古威特沃特斯蘭德盆地的地下巖石自養(yǎng)微生物生態(tài)系統(tǒng)（SLiME）進(jìn)行了研究，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，以硫?yàn)槟芰縼?lái)源的自養(yǎng)反硝化菌是主要的微生物群。進(jìn)一步分析表明，具有多種代謝方式的群落的共存使那些非典型代謝反應(yīng)處于優(yōu)勢(shì)，并使整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

 

模型還表明，原料的量而非溶氧量限制了南非1.4 km深礦井中具12 300年歷史的古大氣降水形成的裂隙水中真核生物的數(shù)量。深部地下油氣資源開發(fā)過(guò)程中與水壓裂隙關(guān)聯(lián)出現(xiàn)的微生物群落為探究深部陸相生物圈提供了線索。存在于地表以下2500 m處的微生物表現(xiàn)出耐鹽性、無(wú)電子受體的新陳代謝能力和活躍的病毒感染性。

 

通過(guò)DCO深部生命普查（CoDL），DNA測(cè)序結(jié)果為碳循環(huán)、深部生物圈演化以及大洋、大陸生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的關(guān)系等問(wèn)題提供了有價(jià)值的信息。例如，CoDL 的研究人員利用16S DNA測(cè)序技術(shù)，鑒定了來(lái)自Juan de Fuca Ridge海床以下280 m處的海底微生物觀測(cè)站的8個(gè)礦物中的細(xì)菌和古生菌種類。他們證實(shí)了不同的群落積聚于不同的礦物，而群落的成組則是由礦物化學(xué)實(shí)現(xiàn)的。

 

DCO極端生物物理研究組從一個(gè)全新的角度去研究存在于極端環(huán)境中的生命。通過(guò)關(guān)注分子水平下生物對(duì)極端條件的適應(yīng)情況，研究人員正在提高我們對(duì)組成生物結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)，而這些物理化學(xué)基礎(chǔ)定義了生命的極限。

 

六、產(chǎn)出與未來(lái)機(jī)遇

 

DCO正在整合四個(gè)科學(xué)共同體的研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)深碳科學(xué)全新的認(rèn)識(shí)并充分歸納DCO所取得的成果。該過(guò)程旨在提高全球科研合作的積極性。產(chǎn)出的成果與開展的活動(dòng)包括跨團(tuán)隊(duì)的研究項(xiàng)目，如生物與俯沖作用和含碳礦物的演化，以及研討會(huì)、學(xué)術(shù)會(huì)議、可視化成果、期刊和專業(yè)書籍。這些活動(dòng)的高潮是“深碳2019——啟動(dòng)深碳科學(xué)的下一個(gè)十年”國(guó)際會(huì)議。

 

為了幫助啟動(dòng)深碳科學(xué)的下一個(gè)十年計(jì)劃，DCO科學(xué)家正在開展一系列的活動(dòng)，這些活動(dòng)將延伸甚至超越2019年最初十年計(jì)劃的頂峰。作為DCO國(guó)際科學(xué)會(huì)議的延續(xù)，關(guān)于深碳學(xué)科的戈登研究會(huì)議計(jì)劃每?jī)赡昱e辦一次。為處于科研初期的科學(xué)家舉辦的兩年一度的戈登深碳科學(xué)研討會(huì)可以作為DCO夏令營(yíng)和DCO科研早期科學(xué)家研討會(huì)的延伸。

 

由德國(guó)科研基金會(huì)支持的，旨在研究極端條件下碳酸鹽性質(zhì)的高溫高壓碳酸鹽（CarboPaT）研究組，將繼續(xù)為德國(guó)的深碳研究提供科研平臺(tái)。在英國(guó)，自然環(huán)境研究委員會(huì)已經(jīng)建立起了一個(gè)旨在研究宜居星球揮發(fā)分、地球動(dòng)力學(xué)和固體地球的科研項(xiàng)目。

 

由DCO研究人員領(lǐng)導(dǎo)的歐洲清潔能源科學(xué)研究組得到了歐盟地平線2020計(jì)劃的支持。上海交通大學(xué)新成立的“深部生命研究中心”和德國(guó)“洋底——地球未知界面”研究組將為接下來(lái)十年的深部生命研究提供平臺(tái)。上述以及其他組織和科研活動(dòng)將會(huì)推動(dòng)下一個(gè)十年深碳科學(xué)研究的發(fā)展。

 

七、總結(jié)

 

2009年，DCO是一個(gè)雄心勃勃但成敗未知的科研項(xiàng)目。從那時(shí)起，DCO已經(jīng)開始發(fā)展成為一個(gè)由1200多名科學(xué)家組成的遍布全球、超越傳統(tǒng)學(xué)科限制的科學(xué)網(wǎng)絡(luò)。

 

DCO是一個(gè)科學(xué)孵化器，在它的支持下啟動(dòng)了全新的科研小組、科學(xué)團(tuán)隊(duì)、國(guó)際科學(xué)合作關(guān)系、重大科研項(xiàng)目、野外科考、科學(xué)儀器和公司。最重要的是，DCO在多元、動(dòng)態(tài)、跨學(xué)科的科學(xué)家與科研團(tuán)隊(duì)之間留下了一個(gè)永恒的遺產(chǎn)。DCO管理和團(tuán)隊(duì)建設(shè)的創(chuàng)新對(duì)該項(xiàng)目取得成果起了關(guān)鍵作用?；谄湓谏钐伎茖W(xué)領(lǐng)域取得的突破性進(jìn)展，DCO可以作為解決大規(guī)模、跨學(xué)科和國(guó)際性科學(xué)問(wèn)題的有效模式。

 

本文來(lái)自微信公眾號(hào)：中國(guó)工程院院刊（ID：CAE-Engineering），作者：Craig M. Schiffries, Andrea Johnson Mangum, Jennifer L. Mays, Michelle Hoon-Starr, Robert M. Hazen，改編原文：The Deep Carbon Observatory: A Ten-Year Quest to Study Carbon in Earth[J].Engineering,2019,5(3):372-378.