南极冰盖下，能找到地外生命吗？

2023年9月15日，科普中国·星空讲坛以“迈向高水平科技自立自强”为主题，邀请5位来自超导技术、海洋资源、航天科技、气象预测、水利水电领域的专家，围绕中国最具代表性的、切实造福百姓的五大科学与技术，聚焦“富民强国‘强’什么”，带领公众感受我国科技、科研工作背后的精神和魅力。

中国极地中心研究中心研究员何剑锋教授带来演讲：在地球探秘地外生命？

地球上，能否找到古老生命？

当我们仰望星空，你是否曾想，在浩瀚的宇宙中，是否会有地外生命的存在？

当前，外太空探索能力非常有，换个思路，地球上有没有与地外生命生存类似的环境，可供我们开展相关的研究呢？

我想很多人可能会想到世界各地的戈壁滩，尤其会联想到雅丹地貌的代表、中国新疆的大海道，当然也有人会联想到南北极无边无际的大冰原。

我现在要给出的选择或许会出乎许多人的意料之外：那就是南极冰盖厚厚冰层下面的水世界——一个对多数人都极为陌生的世界。

演讲者供图

我们普遍认为，地球所必须的要素之一是——液态水的存在。而在其他的一些星球上，如木卫二可能就有一个15到25千米厚的冰壳，覆盖着60到150千米深的海洋；而土卫二（Enceladus）的冰冻表面下也有一片平均厚度为20至25千米的海洋，并且海洋底部还存在着热液活动。

而南极冰盖底部环境和这些星球非常相似，它不仅具备与这些外星球环境同样的形态，同时还具备科学家猜测可能孕育原始生命的那些星球的相似条件：比如说同样是个冰冻的世界、同样有着厚厚的冰层，在厚厚的冰层下同样具有大量的液态水。

大家都知道，南极寒冷并且干旱，南极大陆是被厚厚的冰层所覆盖的，平均厚度接近2000米，最厚可以达4000米。调查显示，其实在南极是存在多个大型煤矿，表明那里曾经是个温暖而湿润的世界。

那么，它是什么时候开始变冷而最终形成冰盖的呢？

南极冰盖，演讲者供图

科学研究表明，南极冰盖起源于大约3400万年前，有两个外部因素来共同导致：

一个是那个时候地球大气中的二氧化碳浓度开始下降，全球气候开始变冷，这也是恐龙灭绝之后地球所经历的一次最大的气候变化；

二是大陆漂移使得南极大陆与南美大陆分离，形成了我们整个南大洋。德雷克海峡打开导致的南极绕极流形成，它就像一个“铜墙铁壁”一样，保护着南极洲，阻止了低纬度地区的热量向南输运，所以最终导致南极变冷并最终形成冰盖。

南极冰盖下的神秘世界

在南极厚厚的冰盖底下这个被冰封的世界里，会蕴藏着一些什么样的秘密呢？科学家们的探测结果，跟我们的想象可能不太一样。

冰盖下有什么？

实际上，在厚厚的冰层下，除了山川之外，还遍布河流和湖泊，是一个妥妥的“世外桃源”。当然还有一个重大的发现就是，有45%的地区其基岩是位于海平面以下的。

冰盖之下的水系，演讲者供图

浅蓝色部分，南极洲的基岩部分并不是一个完整的大陆，若揭掉厚厚的冰层，南极洲有很大一部分会被海水所淹没的。

探测表明，南极冰盖底部存在着一个庞大的水系，通过暗河把部分冰下湖连成一体。最近，科学家们就在冰盖底部发现了一条汇入威德尔海的巨大冰下暗河，长达460千米，大约是上海到合肥的距离。

此外，由于冰盖的冰是流动的，冰下水系也起到了润滑底部、加快水体流动的作用，加速了冰向海的输运和海平面的上升。因此，研究冰下水系，对于了解冰盖稳定性和全球海平面的变化，同样具有重要意义。

南极冰盖下的湖水

东方湖是迄今在南极发现的最大冰下湖，也是地球上表面积第16大湖。该湖位于东南极内陆俄罗斯东方站近4 000米厚的冰层之下，其冰表处在海平面以下约500米。湖长250千米，表面积达到12500平方千米，平均水深432米，储水量5400立方千米，大约是我国最大湖泊——青海湖储水量的54倍。所以这是一个非常庞大的一个湖泊。

冰下湖根据其特性可分为两大类：封闭性冰下湖和开放性冰下湖。

前者是指被冰盖完全覆盖和包围的湖泊，就是我们图中看到黑色的这些点状部分。这些湖泊与世隔绝，其中很有可能存在数百万年乃至更古老的独特生命形态；

后者是由冰盖底部的水文系统供水的湖泊，也就是我们看到图中红色的部分，与整个冰下水系连成一体，湖内的水会被不断更新。

托斯冰川，演讲者供图

冰盖表面的融水可以通过冰裂缝向下渗透，为整个冰下流水提供水源；但是冰下的流体并不总是聚在一起形成一个湖泊，它有时候也可能是被直接排出的冰盖外部，如拖成冰川的最大的速率可达220立方米每秒，橘红色的部分就是被冻结的外排的水。

冰下湖为什么不会被冻结？

原因可能有两个：

一是，厚达千米的冰层给冰下湖提供了巨大的压力，导致冰下湖的冰点降低，即使在零下，湖水也不会被冻结；

二是，南极冰下基岩下分布着大量的火山点，地热给冰下湖提供热量，让湖水不至于被冻结成冰。

地球上的大多数生态系统都依赖太阳获取能量，但并非所有的都依赖。深海的热液喷口生态系统并不是藻类通过光合作用吸收二氧化碳形成有机物的，而是微生物利用化学物质形成有机物。

而南极冰下湖泊也是围绕太阳以外的能源建立生态系统的一个例子。相关研究表明，那里同样存在低等生命形态，从而提升了在环境恶劣星球地外生命存在的可能性。

我们可以通过测冰雷达等手段，对冰盖底部神秘形态的探测，只能通过钻探、采样，南极冰盖深部钻探工程，是一个国家科技和后勤支撑能力的全面的检验，目前成功钻穿冰层获得湖水或湖底沉积物样品的冰下湖有3个：

一个是位于东南极洲的东方湖以及位于西南极洲的威尔兰斯湖和默瑟湖，前者是封闭性湖泊，由俄罗斯主导；

后两者为开放性湖泊，由美国主导。英国曾主导过西南极洲的埃尔斯沃思湖的钻探，但是没能成功。

冰盖深部钻探面临的挑战

首先，需要有强大的后勤支撑能力，把大量的设备运送到极寒的冰盖深处，并在那里露营开展钻探工作，这样就是很多国家都没有这个能力。

演讲者供图

其次，需要具备相关的深部钻探技术与装备，确保设备能到达冰盖内部一定的深度并且获取样品；

最后，需要具备高超的防污染水平，深部样品采集不能被地表生命所污染，确保采集的生命密码是真实来自于冰盖深部。

样品的污染难题

其中，最大的挑战不是钻穿冰层，而是在钻进和取样过程可能导致的样品污染问题。

南极冰盖深部钻探主要钻具有这么三种：

第一种是采集冰芯的深冰芯钻，我们最左边的这种；第二个用于钻穿冰层获取冰下样品，比如说类似于湖水的冰盖热水钻；第三个是用于采集冰盖底部岩层样品的冰下地质钻。

已有钻探装备的使用都容易造成一定程度的污染：

一方面是采芯的钻探相对较慢，所以说它要分年度实施，由于冰盖的冰是流动的，要确保被钻孔的形状的话，就要往钻孔里面加入较为粘稠的有机的钻孔液，来确保来年可以继续使用；

演讲者供图

二是热水钻的效率相对较高，但所需的热水都只能就地取材，也就是用现场的冰融化而获得的，所以说热水的注入会导致上层的生命物质被送至冰盖深层而造成污染。因而，尽管现有研究表明冰下湖存在超过3500种微生物，但是都无法排除污染导致的嫌疑。

自研深冰芯钻

我们国家在多个国家项目的支持下，我国先后研制了深冰芯钻、冰架热水钻、冰下地质钻和无污染冰下湖钻，覆盖了南极冰盖深部钻探的所有钻具类型，并在研发与应用中取得了显著进展。

深冰芯钻，演讲者供图

首先是深冰芯钻：它是由国家“863”计划支持研发，2012年1月7日正式应用于冰穹A深冰芯钻探。至2021年8月，已经成功进行了5个工作季的深冰芯钻探施工和1个工作季的维护作业，一共获取了800多米的冰芯样品。

冰架热水钻也是由国家“863”计划支持研发。这个系统主要通过高热、高压的热水来熔化冰层，可以快速形成钻孔，但无法获取冰芯样品，钻孔主喷嘴是配备了钻孔直径测量、压力和温度传感器。系统还配备了一个独立的热融钻，用于40到50米深度内的先导钻进。

冰下基岩钻，演讲者供图

冰下基岩钻：国家自然科学基金重大仪器专项资助。钻具包括3个模块：大直径螺旋钻，主要用于上部积雪取样；冰芯钻，主要用于用深部冰芯采集；而基岩钻则用于钻穿冰盖后的底部取芯。中国第35次南极考察期间，极地冰下基岩钻成功钻穿近200米厚的南极冰盖，获取了连续的冰芯样品和冰下岩心样品，使我国成为世界上第三个在南极冰盖钻取冰下基岩样品的国家。

如何无污染冰下湖钻

为了解决现有钻机在使用过程中的污染问题，我国在国家“十三五”重点研发专项支持下，于2016年开始了无污染冰下湖钻的研制。

无污染冰下湖钻，演讲者供图

最终，在2021/2022年的中国第38次南极考察期间完成现场试验，累计钻进深度超500米，创造了我国在可回收式冰层热融探测取样技术从0到1的突破，并且超越欧美，实现国际领跑，这也是非常不容易的。

这套国际上首创的无污染冰下湖钻，包含了多项核心技术，其中线缆是重要问题。科学家在3年的时间里，先后研制了10款电缆，最终获得成功。

南极冰下湖的钻探计划

近年来，我国利用“雪鹰601”固定翼飞机在东南极伊丽莎白公主地开展大面航空探测，在泰山站附近发现了南极洲第五大冰下湖——“雪鹰湖”，官方的名字叫“麒麟”湖。这个由中国命名的冰下湖，是一个封闭性的湖泊，位于冰下3200米处的峡谷里，长约42公里、宽14.5公里、深198米，表面积370平方公里，储水量略高于西湖。

演讲者供图

这里面最有意思的是在湖底有一层富含地下水的沉积物，平均厚度将近100米，推测这些沉积物可能是在南极洲出现冰盖之前由河水带来并堆积而形成的，这意味着这些沉积物比冰盖本身还要古老，可能会留存南极洲在冰盖形成前的环境和生命活动信息。

多年的南极冰盖深部钻探技术装备积累，为我国冰下湖钻探计划的实施奠定了非常坚实的基础。我国将在“十四五”期间，通过国家重点研发计划和我国南极考察后勤保障的支持，优化现有的无污染冰下湖钻，并且计划通过热水钻钻穿冰盖的上部冰层，利用无污染冰下湖钻钻穿下部冰层并到达冰下湖，获取冰下湖的基础环境数据和冰下湖样品，利用独有的无污染冰下湖钻探技术为探秘地球古老环境和极端环境古老生命做出中国贡献。

结语

南极洲的冰下湖泊最终可能不仅是科学家们的梦想，同时也是大家共同的梦想。

演讲者供图

实施对木卫二的海洋采样过于遥远，但南极冰下湖泊中的生态系统，在数百万年的相对孤立中进化，可能会提供地球上独特的生命形态。

最终，冰下湖泊可能会成为我们有朝一日，可能在太阳系乃至外太阳系发现生命的一个路标。

而随着南极冰盖深部钻探技术和保障能力的发展，我国有望在揭秘极端环境古老生命方面做出积极的贡献，让我们一起期待这一天的尽早到来，谢谢。

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责编丨金禹奋