生物海洋学作为海洋学领域历史最悠久的一个学科, 对海洋科学的发展起到重要的推动作用, 从生物海洋学的发展历程我们可以看到整个海洋科学的发展历程、科学思维、科学方法和探测范围以及研究内容的发展历程。在海洋日益受到重视、经济社会发展对海洋的依赖日渐增强、对海洋科技支撑能力的期待不断加强、许多海洋重大科技问题亟待解决的今天, 在中国科学院海洋研究所成立70周年之际, 从生物海洋学发展的角度对研究所的发展历程、发展理念、战略思维和相关部署等进行简要回顾, 能够加深我们对一个在中国海洋发展史上做出许多基础性、奠基性和引领性贡献的海洋综合研究机构发展背后的科学思维、科学理念和创新驱动力的认识, 对于海洋科学未来发展将会起到重要借鉴作用。

1 生物海洋学理念对海洋科学发展的推动作用

回顾海洋科学的发展历史, 我们会发现一个有趣的现象:世界上的许多著名海洋研究机构都是由海洋生物学家建立的, 起初很多都是海洋生物或者渔业实验室, 逐渐发展成为综合性海洋研究机构。美国是世界海洋强国, 在海洋科学发展历史上很有戏剧性和代表性, 而且与阿加西父子关系密切。亚历山大·阿加西(Alexander Agassiz)的父亲路易·阿加西(Louis Agassiz, 1807—1873)是美国著名的动物学家、古生物学家和地质学家, 1873年在美国东海岸建立了第一个海洋生物实验室, 1888年转移到伍兹霍尔成为“海洋生物实验室”, 1930年在伍兹霍尔建立综合性的海洋研究机构——伍兹霍尔海洋研究所; 而在美国西海岸, 亚历山大·阿加西的学生William Ritter (1856—1944)于1905年在加利福尼亚拉霍亚成立了海洋生物研究实验室, 1912年改为海洋生物研究所, 1924年发展成综合性海洋研究所——斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography)(Lalli et al, 1997)。我国第一个海洋研究机构也是由海洋生物学家主导成立的, 1950年“中国科学院水生生物研究所青岛海洋生物研究室”在青岛成立, 1954年更名为“中国科学院海洋生物研究室”, 1957年更名为中国科学院海洋生物研究所, 1959年发展为中国科学院海洋研究所。海洋生物学家曾呈奎先生(1909—2005)是中国科学院海洋研究所的创建者之一, 为我国海洋科学发展做出了不可磨灭的贡献。非常有趣的是, 1943—1945年曾呈奎先生曾在美国斯克里普斯海洋研究所进修海洋学并进行海藻研究。为什么有些海洋生物研究或渔业研究机构一直都是从事海洋生物研究, 而另一些却发展成了综合性研究机构？这与研究所的创立者和继承者对海洋科学的内涵与发展理念的差异是密切相关的。

人类对于生命的探索具有浓厚的兴趣, 在对宇宙的探索中, 寻找地外智慧生物以及任何形式的生命是重要的驱动力, 人类对于海洋的探索也是如此。早期的海洋探索是从海洋生物开始的, 如果只对海洋生物本身感兴趣, 成长起来的一定是海洋生物学; 如果对海洋生物与环境之间的关系感兴趣则会发展成为海洋生态学; 如果对生物生存的环境感兴趣, 从海洋本身的特性、差异、变化等角度开展海洋生物的研究, 并且能够从海洋生物的特性了解海洋环境的不同, 最终成长起来的应该是生物海洋学。生物海洋学的兴起对整个海洋学的发展起到重要的推动作用。随着对深海和大洋探测能力的提高, 健康海洋与可持续发展战略开始实施, 海洋生物资源可持续利用与生态文明建设等项目不断深入, 生物与海洋的关系、“透过生物看海洋”的理念会愈加受到关注。

生物海洋学不仅研究海洋中的各种生物现象, 更重要的是研究导致这些生物现象发生的原因。美国斯克里普斯海洋研究所的第一任所长William Ritter认为只有将海洋生物与其生长的物理环境一起进行研究的时候才能真正了解海洋生物, 而最有效的方法就是不同专业的科学家一起工作。在这种理念的主导下, 他在主政斯克里普斯海洋研究所期间, 不仅邀请生物学家一起工作, 更邀请物理、化学、地质等其他领域的科学家一起工作, 这也是斯克里普斯从海洋生物实验室、发展成为世界著名综合性研究机构的一个重要原因(http://scilib.ucsd.edu/sio/hist/hlebica_ritter_scripps_visionary.pdf)。同样, 在曾呈奎先生主政海洋研究所期间, 无论是全国海洋普查还是海洋生物资源开发利用等走的都是综合发展的道路, 1957年研究所就配备了具有远洋考察能力的“金星”号综合科学考察船, 进行海洋综合考察。海洋研究所在开展海洋生物研究的同时, 发展了海洋化学、物理海洋和海洋地质等学科, 使研究所从一个海洋生物研究室发展成为综合性海洋研究机构。

在海洋学发展的早期, 生物学家发挥了重要的、或者说在很多情况下是主导性的作用, 当时很多重要的海洋考察是由海洋生物学家组织和领导的。爱尔兰生物学家C.W.汤姆森(C.W. Thomson, 1830—1882)于1873年出版了《海的深度》(The Depths of the Sea), 这是海洋学最早的教科书之一(https://www.britannica.com/science/marine-biology)。汤姆森不仅对深海生物进行探索, 并且发现深海中的温度不是之前人们认为的那样是恒定的, 指出有大洋环流的存在。汤姆森组织和领导了被誉为现代海洋学开端的“挑战者”号全球海洋考察, 对除北极之外的三大洋进行声学测量, 并且在362个站位进行样品采集。“挑战者”号全球考察的重点是深海海盆尺度上的综合调查, 绘制海底地形图、采集深海生物和沉积物以及大量环境信息, 最难能可贵的是经过随后19年的研究, 出版了50卷专著。这次考察是将海洋生物、化学、物理、地质放在一起进行研究的典范, 所以当之无愧地被认为是现代海洋学的开始(Lalli et al, 1997)。

中国在20世纪50年代末到60年代初进行了全国海洋普查, 中国科学院海洋研究所在其中发挥了骨干和引领作用, 生物学家刘瑞玉等老一辈科学家做出了卓越的贡献。全国海洋普查以及之后的很多大型海洋考察所获得的海洋生物标本都保存在海洋研究所的海洋生物标本馆中, 目前是中国海洋生物标本收藏量最多、也是世界上收藏量最多的标本馆之一。与其他标本馆或博物馆的不同之处在于这个标本馆并不是对每个生物物种只保存几个标本, 而是保存了所有采集到的生物样品以及采集这些样品时的环境资料, 为日后对海洋生物多样性、海洋生物种群组成和数量变动与海洋环境变化之间的关系研究创造了条件。目前馆藏标本的大部分都已经数字化、图像化、信息化, 成为海洋数据库的重要组成部分, 为海洋大数据、中国近海环境演变、海洋生态系统对全球变化和人类活动的响应以及健康海洋与可持续发展等研究打下了坚实的基础, 体现出一个历史悠久的海洋综合研究机构的科研理念、历史沉淀、雄厚实力以及对海洋科学研究内涵的理解。如果说“挑战者”号全球航行考察是人类现代海洋科学的开始, 全国海洋普查就是中国海洋科学的开始, 也正是在此期间研究所从海洋生物研究所发展成为综合性海洋研究所。

2 生物海洋学与海洋生态系统演变 2.1 生物海洋学与渔业资源变动

1890年, 生物海洋学的一个分支——“渔业科学”诞生了, 发起者包括在生物海洋学发展历史上有重要贡献的美国人亚历山大·阿加西、英国人弗兰克·巴克兰(Frank Backland)和苏格兰人W·麦金托什(W. C. McIntosh)(Lalli et al, 1997)。他们对海洋的研究主要是寻找鱼群并进行高效捕捞, 在研究范围上从近海延伸到大洋和深海以及极地海洋。在强大的经济利益驱动下, 人们发明了非常先进的鱼群探测方法, 将二战期间用于军事目标探测的声学装置用于对鱼群和大型海洋哺乳动物的探测, 发明了性能先进的探鱼仪。渔船的功率、性能以及配备在渔船上的各种网具和加工设施越来越先进, 效率越来越高。人们对环境的探测和研究主要限于与发现鱼群对渔业产量进行评估的部分, 而不是对整个生态系统进行综合研究。根据联合国粮食及农业组织(FAO) 2008—2011年度报告, 全球海洋渔业资源的32%被过度捕捞或者资源枯竭, 53%被“完全开发”(fully exploited)。所以全球85%的渔业资源处于资源开发、面临枯竭威胁状态。全球3/4的渔场近乎崩溃(FAO, 2010, 2011, 2012, 2013)。从海洋生态系统的角度, 鱼类作为海洋食物网中的顶层捕食者, 其数量变化会影响到整个海洋生态系统结构与功能的改变, 海洋生态灾害的出现在很大程度上与海洋鱼类的减少有密切的关系, 我们应该更多地从生态系统角度研究海洋鱼类数量变动的问题。保护鱼类不仅是渔业资源可持续利用问题, 也是健康海洋与可持续发展的重要组成部分。

2.2 生物海洋学与海洋生态系统动力学

通过一些海洋生物的种群数量变动可以研究海洋生态系统的动态变化, 从而预测海洋生态系统的产出功能和服务功能的状态。海洋浮游动物在海洋生态系统中占有重要地位, 一方面能够将浮游植物通过光合作用形成的初级生产转换为次级生产, 另一方面浮游动物又是鱼类等其他上层捕食者的饵料, 浮游动物的变动会导致海洋生态系统结构与功能的改变, 所以浮游动物是生物海洋学研究的一个重要对象, 也是“全球海洋生态系统动力学研究”(GLOBEC)计划的核心研究内容之一。

1999—2009年国际上开展了为期十年的“全球海洋生态系统动力学研究”(GLOBEC)计划, 该计划的目标是在全球变化的大环境下, 研究鱼类的数量变化与海洋生态系统变动之间的关系, 从而为合理开发利用海洋渔业资源提供依据。这个计划的核心是强调“物理-生物耦合”, 基本研究思路是物理环境改变(全球气候变化)—海洋浮游动物数量变动—鱼类数量变化之间的耦合关系, 力求对全球变化环境下, 海洋鱼类与海洋生态系统的动态变化过程与主要驱动因子有所了解, 为海洋渔业的可持续发展提供科学依据, 这个计划将生物海洋学的研究推向了一个新的阶段, 中国也与国际同步开展了中国GLOBEC计划, 在此期间实施了两个“国家重点基础研究发展计划(973)”项目。图 1是GLOBEC计划的徽标, 无论是全球生态系统动力学研究计划、南大洋生态系统动力学研究计划、大西洋生态系统动力学研究计划或者是一个国家的研究计划, 从这些计划的徽标中都能清晰地体现出三个关键因素:环境、浮游动物与鱼类。

在GLOBEC计划之前, 1996—1999年在欧洲开展了“横跨大西洋哲水蚤研究(Tans-Atlantic Study of Calanus, TASC)计划”, 这个计划的研究对象是在东北大西洋生态系统中起关键作用的飞马哲水蚤(Calanus finmarchicus), 关键科学问题是探索物理过程和生物过程是如何控制飞马哲水蚤的种群动态变化的, 通过建立海洋生物关键种的种群补充与生物量变动与海洋物理环境和生物环境变动之间的关系, 为气候变化对海洋生态系统的影响预测模式迈出关键的一步。这是生物海洋学从现象描述和资料积累向过程和机理研究转换的重要标志, 对后来全球海洋生态系统动力学研究计划的实施起到重要的推动作用。

TASC计划和国际GLOBEC计划的一个标志性成果, 同时也是生物海洋学研究的一个重要的标志性成果是飞马哲水蚤越冬机制的发现:飞马哲水蚤冬季生活在大西洋深层海水中, 身体发育到“拟成体”阶段的C5期停止发育, 进入休眠状态, 春季表层海水变暖, 水体中的浮游植物开始进入快速生长期, 这时飞马哲水蚤开始“苏醒”, 并上浮到表层海水中, 通过大量摄食浮游植物, 迅速积累能量, 从C5期快速进入成体, 并开始产卵开始新的生活史阶段(Hind et al, 2000)。此时正是鳕鱼等重要经济鱼类繁殖生长的阶段, 如果温度合适、浮游植物繁殖进入旺发阶段, 而浮游动物恰好结束休眠进入摄食状态, 并且此时恰好鳕鱼等的繁育时间和地点与飞马哲水蚤同步, 那么所有过程都“耦合”在一起了, 这时可以预测当年的鳕鱼一定会是一个丰收年, 反之就欠收(图 2, 左)。这是生物-物理耦合研究的一个典型案例, 也是国际GLOBEC研究计划的一个重要成果之一。

在中国近海、特别是黄东海也有一种与飞马哲水蚤类似的浮游动物, 那就是中华哲水蚤(Calanus sinicus)。中华哲水蚤个体上要比飞马哲水蚤小一些, 但是在生态系统中所起的作用是相同的。在中国GLOBEC研究计划中, 中国科学院海洋研究所主要承担浮游动物关键种种群动力学和浮游动物群落、浮游动物功能群的研究, 中华哲水蚤是重要研究对象。重点开展生物-物理耦合、浮游动物种群数量变动与物理环境之间的关系、海洋生物生产过程与海洋次级生产力等方面的系统研究。中华哲水蚤的生物量在黄东海能够达到整个浮游动物生物量的50%—85%, 所以中华哲水蚤的数量变动会直接影响到黄东海生态系统的变动。研究中发现中华哲水蚤在夏季主要生活在黄海冷水团中(图 3)(孙松等, 2002), 处于浅休眠状态, 在秋季水温降低、温跃层变弱之后中华哲水蚤会离开冷水团向整个黄东海进行迁移(Sun, 2005)。在春季冷水团区域的中华哲水蚤很少繁殖, 而是储存大量的脂类物质用于度夏, 黄海冷水团的变动是中华哲水蚤能否安全度夏的重要环节, 这也是物理过程与生物过程耦合的一个重要案例(图 2, 右)。温带区域的中华哲水蚤度夏机制的发展, 是北大西洋飞马哲水蚤越冬机制的重要补充。该成果是中国GLOBEC的典型成果之一, 也是国际GLOBEC研究计划中的亮点成果之一(Harris, 2005)。

2.3 南极磷虾与南大洋生态系统

在海洋浮游动物研究中, 世界上有三种浮游动物最有名, 一种是北大西洋的飞马哲水蚤, 一种是东北亚陆架边缘海的中华哲水蚤, 另一种是生活在南大洋的南极磷虾(Euphausia superba)(图 4)。

20世纪初人们对南极进行大规模考察, 主要是针对鲸鱼资源。为了找到更多的鲸鱼, 人们开始研究鲸鱼的食物——南极磷虾, 以及与鲸鱼和南极磷虾分布密切相关的南大洋物理海洋环境, 并获得了大量资料。随着鲸鱼数量的减少, 国际上制定了严格的鲸鱼保护计划。到20世纪中后期, 人们将注意力转向南极磷虾, 实施著名的“南大洋海洋生态系统与生物资源(BIOMASS)”计划, 对南极磷虾的生物量开展大规模调查。人们认识到南极磷虾在南大洋生态系统中的关键支撑作用, 同时由于南极磷虾巨大的生物量也引起人们将南极磷虾作为潜在渔业资源的兴趣, 但是南极磷虾不能重蹈鲸鱼的覆辙。

鲸鱼在南大洋生态系统中处于食物链的顶端, 所以鲸鱼数量的减少尽管也会对南大洋生态系统造成影响, 但是还不至于从根本上改变南大洋生态系统的结构与功能。但是一旦南极磷虾作为一种渔业资源进行开发而使磷虾的数量大规模减少, 整个南大洋生态系统会受到毁灭性破坏, 那时就不仅仅是鲸鱼的问题了, 因为南极磷虾是南大洋生态系统的基石, 企鹅、海豹以及大量其他的海鸟和哺乳动物以及头足类等都是以南极磷虾作为食物来源(孙松等, 2017)。对南极磷虾进行合理开发利用和保护, 首先要估算南极磷虾的生物量, 其次是南极磷虾的的年龄组成和每年的种群补充量。在这其中, 南极磷虾的年龄鉴定是个重要的问题, 但是通过大量的南大洋考察和室内实验, 人们发现根据南极磷虾体长组成来判断南极磷虾的年龄组成是不准确的, 因为实验室活体培养研究证明南极磷虾在环境条件恶劣、特别是水体中饵料缺乏的时候身体会产生“负生长”, 即体长会缩短, 而且身体性特征消失, 这对准确估算南极磷虾的种群补充量带来很大问题, 因为这会影响到对每年南极磷虾可捕获量预测的准确性, 给南极磷虾开发利用和保护造成障碍。

中国科学院海洋研究所从中国首次南极考察开始就一直参加以南极磷虾考察为主的南大洋考察, 我们首先解决的就是南极磷虾年龄鉴定问题。通过国际合作, 在世界上首次发现南极磷虾年龄信息隐藏在它的复眼中, 这个指标不受体长变化的影响。通过磷虾复眼中的小眼数目或者复眼直径与体长比率的变化, 在世界上首次证实南极磷虾在南大洋自然环境下存在负生长, 相关成果在英国剑桥《Antarctic Science》上发表(Sun et al, 1995)。随后在世界上首次提出利用南极磷虾复眼直径与体长比率作为南大洋海洋环境状态的生物学指标(孙松等, 1996; Sun, 1997)。南极磷虾相关研究成果被列入我国南极考察30周年典型成果。从南极磷虾基础生物学特征的变化来反演南大洋环境与生态系统状况成为生物海洋学研究的一个重要案例。

2.4 生物海洋学与海洋生态灾害研究

我们现在所指的海洋生态灾害是指某一种或几种海洋生物出现异常增多, 并对海洋生态系统健康造成影响、对经济社会造成危害的特殊生态现象。大家所熟悉的几种生态灾害包括由浮游植物大量繁殖引起的赤潮、由浒苔异常增多而导致的绿潮和由水母大量出现造成的动物性灾害等。表面上看海洋生态灾害是一种生物学现象, 其实是整个海洋生态系统出现了问题。对海洋生态系统的研究早已从基础生物学研究发展为物理、化学、生物多学科交叉、围绕海洋生态系统开展多学科交叉研究, 核心问题从生物现象研究和发现整个海洋环境的问题, 符合生物海洋学的特点。中国科学院海洋研究所在海洋生态灾害研究中一直起到引领作用, 在涉及赤潮、水母和浒苔研究的“973”重大基础研究项目和专项研究中很多都是项目牵头单位, 与国内相关单位密切合作, 开展多学科交叉研究。通过这些计划的实施, 学科间不再相互陌生或漠视, 而是相互尊重、相互理解以及相互欣赏、相互结合, 围绕同一个目标, 从不同的角度和不同的侧面开展合作研究, 这无论是对生物海洋学、化学海洋学和物理海洋学都是一次升华和推进。通过这些研究项目的开展, 我们对“海洋学”的内涵有了更加深刻的理解, 对于生物海洋学、化学海洋学和物理海洋学之间的密切联系有了更加深刻的理解, 我国海洋学研究进入到一个全新的阶段, 物理、生物和化学在同一个研究项目出现已经成为必然。2008年浒苔突然暴发, 当时对浒苔发生机理问题的研究成果就是生物海洋学与物理海洋学密切结合做出来的(Sun et al, 2008)。除了科学家之间的合作以外, 研究海洋生物、特别是海洋生态的团队配备温盐深剖面仪(CTD)和营养盐自动分析仪等设备已经成为常规, 说明对于以海洋生物为研究对象的科研人员已经开始重视对化学环境和物理环境的观测。过去的考察中, 名义上是综合考察, 其实是各干各的, 到进行分析研究的时候, 生物学家发现缺少必要的化学和物理参数, 很多数据和文章以及科研成果就这样被浪费掉了, 所以生物海洋学不仅仅是一个定义和学科划分的问题, 更重要的是对其内涵的理解, 并在我们的实际研究中进行落实。

3 从基础研究到产业化

在中国海洋水产到底应该以发展海洋捕捞为主还是应该走海水养殖的道路的争论和困惑中, 中国科学院海洋研究所坚定而自信地选择了走发展海水养殖的道路。曾呈奎、刘瑞玉等老一代科学家在很早之前就敏锐地认识到海水养殖业对解决中国水产品供给将会发挥重要作用。在20世纪70年代后期, 中国海洋渔业战略发展遇到了十字路口, 一种观点认为应该重点发展海洋捕捞, 因为大海的生物资源十分丰富, 容易获得, 但是资源是有限的, 海洋捕捞基本靠天吃饭, 很难把控; 另一种观点认为应该发展水产养殖, 可以通过改造自然、控制海洋生物, 这应该是一个健康发展之路, 但是海水养殖是一个系统工程, 技术开发困难, 而且投资较多。海洋研究所选择了后者, 海洋养殖业得到飞速发展, 取得世人瞩目的成就。70年代末和80年代初, 海洋研究所的掌门人曾呈奎先生率先提出海洋水产应该走农牧化的道路, 随后研究所开始进行海洋环境和渔业资源本底调查, 进行鱼虾放流实验, 实施“耕海牧渔”战略。这比后来日本人提出的“栽培渔业”和韩国人提出的“海洋牧场”概念还要早(刘瑞玉, 2006)。在这些发展理念和宏观战略指导下, 海洋研究所基础生物学、水产养殖、种质资源、养殖生物病害防控、海洋生态、海洋化学等学科得到全面发展, 形成从单种生物到养殖产业、从基因到生态系统的完整研究体系。在满足国家对生物资源需求、改善群众生活质量、沿海渔民致富的同时, 自身得到发展壮大, 建立起一整套从基础研究到产业化的完整研究体系。

紫菜生活史的研究看起来是基础研究, 但却是紫菜养殖的最关键一步, 条斑紫菜壳孢子的发现和紫菜夏苗的获得为紫菜养殖打下了坚实的基础。在研究过程中, 紫菜生活史过程与环境温度之间的关系、壳孢子对光照的敏感性、对底质的要求等都是生物与环境之间的有效结合。将实验室的研究结果搬到自然环境中进行养殖也是一个非常复杂的过程, 充分体现出对生物特性和海洋环境进行认识和把握的重要性。完成中国对虾生活史研究、在实验室获得第一个人工培育出的虾苗, 为中国对虾养殖业的兴起做出了不可磨灭的贡献。中国对虾幼体变态过程中对海洋环境的有效控制是对虾育苗是否成功的关键, 中国科学院海洋研究所在这方面取得了令人敬佩的系统性成果。将生活在冷水中的海带成功南移, 在福建等地成为重要产业; 将海湾扇贝成功引进中国, 并发展成一个大规模水产产业; 在中国对虾受到病害等困扰产业受到打击的关头, 中国科学院海洋研究所的科学家成功将南美白对虾引进中国, 成为对虾养殖的主要品种。凡此种种, 不仅体现了海洋研究所在海洋生物方面的坚实基础, 同时也显示出对海洋环境、生物地理和海洋生态等领域的雄厚实力。海水养殖业从无到有, 从弱到强, 养殖面积不断扩大, 如何解决可持续发展的问题？曾呈奎等老一代科学家适时提出了海洋农牧化的发展思路, 刘瑞玉等率先开展了对虾增殖放流等创新性探索。现在中国科学院海洋研究所充分发挥综合优势, 从海洋生态系统角度研究水产养殖业的可持续发展问题, 将其纳入健康海洋与可持续发展战略规划中, 从全球气候变化、海洋环境压力和海洋生态系统承载力等各个方面开展综合研究。海水养殖与海洋环境保护有机结合、利用贝类对海洋浮游植物的摄食、大型藻类对海水中营养盐的吸收等可以达到海洋生态系统产出功能与服务功能有机结合的目的; 海洋牧场的建设应该发挥通过对鱼类等生物数量的恢复达到保护海洋生态系统、海洋渔业资源可持续发展的目的, 看起来针对的是鱼类和其他养殖生物的问题, 其实是整个海洋的综合管理问题, 从中我们可以看到生物海洋学科学内涵的体现:从整个海洋生态系统角度, 将养殖生物放在海洋大环境下研究其数量变动, 既涉及局部的养殖环境问题, 也涉及全球气候变化下的海洋水养殖生物数量变动。

4 透过生物研究海洋 4.1 深海探测

1977年美国“阿尔文”号深潜器在太平洋上的加拉帕戈斯群岛附近2500米的深海发现了深海热液生物群, 这是一个非常特殊的生态系统, 因为这个生态系统中的生物从海底热液中的化学物质获取能量, 而不是依靠光合作用获取能量。深海热液生物群的发现对海洋科学和地球科学都产生了很大的影响, 被誉为20世纪生命科学和地球科学最重要的发现之一。在随后的30多年里, 对于深海极端环境及极端环境中的生命的探索取得了许多突破性的进展, 使我们对占地球海洋超过90%的深海有了新的认识。但是在这个过程中, 基本没有中国人的贡献, 其中一个非常重要的原因就是我们不具备用于深海极端环境探测与研究的海洋装备, 所以长期处于“望洋兴叹”的状态。深海探测是海洋领域几代人的梦想。中国科学院海洋研究所的科技人员经过10多年的努力, 建成我国目前唯一一个海洋领域已经建成的国家重大科技基础设施项目“科学”号综合科学考察船(图 5)。该船于2012年底投入使用, 成为我国当时最先进的新一代综合科学考察船, 配备4500米“发现”号缆控式深潜器(图 6)和用于深海、大洋综合探测的最先进的设备。2013年开始对西太平洋进行综合观测。“科学”号在2014年带着最新研制的“发现”号深潜器首次对南海冷泉进行探测, 令人振奋地获得了高清晰的冷泉生物群落影像资料和大量的生物样品, 同时对冷泉区的地形地貌、地球物理、海洋化学和物理海洋环境进行综合探测。同年对冲绳海槽区域的深海热液进行了探测, 获得热液区域的大量生物样品和地质、化学样品, 对热液区的理化环境进行了综合探测。科学家们对热液生物的生存环境、生物组成、特殊生态系统中的能量和物质转移进行研究的同时, 也对冷泉生态系统和热液生态系统进行了比较研究, 也对深海极端环境中的生命来源等进行了深入细致的探索(图 7)。随后对海山也开展了深入细致的探索(图 8), 取得很多重要的成果。在“科学”号投入使用之后, 中国科学院海洋研究所牵头实施了中国科学院海洋领域第一个战略性科技先导专项——“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响”, 主要包括三个重点项目:西太平洋海气相互作用、黑潮变异对中国近海生态系统的影响以及深海环境与生命探索。在这三个项目中, 除项目一外, 项目二和项目三都与海洋生物关系密切, 通过对海洋生物的种类组成、数量分布格局、变动规律和生活史策略等研究加深对海洋系统动力学机制的了解。对深海的探索在很大程度上是通过对海洋生命现象的发现和探索了解深海物理环境、化学环境和地质环境, 从而从整体上对海洋和地球物理进行系统探索。从生物海洋学的角度, 也是“通过对海洋生物的研究了解海洋的”重要体现。

4.2 通过海洋生物了解海洋

为期10年的“全球海洋生物普查计划(CoML)”, 使我们第一次从全球角度理解海洋中有多少生物、它们分布在哪里、数量有多少, 将生物海洋学的研究提升到前所未有的高度(Ausubel et al, 2010)。中国科学院海洋研究所是中国唯一参加这个大型国际计划的科研团体, 并且是这个计划的主要贡献单位和科学指导委员会成员。通过这个计划, 我们更加认识到走向深海大洋的必要性和紧迫性以及海洋观测装备的重要性。这个计划的参与和实施, 对于我们建造开展深海研究的新一代科学考察船、装备现代观测设备的深潜器、发展综合海洋观测设备、开展海山、热液和冷泉等深海综合探测起到积极的推动作用, 也对中国科学院战略性先导科技专项“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响”计划的形成起到借鉴作用。CoML计划动用、研发了世界上最先进的海洋装备对海洋生物进行观测(图 9), 所进行的是对全球海洋中的生物种类组成和分布格局“画一张图”, 而我们更加强调了物理过程、化学过程、地质过程和生命过程的结合, 这恰恰是CoML未来计划的目标, 研究是什么原因造成了海洋生物的这种分布格局, 与全球气候变化、人类活动、特别是地质过程和生态系统演变之间的关系, 这是海洋科学未来发展的重要方向, 也是生物海洋学内涵的重要体现。

CoML研究计划通过对一些鱼类体内植入发射器, 或者哺乳动物或爬行动物身上附上综合探测与发射装置, 使我们能够了解这些生物的洄游路线、分布范围和生活习性等(图 10, 11), 并且能够通过大型哺乳动物和爬行类携带探测器获取这些生物活动区域的海洋环境综合信息, 这从另一个侧面反映出生物海洋学的内涵: “通过海洋生物了解海洋”。

5 结语

德国著名科学家普朗克有一段名言: “科学是内在的整体, 被分解为各个单独的学科不是由于事务的本质, 而是由于人类认识能力的局限。事实上, 存在着从物理学到化学, 经过生物学和人类学的社会科学的一条处处不可断开的链条”。我们在此探讨生物海洋学的问题并不是局限于生物海洋学本身的发展, 而是通过生物海洋学来认识整个海洋科学的发展。生物海洋学、海洋生物学和海洋生态学在研究对象上是一样的, 很多时候我们很难明确将这几个学科完全分开, 其不同之处在于研究的视野和针对的问题存在差异, 也许我们没有必要刻意去将它们分开。以深海极端环境与生命研究为例, 开展生命研究也会考虑到其特殊的环境, 而对深海热液和冷泉地球化学的研究也会关注生命过程在其中所起的作用, 否则很难进行系统研究或者对所研究的对象有个全面深入的了解。随着人们对海洋探索与研究的深入, 我们会对海洋的复杂性有更加深刻的认识。海洋具有大科学的特点, 需要进行多学科综合交叉研究, 最终我们要从大气圈、岩石圈、水圈和生物圈等几个圈层相互作用的角度开展海洋科学综合研究, 任何一个学科单打独斗是很难解决问题的, 生物海洋学也是一样, 其特点是从生物现象入手探索、研究和认识海洋。