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探秘 | 海洋最深处微生物最新研究

供稿:福尔哈贝传动技术(太仓)有限公司 2018/2/8 15:32:53
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地狱对天堂有何影响?这并非神学问题:海洋科学家根据古希腊暗影帝国将海洋最深处命名为“超深渊”带,他们猜测这里的生命物种比神话地狱里还要多,此外,深海海沟甚至会影响世界气候,来自FAULHABER的电机也正在帮助这些科学家们寻求答案。 尽管火星与地球相距数百万公里,然而,人们对火星表面的研究程度远比海底八至十一公里处的深海海沟要深入得多。事实上,深海海沟中的生物和化学过程大部分仍是未解之谜。 为此,欧登塞南丹麦大学的Ronnie Glud教授发起了名为“Hades-ERC”的研究项目,旨在改变这一状况,他将提供其对深海的全新见解。含惰性液体的隔膜可保护置于塑料圆柱体中的驱动装置,使其免受深海巨大压力带来的影响。 Ronnie Glud教授说:“在海洋生物学中有一个简单的基本规则,越深的地方生命物种越少。”因为随着深度的增加,温度会越来越低,而且光线也会越来越暗。近地表的水中产生的食物到达深海的数量也会非常少。此外,深度每增加十米,水压就会增加1巴。海底一万米处的压力大约为1000巴,比海洋表面的压力高一千倍。“即使在这样的环境下,重力也会发挥作用。在沉入深海底层的有机物质中,有一部分最终落在海沟中,然后聚集在那里。”   有机物聚集地   因此,当Glud教授于2013年在深海近十一公里处发现高度活跃的微生物群落时并未感到惊奇。那时,他将仪器沉降到了西太平洋的马里亚纳海沟。“我们发现,海底一万米处的有机物种比6000米处的还要多,”深海洋研究人员解释说,“因此,我们认为这些海沟对海洋的氮和碳平衡具有极不相符的影响。虽然海沟的面积只占海洋的百分之二,但其对碳足迹和气候的影响可能超乎预期。”     机器人在日本相模湾的浅水中试运行     从字面上来看,Hades-ERC项目旨在深入了解这些问题的根源,并更好地理解海沟的变化过程。该项目由欧盟管理的欧洲研究委员会资助,科学家们利用250万欧元的高级研究基金进行长期开放式的基础研究。除了欧登塞Glud所在的院系之外,哥本哈根大学的海洋生物学家以及德国、日本和苏格兰的海洋研究机构也都参与其中。他们所使用的精密仪器由欧登塞团队与不来梅马普所是马克斯-普朗克研究所(Max Planck Institute)Frank Wenzhoefer博士领导的德国团队联合开发。该项目为期五年,并于今年秋季开始在深度为8,100到10,900米之间的三个太平洋海沟——日本、阿塔卡马和克马德克海沟中进行。选择这些地层的原因在于,其上方水域的有机负荷差别很大。因此,其微生物生存的条件也有很大不同。   机器人取代潜艇   虽然载人潜水技术的成熟度很高,但要对海底沉积物进行广泛研究,使用潜艇不切实际。因此,项目组开发了可以独立沉降到海底的机器人,然后由其执行预编程的研究工作。这些机器人装备的传感器功能各异,有些能测量细菌的氧气摄入量,进而研究有机物质的数量变化。 其他传感器可帮助解答深海微生物是否吸入氧气、硝酸盐或硫酸盐的问题。Glud教授说:“为了在深海极端条件下生存下来,细菌与浅水中的亲缘生物不同。例如,其生物膜和生物酶必须以完全不同的方式发挥作用。究竟如何发挥,正是我们想要了解的东西。”研究微生物本身就是一个特殊挑战。因为它们已经适应了水压巨大的环境,所以不能简单地将其带到水面来进行研究。正如丹麦研究人员所说的那样,如果将它们带到水面,它们会变得“奄奄一息”甚至死亡。因此,Hades-ERC机器人配有能将固定剂注入沉积物的设备,这使得微生物能够在回收过程中保存完好。  先决条件:耐压   将微生物带到水面时需避免微生物遭受压力下降的影响,同时机器人中的设备也必须采取特殊预防措施,使其免受海沟中的极端压力影响。传感器以及处理沉积物的工具都是专门针对这种环境设计的,能够承受压力。但是,为了完成工作,它们需要接触沉积物,并且必须移到不同位置。驱动此类运动的是来自FAULHABER的2342 ...CR系列直流微电机,其配有编码器和相应的行星减速箱。Faulhaber提供的2342 ... CR系列直流微电机,直径23 mm,长42 mm,输出扭矩达19 mNm 虽然有些元件安装在压力稳定的钛金属圆柱体内,但有些设备(如电机和齿轮箱)仍需要与待研究的环境接触才能工作。“因此,我们将这些部件插入另一个置于小型柔性薄膜内的圆柱体中,薄膜内充满了惰性液体,”Glud教授解释说,“薄膜可确保水压作用于封闭组件且不会产生压力差。因为压力差会使电机遭到破坏。” 在早期的机器人版本中,曾使用各种电机来执行不同的任务。然而在实际测试中,该团队得出的结论是,使用功能特别强大的单一电机更为合理。“机器人在操作现场停留好几个小时,然后将样品带回水面。在此期间,它完全自主运作”,Glud教授解释说,“除其他因素之外,我们的成功取决于设备能否在这段时间内完美运行。因此,电机需要非常可靠、紧凑而坚固。事实证明,来自FAULHABER的机型在深水中具有优异的性能,非常适合在这些极端条件下使用。”
审核编辑(袁键灏)
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