破译神奇海洋之谜
（第一节）
海洋的发展破译
海洋起源科学
今天，当我们进入21世纪的时候，海洋作为地球千百万年演变的产物，覆盖了地球表面积的72%。在表面上，温暖的海水进行着巨大的循环运动，海平面随着潮汐的节律和波浪的起伏而涨落。在底部深海处，冰冷海水的运动相对较为缓慢而平静。海水的盐度随地域而变化，而其组成成分的相对比例却保持着惊人的一致——这与我们血管里的血液相似。海洋中的生命随处可见，无论在温暖宜人的热带海洋还是在冰冷严寒的极地水域，甚至在海洋的最深处。
多少个世纪以来，海洋一直是一个神秘的禁地。在探险家们穿越未知的水域之前，人们对大海躁动不安的习性深感恐惧。有人说在黑暗翻腾的海水中隐藏着可怕的怪物，也有人说大海里有大火，巨大的漩涡，还有一条通向地球边缘的窄窄的通道，探险者稍有不慎就可能失足陷入，被黑暗的深渊吞没。然而，到了17世纪，遥远的大陆相继被发现，跨海的商业通道得以开通，鲸和其他鱼类引起了人们对海洋及栖居其中的生物的浓厚兴趣。1769年，本杰明·富兰克林发表了他的第一幅湾流图。他利用通过一条特定航线所用的时间以及他的表弟，一个楠塔基特岛捕鲸人的实际经验来描述海湾流的状况。很多航海者很快就意识到了这幅图的价值。他们利用简单的温度计对洋流的暖水进行定位，以此来获得顺流时的助航作用并避免逆流。库克船长，曾经作为英国皇家海军的一名官员，指挥过三次航海，其间他搜集了大量的有关海洋地理，地质，洋流，潮汐，水温以及生物群落的信息，其中包括对南极大陆的确认以及绘制了太平洋的大部分海图。
到了19世纪，随着人们对商业、航运、旅游、渔业及国家安全的日益关注，有关的海洋科学信息得到了很大的发展。政府、商业团体、科研机构及富有财力的个人开始发起组织各类海洋研究活动，由此开始了一个伟大发现的新时代——从某种意义上讲，也开始了一个充满误解和混淆的时代。人们设计了一种很粗略的装置，即在一根长绳的一端栓上一个重物以此来测量海水的深度。约翰·罗斯和他的侄子詹姆斯·罗斯利用这种简单的装置费劲周折而终于成功地将海水的深度测量到了2000~4000米。马塞特博士，当时伦敦的一位物理学家指出，整个世界大洋海水中化学成分的组成保持恒定不变。达尔文在他从皇家军舰比格尔号到南美以及加拉帕哥斯群岛的长途探险历程中，进行了大量的科学考察，为其后来的进化论提供了依据。爱德华·福布斯用拖网从海水中取样发现随着深度的增加能捕获到的物种越少，由此他得出结论，在深海中是缺乏生命的，即深海是无生命带。他的这种理论当时被广泛地接受，以至于人们对在600米深度以下发现生命的事实视若无睹，甚至拒绝承认这样的事实。
到了19世纪中叶，一位名叫马休·莫里的美国海军中尉开始对海风和海流进行了深入的研究，他确信他可以辨认出能提高航海效率的风向和海流。在当时，船只从美国航行到南美洲南部的好望角需要三次逆水横穿大西洋。莫里向各处的海军首领及领航者求借他们的航海日志，以期对它们包含的各种信息进行整理汇编。后来他说服那些乘船航行的团体，包括那些海军船员在航行过程中对海风和海流进行一些简单的观测。据此他绘制了一系列海图，可以帮助人们缩短航行路线。比如，从纽约到里奥的航程原来需要55天，而借助海图只需要35天即可完成。1855年，被誉为现代海洋学之父的莫里，出版了他的第一部海洋学著作——海洋物理地理学。这本书综合描述了有关海洋的海流、海风、温度、深度、化学、有机物质等，很快便销售一空，它被译成了好几种语言，在出版的当年就重印了5次。
在铺设及修理第一条越洋的电报电缆时，一些深海的沉积物样品被有意或无意地采集到，有时这些样品用酒精保存在小罐里。1857年，杰出的英国生物学家赫胥黎对在铺设从爱尔兰到纽芬兰岛的电缆过程中采集到的沉积物样品进行了分析。他发现，每一个样品的表面都附着有一种灰白色的黏性物质，搅拌时，这种黏稠物质分离成长条状。起初，他认为这种黏性物质是一种深海生物的组成部分，后来他得出结论这是原始软泥的残余物，这种原始软泥也正是生命起源的地方。赫胥黎将这种物质命名为深海黏性物（来自Bathy，意为深的），他周游了世界各地，发表各种演说宣传这种物质奇妙的性质及它的意义。一时间，深海黏性物质名声大震。
到了19世纪后半叶，人们获得了更多关于深海的新发现，也推翻了一些现有的理论。无生命带理论即是其中之一：在修理地中海2000米深处电缆的过程中，一种深海活珊瑚的发现很快推翻了无生命带假说。
1872年，在英国皇家学会支持下，由查尔斯·汤普逊率领的一次史无前例的海洋科学考察开始了。“挑战者”号探险是世界上第一次完全以海洋调查和探险为目的的大型航海活动，即使在今天看来，这仍是一个极为艰巨的任务。他们将战舰上的枪换成了齿轮并征集了240名船员，考察者准备了220千米的长线用来测量海水的深度，2万米的缆绳用于收集海洋沉积物以及海洋生物，他们将主甲板改装成实验室和工作室，腾出空间来存放样品罐，并携带了大量的酒，除饮用外还用于样品的保存。
“挑战者”号历时3年半环球航行一周完成了它的使命。考察船每进行一次取样需要一整天来测量海水的深度，每放下一个取样的拖网或抓泥器（由一个方形的金属筐连着一个网袋构成）需要花好几个小时，取样器还会时常发生磨损、破裂或者一次取样后一无所获（甚至今天的大多数海洋取样的结果也是一样的），很快研究人员习惯了通过海底挖掘来取样。晕船反应及恶劣的天气使探险过程十分痛苦，然而探险者们仍然为每一次从海底获得一个样品而欢欣鼓舞。在汤普逊及其他科学家们极富热情的领导下，经过全体船员坚持不懈的努力，这次考察取得了圆满成功，获得了极为丰富的有关海洋的新信息。他们测量的深度达到了9000米（28000英尺），绘制了海底沉积物的分布图，发现了4017个新物种，航程结束时，考察人员满载而归。他们甚至利用一些特制的容器带回了两只大海龟、一些蜘蛛、一只海豹和一只小山羊，更不必说诸如蚂蚁、蟑螂、蛾、蟋蟀、蜈蚣和老鼠之类的东西。一位同行的化学家还发现。当酒用于样品保存和海水混合时会产生一种白色沉淀。曾经名噪一时的深海黏性物质被揭开了神秘的面纱：它并非如赫胥黎认为的那样来自海底，而是两种液体混合时的一种产物。
“挑战者”号探险之后，海洋研究揭开了崭新的一页。相继有很多船只用来进行海洋研究、探测其深度、发现新物种等等。在美国相继建立了专门从事海洋研究的机构如伍兹霍尔和斯克瑞普斯海洋研究所，一些相关的政府机构如国家海洋渔业服务中心（NMFS）和国家海洋和大气局（NOAA）也应运而生。英国邮船泰坦尼克号的沉没及两次世界大战促进了海洋工程技术的快速发展。军事需要也对海洋科学的发展提出了更高的要求。例如与潜艇隐形和探测相关的海洋热力结构，停泊处波浪的性质及周围鲨鱼的生活习性等。
此后的海洋研究更加专业化、地域化，航程将变得更短，目标更集中，耗资也更大。人类开始进入海洋内部获取第一手的资料。其中有两个事件使海洋科学得到了迅速普及：库斯托激动人心的海洋探险和一场挽救鲸鱼的运动。今天，实施一个航程耗资更多，因此参与人员更少，也更应该注重合作。通常由一系列海洋分支学科的科学家共同合作研究，以期在一次航程中即可进行一系列的考察研究。
自上个世纪以来我们对海洋的认识取得了巨大的进步，这一切应归功于人类的好奇心、聪明才智以及海洋技术的进步。今天我们已经有了地球同步卫星、复杂的计算机模型、高灵敏度高精确度的仪器、自动遥感海底探测器、潜艇、海底实验室及分子研究技术。卫星技术、潜艇、遥感探测器使人类能在更深更广的程度上研究海洋。分子基因工程的进步及对微现象的研究向我们展示了海洋微观研究的新图景。即使如此，我们对海洋的了解也只是很少的一部分，我们对海洋、地球、气候相互作用的了解仅处于初级阶段，对海洋水体系统中生物的研究也还停留在表面上。
生命的开始
38亿年前，星际物质猛烈碰撞的时代已经结束了，动荡不安的地球变成了一个蓝色的星球，表面覆盖着蔚蓝色的大海，海面上遍布着岩石裸露的岛屿。在陆地表面和海洋的底部，高密度的黑色玄武岩和富含铁镁有精细花纹的硅酸岩组成了厚厚的地壳，较轻的花岗岩物质分布其上，这些物质是由浅色的，富含钾、钙、钠、铝的硅酸岩组成（这些漂浮在地壳表面的花岗岩“冰山”最终变厚，并形成了地球大陆的核心部分）。天空变明亮了，大气逐渐变薄，气候也慢慢凉下来，但是，陆地和海洋中仍然没有植物和动物的踪影。
地球上的生命是什么时候开始的（是怎样开始的）无论在什么时候这都是最让人感兴趣，引起激烈争论的问题。40亿年前，原始的海洋中是否充满着有机分子呢？如果是的话，那最早的有机物质又来自何方呢，有人认为，有机物质——生命的基本组成物质——是由星际中的行星或彗星带到地球上的。也有人认为，这些物质是在地球原始的海洋中产生的。但是，不管有机物质来自哪里，生命是在海洋中开始的。
在陆地上已经硬化成为岩石的古老沉积物中，发现了有关生命产生时地球的外貌和最早的有机体的性质的线索。目前，地球上最古老的沉积岩在1971年发现于格陵兰岛的Isua山，年龄约37亿年。Isua山的沉积物质包括一系列由细颗粒组成的岩石和黑色硬化的熔岩，呈奇怪的管状和枕状，好像硬化的牙膏从管中挤出来一样。这些奇形怪状的岩石被称为枕状玄武岩，它们是在熔融的熔岩喷出海面，并被冰冷的海水不断冷却的过程中形成的。在南部非洲巴伯顿绿岩带的岩石中也发现了古老的玄武岩。另外一些岩石的表面看上去像已经硬化的却又正在冒泡的泥浆池。今天，在地热活跃的地区，如美国的黄石国家公园，缓慢沸腾的泥浆池随处可见。在澳大利亚和加拿大北部，也曾发现一些类似的距今32~40亿年的玄武岩。
但是，最令人吃惊的发现是在南非，地质学家在一种硬化的二氧化硅岩石即燧石中，发现了一种与众不同的、微小的米粒状化石。他们认为，这些化石是曾经生活在热的泥浆中的一种原始细菌的遗迹。最近在深海中的一些发现似乎可以证明，嗜热微生物可能起源于冒着气泡的泥浆池或者是有火山活动的海底地区。
1977年，地质学家在西雅图海岸外的胡安·德富卡海脊的深海热液中发现了一些不同寻常的新的海洋生命。在海平面下2500米以下，巨蚌、居住在管中的蠕虫（多毛虫）、蟹和其他一些奇怪的海洋生物挤聚在从海底裂缝中喷发出来的热水周围。而在这些深海热液的研究中，最令人吃惊的发现是：这里和其他地方所发现的海洋生物，是以化能合成细菌为生的。化能合成是指有机体利用热、水和化学物质如硫化氢，来制造有机物的过程。与此相对，光合作用是指植物利用光能、水和二氧化碳来制造有机物和氧气，地球上的绝大部分生态系统都是利用光合作用来维持生命循环的。深海中以化能合成为基础的繁荣的食物链的发现，使全世界的科学家都震惊了，而且，这一发现也为生命开始于深海底热液活动地区，而不是海洋表面，提供了可能性。
现在，我们知道，化能合成细菌可以在深海以及其他不利于生命存在的环境中繁殖，比如黄石国家公园著名的热喷泉和泥浆池及墨西哥湾天然的油气田。但生命起源于何处我们仍不清楚。是否是微小的细菌靠着地球在热泉、沸腾的泥浆池或深海热液中产生的热量繁衍起来，并随后迁到浅海来利用太阳巨大的能量呢？
到32亿年前，地球上的环境仍非常不适于生命的存在。炙热的岩浆在海底和陆地上漫流，沸腾的热喷泉随处可见，大气中仍含有相对较多的水蒸气和二氧化碳。但是，简单的单细胞生命已经开始孕育了。在澳大利亚菲格特里形成的岩石中，地质学家发现了大棒状及圆球状的化石，而这些岩石的年龄为32亿年。这些化石类似于现代的光合细菌和蓝绿藻，现在称为蓝细菌。类似的化石在冈弗林特燧石矿岩石中也有发现，这一燧石矿是20亿年前在安大略省西部苏必利尔湖沿岸沉积形成的。地质学家发现，这里的化石具有奇怪的拱顶状和柱状的分层构造，似乎是生物造成的。但许多年过去了，它们的起源仍是一个谜。在澳大利亚鲨鱼湾的潮汐浅塘中，发现有类似的短粗柱状的蓝细菌群落存在；最近，在巴哈马群岛的浅水潮沟中发现了更大的这种群落。这些原生的给人深刻印象的柱体被称为叠层石，高度或者宽度可以生长到几米。形成叠层石的海藻向上生长，形成了致密的纤维质的有机质层，这些有机质层周期性地被沉积物覆盖，有时也会生成像水泥一样的碳酸钙覆盖层。一旦草食性动物发展起来，叠层石只能存在于有潮流、盐度高、周期性干旱或其他可抑制水下生物摄食的环境中。但在这样的水下生物出现之前，叠层石的数量还是很多的，一些种类的年龄超过了30亿年，这进一步证明，浅海中的生命开始出现。
到30亿年前，天空明净起来，地球慢慢变凉，地球表面开始发生细微的变化。虽然火山继续喷发着，但是在广阔的浅水区和沸腾的泥洼里，充满了细菌和原始藻类。潮汐水塘被一层蓝绿色的有生命的黏液覆盖着，叠层石随处可见。在深海的热液活动区细菌也一样繁生。石灰石沉积和新的光合作用生物继续使大气中的二氧化碳浓度降低，气候更加凉爽了。大气中的二氧化碳可以吸收地球表面的热辐射。二氧化碳浓度的增高，使吸收的热量增加了，气候变暖了，这一现象称为温室效应。科学家们认为，地球的早期阶段，也进行着类似的过程，只不过是二氧化碳的浓度下降使地球的气候变冷，而不是变暖而已（科学家们认为，更早时期二氧化碳浓度降低的效应被增加的太阳辐射抵消了）。