自主式水下載具的未來：可在海中追蹤魚類的「仿生魚」

深海的暗氧：無光環境中的神秘氧氣生成

深海，被譽為地球最後的未開發疆域，隱藏著許多不為人知的奧秘。數千公尺深的海底沉積了數量龐大的多金屬結核，這些礦物因含有大量珍貴金屬，對現代技術，尤其是能源轉型，至關重要。然而，科學家在探索這些結核的過程中意外地發現了一種神秘的現象：暗氧，即在無光的深海環境中生成氧氣的過程。這一發現不僅可能改變我們對海洋生態系統的理解，還可能重新定義地球早期生命起源的故事。

長期以來，科學界普遍認為氧氣的生成依賴於光合作用。光合作用是植物、藻類及一些細菌透過陽光將水和二氧化碳轉化為有機物並釋放氧氣的過程。這一過程主要發生在地球表層和淺水區域，是維持大氣和海洋中氧氣含量的核心機制。根據這一觀點，只有在陽光能夠到達的區域，氧氣才能被生成。因此，對於深達數千公尺的深海區域，我們的認識是，氧氣主要來自於表層水透過洋流輸送到深處。

然而，深海中缺乏光源，光合作用無法進行，這意味著氧氣在深海中的供應受到限制。雖然洋流能夠在一定程度上將氧氣輸送到深海，但這一過程極其緩慢，往往需要數百年甚至上千年才能完成一次循環。因此，科學家一直認為深海是一個缺氧的環境。

多金屬結核的發現，是新能源的關鍵，還是海洋生態的災難？

在這樣的背景下，科學家對深海進行了更深入的探索，並發現了錳結核（英語：Manganese nodules），又被稱為多金屬結核這一珍貴資源。多金屬結核是富含金屬的岩石，其主要成分包括鈷、錳和鎳等金屬。這些結核廣泛分佈於全球深海區域，尤其是太平洋海域，儲量高達數兆噸。這些金屬對綠色能源技術，如電池生產，具有極高的價值，吸引了全球各國的關注。

然而，這些結核不僅是地球資源的寶藏，它們還隱藏著另一個重要的發現。2013 年，科學家安德魯·斯威特曼（Andrew Sweetman）在太平洋克拉里昂-克里珀頓區域進行深海研究時，意外地發現，在封閉的深海水域中，氧氣濃度竟然有所增加。這一現象引發了科學界的極大關注。

暗氧的生成機制

斯威特曼的研究團隊推測，深海中的多金屬結核可能在某些化學條件下，充當了天然電池。這些結核通過電化學反應將水分解為氧氣和氫氣，從而在無光的環境中產生了氧氣。為了驗證這一假設，團隊在實驗室中模擬了深海環境，並確實觀察到氧氣從結核生成的現象。

不過，這一過程並非如想像中簡單。根據實驗數據，某些海底結核表面的電壓僅為 0.95 伏特，卻能夠生成氧氣，這與理論上需要的 1.6 伏特電壓不符。研究團隊進一步推測，這可能與結核的成分有關，例如含鎳的錳氧化物可能起到了催化作用，降低了反應所需的能量。此外，結核表面的不規則排列及空隙可能也促進了電子轉移和水的分解。

暗氧的發現挑戰了我們對氧氣生成的傳統理解。過去我們認為，地球上的氧氣主要來自於光合作用，但這一現象表明，甚至在無光的深海環境中，氧氣也能通過無機物的電化學反應生成。這意味著，我們對於地球早期氧氣循環及生命演化的認識可能存在重大疏漏。

尤其值得注意的是，多金屬結核的形成需要氧氣，而這些結核大量出現在深海中，是否表明早期地球上就已經存在非光合作用的氧氣生成機制？如果是這樣，暗氧是否可能推動了地球上生命的起源？這一問題仍然未有定論，但暗氧的發現無疑為生命起源的研究開闢了一條新的途徑。

未來的挑戰：開採深海資源還是守護地球最後的「淨土」？

除了科學研究的價值，多金屬結核也吸引了全球對於深海資源開採的興趣。這些結核富含稀有金屬，特別是對電池生產至關重要的鎳和鈷。然而，大規模的深海開採可能會對海洋生態系統造成嚴重破壞。

首先，深海採礦可能導致噪音和光污染，破壞深海生物的棲息地。此外，採礦過程中產生的懸浮物可能對海洋生物，尤其是水母等生物造成生理負擔。研究顯示，水母在模擬的採礦環境中會因應對懸浮物而消耗大量能量，這可能削弱其免疫系統並降低生存率。

因此，雖然深海資源的開採看似能解決當前的能源危機，但國際間對此議題的爭議仍然持續。全球已有32個國家支持暫停或禁止深海採礦，呼籲進行更多的生態影響研究以確保環境保護。

暗氧的發現，不僅為科學研究帶來新的挑戰，也為深海資源的開採提出了更高的要求。在能源危機與生態保護之間，我們需要尋找平衡點。未來的技術或許能夠在不破壞環境的情況下，模擬自然過程生成多金屬結核，從而實現可持續的資源開採。

此外，暗氧現象的發現也為探索外星生命提供了新的思路。當我們在其他行星上發現氧氣時，不一定意味著那裡存在光合作用生物，可能是類似多金屬結核的無機反應在默默進行。這一發現或許將改變我們對地外生命的定義與尋找方式。

深海的秘密仍在不斷被揭開。從暗氧的發現到多金屬結核的開採，這片未開發的疆域將在未來的科學探索與資源爭奪中扮演至關重要的角色。無論是能源危機的解決還是生態系統的保護，我們都應以謹慎且負責任的態度面對這一未知的領域，避免打開潘朵拉之盒。

• 文 胡潔曦｜黑潮海洋文教基金會 鯨豚保育研究員
• 本文轉載自黑潮海洋文化基金會《海洋盛宴——抹香鯨落》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持黑潮喔！

編按：本文主要內容與圖片摘錄、翻譯自文獻Three-year investigations into sperm whale-fall ecosystems in Japan，期望在頻繁目擊抹香鯨的 7 月，跟大家分享抹香鯨落的研究。

生存在深海中並非容易的事，由於深海裡缺乏陽光與有機物質，許多生物是藉著海水表層落入深海的有機物質維生。當鯨豚死亡後沉入海底，這段過程、遺體以及過程中所形成的生態系均可被稱為「鯨落」。鯨落可以說是生命的延續之源，而這些殞落至海底的鯨豚有如「金山銀山」，不僅能提供大量的有機物，同時也將許多硫化物帶入海底，造福許多海洋生命，因此也有一句話說：「鯨落，萬物生」。這篇文章透過閱讀國外文獻與整理，希望跟大家分享抹香鯨死亡之後的貢獻！

故事的開始——集體擱淺在日本的抹香鯨

在 2002 年 1 月，日本的西南海岸發生了一起集體擱淺，共發現了 14 隻抹香鯨，而其中 12 隻抹香鯨被綁上水泥塊後，被當地政府沉入了 Nomamisaki 岬角周邊深度大約兩、三百公尺的海裡，形成了多座人工鯨落。當時有許多學者對於抹香鯨落感到好奇，究竟牠們會吸引來哪些生物？而抹香鯨龐大的遺體會需要花費多長時間分解呢？透過這項研究，或許能讓人們對大型齒鯨落的分解過程更加瞭解。

事實上，在 2002 年以前，多數的鯨落研究出自於美國的加利福尼亞州外海，並以鬚鯨為主要研究對象，而這些鯨落的深度幾乎都落在一、兩千公尺深，比起這次抹香鯨落群的深度深了非常多。而這次大量出現在日本西南海域的多座人工鯨落有著種種獨特性，包含了：深度淺、是大型齒鯨的鯨落等等，也讓學者們充滿好奇心。

究竟要如何長期觀察抹香鯨落呢？

閱讀至此，不知道讀者們是否有一項疑問？在兩三百公尺深的海裡，既缺乏可見光，同時也承受著數十倍的大氣壓，在這樣的條件下到底要如何觀察抹香鯨落呢？「ROV——水下探測載具」即是這個研究的一大助手，能夠幫助科學家們突破這些困難，不僅能在深海中蒐集珍貴的影像，也可以完成採集的工作。而在團隊耗費了 3 年運用水下載具追蹤其中的五隻抹香鯨後，他們也有了些有趣的收穫，透過圖四可以看到這段時間抹香鯨的外觀變化。

經過數年的追蹤後，研究團隊發現，抹香鯨落歷經分解的速度堪稱飛快！根據 2003 年的鯨落研究，學者將鯨豚分解的過程定義為下述四個階段（Smith and Baco 2003），而第一個階段到最後階段可能會歷時數年甚至到數十年，當鯨豚的遺體越大，可能耗時越長：

1. 移動清道夫階段（Mobile-scavenger）：生物會快速消耗掉鯨豚體表上的肉與脂肪。
2. 機會主義者階段（Enrichment opportunist）：生物開始進駐鯨豚裸露的骨頭及周邊富含營養的底層泥沙上。
3. 化能自養階段（Sulphophilic）：骨骼釋放硫化物，供養海洋中依靠硫化物維生的生物。
4. 骨礁階段（Reef）：在所有有機物質被消耗之後，即會進入骨礁的階段。

註解：上述中文名詞翻譯參考自國家地理頻道及國立海洋科技博物館 鯨落展區。

鯨落最快被消耗掉的部分是身上的肉跟脂肪，而這份文獻研究的 5 座抹香鯨落，肉跟脂肪在經過 1 年之後已幾乎被消耗殆盡；經過 1.5 年之後，抹香鯨落已進入化能自養階段，骨骼開始釋放硫化物質；有些大型鯨落從化能自養階段轉為骨礁期要歷經數十年，根據這項研究發現，部分抹香鯨落竟在 3 年後就能夠進入骨礁期，身上所有的有機質都被消耗殆盡，而這樣的進度相較於過去鬚鯨落的研究是非常快的！研究人員初步推測，可能是因為此處的平均水溫相較其他鯨落研究的海域高，生物分解的速度比較快。

抹香鯨落上意想不到的生物多樣性

這次的研究共有發現超過百種生物聚集在抹香鯨落周邊，包含軟體動物門、多毛綱與甲殼綱的生物等，在 1.5 年後，貽貝是抹香鯨骨骼上最為豐富的生物類群（圖五）。而抹香鯨落整體的生物多樣性在到達 3.5 年時來到高峰，紀錄中共有八十多種生物出現。

除了確認抹香鯨的腐化速度之外，研究人員也會在探測載具每次下海時採集底部的泥沙，經分析發現，抹香鯨身體下方泥沙中的硫化物濃度，隨著鯨落分解的時間越久，濃度也會逐漸提高，並吸引來大量仰賴硫化物生存的生物。為了進一步確認周遭環境的生物是否與抹香鯨身上的有差異，研究人員也將抹香鯨 10 米以內與外的生物做了比較，發現鯨落 10 米以外的物種與鯨落上的生物完全沒有重疊，也證明了鯨落的出現確實吸引來許多的生物。

鯨落，萬物生

鯨落的各個分解階段吸引了許多生物造訪，肉與脂肪等在幾個月內快速地被消耗掉，有機碎屑也能讓周邊海底的富含養分，而抹香鯨骨能釋放硫化物數年，部分大型鯨甚至可能長達數十年。「鯨落，萬物生」，在鯨豚生命的最後一章，牠們的身體緩緩沉入海底，成為了大量生物的食物來源。至 2022 年為止，目前世界已知鯨落共有約 160 座，也希望隨科技進步，人們能更深入認識鯨落為環境帶來的影響。

影片分享：美國於2019年在NOAA保護區發現的深海鯨落。

參考資料

1. Fujiwara, Y., Kawato, M., Yamamoto, T., Yamanaka, T., Sato-Okoshi, W., Noda, C., Tsuchida, S., Komai, T., Cubelio, S.S., Sasaki, T., Jacobsen, K., Kubokawa, K., Fujikura, K., Maruyama, T., Furushima, Y., Okoshi, K., Miyake, H., Miyazaki, M., Nogi, Y., Yatabe, A. and Okutani, T. (2007), Three-year investigations into sperm whale-fall ecosystems in Japan. Marine Ecology, 28: 219-232.
   https://doi.org/10.1111/j.1439-0485.2007.00150.x
2. Li Q, Liu Y, Li G, Wang Z, Zheng Z, Sun Y, Lei N, Li Q and Zhang W (2022) Review of the Impact of Whale Fall on Biodiversity in Deep-Sea Ecosystems. Front. Ecol. Evol. 10:885572. doi: 10.3389/fevo.2022.885572
3. https://oceanservice.noaa.gov/facts/whale-fall.html
4. https://natgeomedia.com/environment/article/content-6001.html
5. https://www.soest.hawaii.edu/oceanography/faculty/csmith/Files/Smith%20and%20Baco%202003.pdf
6. http://hi.people.com.cn/BIG5/n2/2020/0409/c228872-33936490.html

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜劉韋佐
• 責任編輯｜田偲妤
• 美術設計｜蔡宛潔

被海洋環繞的台灣

電影《阿凡達：水之道》中有一幕說道：「海洋環繞著你，也在你體內」、「出生前、死亡後，海洋都是你的歸宿」傳遞了海洋與人類密不可分的關係，四面環海的臺灣是否也有發人深省的海洋故事呢？

中央研究院「研之有物」專訪院內歷史語言研究所陳國棟研究員，他是熟知「水之道」的一員，從清代粵海關、廣州行商等海上貿易研究，跨入船舶、航海、島嶼等古今海洋知識領域。想了解更多屬於臺灣的水之道故事？快跟著陳國棟潛入記憶中的海洋吧！

你與「海洋」的距離

你有多久沒有親近大海了？臺灣四面環海，平均一小時車程就能抵達海邊，但我們卻很難說自己是「熟悉海」的海洋民族。在過去有很長一段時間，對臺灣人來說，有種最遙遠的距離叫「海洋」。

時間回到 1949 至 1987 年戒嚴時期的臺灣，政府為了防範對岸軍民入侵，也同步限制一般民眾靠近海岸。當時的法律規定進出海岸需經過申請，讓臺灣的海岸線成為生人勿近的禁地。直到解嚴後，人們才有較多機會親近大海，探索屬於臺灣的海洋文化。

令人陷入回憶的午後時光，我們前往中研院歷史語言研究所拜訪陳國棟研究員，兒時成長於海邊，長大後研究明清經濟史、東亞海洋史與工藝美術史的他，與我們侃侃而談他的海洋回憶與研究趣事。現在，一起跟著陳國棟潛入記憶中的海洋吧！

懷念那住海邊的時光

陳國棟兒時住在北海岸公路旁一處叫作「灰磘子」的村落，他笑著說，現在的人都喜歡靠海的房子，希望在「海景第一排」坐擁無敵美景，但真正住過海邊的人才能體會，靠海而居有多麼不方便！

夾帶鹽份的海風會侵蝕房屋，在海邊走動容易被礁石割傷，很少漁村居民會享受住海邊的樂趣，只有小孩除外。

「小時候我們很能自得其樂！」陳國棟對海邊的植物印象深刻，特別是臺灣海岸常見的黃槿、林投樹，背後藏有許多兒時回憶與歷史故事。

1950 年代，國民政府執政初期仍有許多美軍駐臺，小朋友會把黃槿花蕊尖端黏在鼻子上，模仿西方人的「凸鼻仔」；或是用刀片把林投葉刺刺的邊緣削去，用來編織笛子、風車之類的玩具。

此外，這些生長在海邊的植物還曾發揮「抵禦外敵」的功用。1883 年清法戰爭爆發，次年 10 月法軍從淡水一帶登陸，必須穿過長滿林投樹和黃槿的海岸。

林投樹的葉緣佈滿小尖刺，法軍越過時不僅被割傷，更被茂密的黃槿樹林給打散隊伍，最終在守軍的伏擊下戰敗。清軍就靠著臺灣的「天然屏障」打了少數一場勝仗。

陳國棟雖然在十歲後離開海邊村落，他與海洋的緣分卻未了，因研究明清貿易史的關係再次接觸海洋。為了解決研究過程中碰到的問題，他開始與不同領域學者共同鑽研船舶、導航、島嶼等海洋知識，更蒐集許多古今中外的海洋故事。

談話過程中，陳國棟拿出有如魔法袋的手提袋，掏出一件件與海洋相關的歷史文獻，帶我們回到大航海時代及清領時期的臺灣，訴說一段段在海上漂泊的故事。

那些依海維生的女人

說著說著，陳國棟朗誦起一首收錄在《全臺詩》中的小詩〈理髮〉：

這首詩的作者名叫謝采蘩，是福建侯官謝金鑾的女兒，她在乾隆年間隨父遊宦來到臺灣，搭船渡海的經驗啟發她的創作靈感。

以前的女生會把頭髮綁得比較緊，整理頭髮時需要先用水梳頭，但在船上最缺乏的就是淡水，只好浸了三宵海水，到最後頭髮都鬆了，略顯狼狽！

不同於過去常見的海上絲路、海盜或渡臺悲歌記載，這首詩描述了一幅日常溫馨的畫面，而且更難得的是，這是一名女性在海上留下的回憶。

傳統上，對於女性登船、或在船上作業通常有所禁忌，陳國棟表示，問題出在很多傳說來自握有話語權的文人，禁忌之說可能是受儒家思想影響，不希望女生拋頭露面，更別提出海闖蕩。

然而在現實生活中，海邊常可見到女性掌權或辛勤勞動的身影。例如 19 世紀時，一些西方船隻行經臺灣，就曾驚訝地見到許多女性在海上賣力工作。

臺灣更有一句俗諺「澎湖查某，臺灣牛」，形容澎湖的女性和牛隻一樣吃苦耐勞。陳國棟曾聽聞澎湖有座女人島，島上多由女性獨立操持家務。在航海技術不發達的年代，男人出海後未必能平安回家，女性必須到海邊捕撈魚蝦貝類餵養全家。

雖然討海是一件苦差事，但家中生計迫切到一定程度後，性別已不是太重要的問題了！

有字天書？掛荷蘭旗的清朝船隻

不一會功夫，陳國棟又從袋子內掏出多本文獻，乍看圖文並茂的記載，仔細一瞧，上頭的字雖然近似我們熟悉的漢字，卻完全看不懂！

原來這些文獻記載的是造船方法，師傅將帆船不同部位的製作準則寫在傳統的「數簿仔」（siàu-phōo-á；帳本）上，當中包含船舶龍骨的製作、拿捏尺寸和比例的方法等，但紀錄者選擇用自己人才看得懂的符號來記載。

這讓歷史學家著實傷透腦筋，需要參考更多歷史文獻，或與其他造船專家一起合作，才有可能破解這些「有字天書」。

接著，陳國棟再拿出另一張故宮典藏的〈一號同安梭船圖〉，這是清朝海軍仿同安船製作的戰船設計圖，上頭記載了船身長度、樑頭闊（寬）度等細部尺寸。

看似平凡的船圖其實隱藏著一段歷史疑雲，注意看船隻最左邊的船桅上，竟掛了一幅紅白藍橫條構成的荷蘭國旗！這不是清朝時期的戰船嗎？怎麼會掛著荷蘭國旗呢？

揭曉答案之前，讓我們先回到 16、17 世紀風起雲湧的東亞海域。

當時叱吒風雲的海上強權非荷蘭東印度公司莫屬，周遭海域國家的船隻為避免被荷蘭人打劫，也想借用荷蘭人的聲勢來威嚇對手，於是開始在船桅上懸掛荷蘭國旗。

有趣的是，鄭成功的父親鄭芝龍在向明朝投降的前一年（1627 年），其屬下的船舶也曾掛著荷蘭國旗在海上行劫。30 多年後，鄭成功於 1662 年將荷蘭人驅離臺灣，但荷蘭國旗並沒有就此消聲匿跡，一直到 19 世紀中葉，都還能見到清朝的帆船掛著荷蘭國旗。

事實上，隨著荷蘭海上勢力逐漸式微，懸掛荷蘭國旗早已失去自我保護或倚仗聲勢的功能，航海人單純將荷蘭國旗當成裝飾用的綵旗，象徵吉祥、勝利的標誌。

陳國棟相當珍視手上亟待破解的文獻，由於東亞地區多數人受大陸文化影響，生活經驗多與陸地相關，對海洋知識一知半解，即便蒐集到航海人留下的文獻也難以解讀。

此外，每件文獻都是得來不易的文化寶藏，雖然清領時期常有中國官員、赴京趕考學生等知識份子搭船往返兩岸，但真正有心記錄海洋文化、航海經驗者卻是少數。

「很多人可能一上船就開始暈船，昏睡中能記得的事物自然不多！」陳國棟笑著說。在訴說船舶故事的當下，古代的海洋記憶彷彿搭上帆船來到 21 世紀的談話之間。

掉入深邃的歷史之海

與陳國棟談話時，時常一不留神就掉入歷史與記憶的漩渦之中，他也特別在著作中寫道：

我歷經人生，因此我珍惜記憶，愛重歷史。

這不禁令我們好奇，對歷史學家來說「記憶」有何特別意義？陳國棟從 40 年前進入中研院的那刻談起，再次帶領我們墜入往日記憶之中。

在進入歷史語言研究所以前，陳國棟最初是在經濟研究所從事經濟史研究。當時有些研究人員是隨國民政府來臺的外省第一代，在生活記憶上跟臺灣本省人有許多不同之處，他們總喜歡和陳國棟聊聊在中國的往事。

「他們大概覺得，跟我這個歷史學家聊天可以得到比較多反饋吧！」陳國棟笑著說：「人們年紀越大，越會對過去的事情產生興趣。」這段與前輩共事的經歷讓陳國棟開始思考「記憶」與「回憶」對人類的意義所在。

「記憶」與「回憶」在英文裡都可用「memory」表示，不過「回憶」還有另一種更貼切的說法「recollection」，指的是過往的記憶存入腦海深處，某時某刻又再度拾回。

「你必須要有記憶，才能夠回憶。」陳國棟指出記憶的重要性：

因為有記憶，你可以明白自己在歷史、或一段時空中的定位。透過記憶，感受個人的存在感，你會知道你從哪裡來——回憶這些，會讓你感到安心。

陳國棟強調，無論是個人或社會群體的記憶都很重要。例如我們常從祖父母處聽到遙遠時空的故事，不同世代之間經由口耳相傳，建構可以一起回味的家國記憶，進而塑造自己的身分認同。

然而，在這個快速變遷的時代，以往的記憶建構模式正面臨危機，許多記憶還沒被收藏就已消失殆盡，這可能會加深世代之間共享回憶、彼此認同的困難度，讓年輕人與長輩的代溝越來越深。

身為一名歷史學家，陳國棟認為自己是幸運的，不只能保有屬於自己的記憶，還有更多機會去接觸並記錄其他群體的記憶。

在這個溫暖的午後時光，我們與陳國棟共享了一段屬於臺灣與東亞海域的海洋故事。你與海洋之間又有什麼獨特的回憶呢？不妨找個機會記錄下來、與他人分享吧！

延伸閱讀

• 陳國棟研究員個人網頁
• 陳國棟（2020）。記憶、海洋與尋常歷史。新北市：淡江大學出版中心。