以萨根“我们由星辰物质所铸”为引，点明生命元素源自恒星，地球早期“分子伊甸园”孕育生命。气体分子记录着地球演化与生命密码，我们以此为基础，将探测延伸至行星与深海等极端环境，期望展开一场生命与星尘的共同叙事。

导 读

无论是遥远的行星，还是地球深处的海洋，气体都在默默记录着环境变化与生命痕迹。它们就像“自然记事本”，承载着行星演化、地质活动与生命活动的关键信息。本文系统阐述了痕量气体检测技术在深空与深海极端环境中的应用与挑战，为我们走向更远的宇宙与更深的海洋提供了科学支撑与技术路径。

图1 图文摘要

一、为何气体是深空深海探测的“关键线索”？

气体分子及同位素组成，是解读行星演化与生命痕迹的“化学密码”。

在深空探测中，大气成分是判断地外宜居性的关键。例如，金星大气中的氨可能中和硫酸云层，为生命提供微小的生存窗口；火星大气中的痕量甲烷指示着地下微生物活动或地质反应。系外行星（如Kepler-186f）遥感光谱检测到水汽、二氧化碳等的存在，成为评估其是否处于宜居带的重要依据。

在深海探测中，气体同样记录着生命与地质活动。深海热液区（如黑烟囱）和冷泉渗漏区富含甲烷、硫化氢等还原性气体，支撑着不依赖阳光的化能合成生态系统。同时，溶解气体如二氧化碳、甲烷的通量变化，关联全球碳循环和气候建模，甚至反映海底火山和板块活动强度。

深空与深海更形成镜像对话：深海极端生命的代谢策略为地外生命可能形态提供参考；行星大气的光化学模型亦有助于理解地球早期环境与生命起源的耦合机制。

二、气体检测面临哪些“极端挑战”？

（1）极端环境的硬件考验

深空与深海的探测环境极其恶劣。金星表面温度高达467℃、气压为地球92倍，大气充满腐蚀性硫酸；火星昼夜温差超100℃，大气稀薄多尘。而深海如马里亚纳海沟的压力超110 MPa，千米深处漆黑寒冷（0–4℃），高盐度海水腐蚀性强。因此，探测器需具备耐高压、抗腐蚀、抗辐射与宽温域工作能力。

（2）未知气体的分析难题

当前探测气体种类有限，更多痕量气体或反应中间体尚未识别。深空气体遥感依赖高精度光谱模型，但宽温压范围内的分子谱线数据库仍不完善；深海生命关键组分的合成机制仍待揭示。

（3）原位技术的系统瓶颈

原位分析是一种在真实环境下（深空、深海）直接监测其动态变化过程的技术，避免样品脱离真实环境后可能发生的变化，从而确保数据的真实性和可靠性，其在深空与深海探测中非常必要，但现有技术仍难兼顾“高精度、长寿命、多参数”需求。化学传感器易漂移，原位质谱仪体积大、能耗高，耐压激光光谱仪虽进展迅速，但仍受成本高、集成弱、校准难等限制。亟需突破耐极端材料、低功耗光源、智能校准算法、自清洁及长效供能等关键技术，实现从单点突破到系统可靠的跨越。

三、未来需要突破哪些“核心问题”？

（1）科学层面，需重点回答：如何区分行星大气成分与同位素的生物与非生物来源？光化学、宇宙轰击等过程如何影响大气演化？深海火山与板块活动如何调控气体通量？冷泉与热液系统在形成机制与气体释放上有何异同？极端环境微生物如何利用气体生存？如何准确评估深海室温气体对气候的影响？

（2）技术层面，需着力攻克：适用于遥远天体的大气成分与同位素高精度遥感技术，极端环境原位探测与高保真采样返回技术，耐高压、腐蚀和极端温度的新材料，深海及地外海洋气体的原位分离与痕量检测方法、长期监测站的高效能源供应与稳定数据传输解决方案。

总结与展望

极端环境下的气体分析是人类探索未知的“前沿战场”，是解码生命起源、行星演化与地球系统运作的关键。为推动该领域从单点突破迈向系统认知，从以下三方面发力：

（1）强化多学科交叉融合。整合天体化学、海洋地质学、微生物学、气候学与传感器工程等多学科力量，共同构建从分子机制到行星尺度的气体演化理论模型。

（2）发展高保真环境模拟技术。建立可精确复现深空、深海极端条件（如超高压、高温、强腐蚀）的实验平台，支撑传感器标定、前生命化学反应模拟等基础研究。

（3）构建开放协同的数据生态系统。推动全球探测数据的标准化整合与共享，促进数据驱动的新发现，并通过国际合作加速技术创新与成果转化。

责任编辑

司伟鑫 深圳理工大学

杜长德 中国科学院自动化研究所

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原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666675825002450

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第6卷以Editorial发表的“Gas detection-assisted deep-space and deep-sea exploration” (投稿: 2025-06-26；接收: 2025-07-17；在线刊出: 2025-07-22)。

DOI:10.1016/j.xinn.2025.101042

引用格式：Wang Q., Cao N., Hu M., et al. (2025). Gas detection-assisted deep-space and deep-sea exploration. The Innovation 6:101042.

作者简介

阚瑞峰，中国科学院合肥物质科学研究院研究员，博士生导师，入选国家高层次科技创新领军人才，光学学会会士。主要从事激光光谱检测方法及其应用技术研究，涉及高超音速流场诊断、深海探测、探月等国家重大领域。现任中国光学学会激光光谱学专委会主任委员、《光学精密工程》副主编。以第一完成人获安徽省科技进步一等奖、军队科技进步二等奖和中国光学学会光学科技进步二等奖、中国仪器仪表学会技术发明一等奖各1项。发表学术论文50余篇，授权发明专利20余项，获软件著作权10余项。

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