2030世界深海科技创新格局 [复制链接]

深海蕴藏着多种自然资源，是地球上尚未被人类充分认识和开发利用的潜在战略资源基地，是21世纪海洋高新技术发展和应用的重要领域，也是全世界热点、焦点和战略新疆域，各国围绕战略新疆域的战略安全、战略资源、战略空间和战略机遇的竞争愈演愈烈。

为尽可能客观地反映世界深海科技创新格局，课题组经过大范围的数据采集、大量的数据测试、多轮的专家研讨，反复征求意见、不断实践，最终形成了科学家、技术研发人员与情报分析人员合作，专家把关的多层工作模式，确保研究的专业性和质量。在研究方法上，运用大数据思维，基于论文、专利、资助项目、战略报告、调查报告及统计报告等多源数据，通过指标评价、知识图谱、专利地图、社会网络、专家调研等方法，开展国际深海科技态势研究。

课题研究中涉及10万余篇文献数据、10万余件发明专利数据、余条立项项目数据、余篇海洋领域相关战略报告、余项专家调查技术剖面、余份专家调查问卷以及50余份专家调研报告等。数据来源全面可靠，分析中采用了10余种大数据分析平台，得以各取所长，同时课题组成功设计了文献大数据高效分析算法。课题首次实现了基于知识图谱视角的深海科技研发热点与前沿识别，完成了全球维度的深海领域创新资源梳理，开展了基于各国深海战略布局、文献计量以及专家意见的世界深海科技创新格局判断以及我国深海技术布局分析。

本书包括7章。首先，为了使读者更好地理解书中数据、分析过程以及结论的来源，在第一章中对研究方法进行了说明。其次，以当前格局作为切入点，从深海进入、深海探测、深海生物资源开发、深海油气与矿产资源开发四个子领域进行研发概述、研发前沿以及研发力量的研究，从细分技术的角度判断深海科技的发展趋势。最后从多角度、多维度开展了世界深海科技创新格局分析研究，力图为读者描绘世界深海科技创新格局的面貌。

最后，对所有参与和支持本书编写的朋友表示由衷的感谢！

节选部分内容

第五章深海生物资源开发科技创新格局发展趋势

深海生物资源包括物种资源、基因资源和产物资源。深海分布着海山、洋中脊、深海平原、深渊、海沟等多种复杂的地质地貌以及热液口、冷泉等独特的生态系统，深海生物处于高盐、高压、低温、寡营养、无（寡）氧和无光照的环境中，产生出具有特殊生理功能的活性物质。深海极端微生物及其基因资源在生物医药、工业、农业、食品、环境等领域的开发应用已取得突破性进展，形成了数十亿美元的产业。深海生物资源开发技术主要涉及深海生物调查技术、深海生物基因开发与利用以及深海微生物基础研究与利用。深海生物调查技术是认识和探索深海的必备首要条件，基于海洋物理、化学与生物学方法，并依赖于先进的深海装备和技术，进行深海生物（嗜压、嗜热）资源的探查、原位固定、获取与保藏等，实现海洋生物全面综合的调查。深海生物基因开发与利用包括深海生物原位培养与资源获取技术、深海生物基因资源获取与大数据集成技术、基于“虚拟筛选”和“定向改造”技术的深海生物新型活性产物挖掘技术、以及深海病毒高效分离及其基因资源获取技术。深海微生物基础研究与利用指古菌、细菌、噬菌体等深海微生物的生理代谢、基因组学、在地球生物化学循环过程中的作用及应用研究。

第一节深海生物资源研发概述

一、总体评价

深海生物资源开发领域科技创新格局评价指标显示，美国在研发引领、研发力量及研发规模方面实力雄厚；中国在研发规模及研发增速方面表现突出；传统海洋强国在研发竞合、研发引领方面具有明显优势；新兴海洋国家则具有较好的研发增速。

美国在研发引领、研发力量方面具有明显优势，研发规模、研发竞合占据全球的核心地位，年-年期间美国SCI发文规模、ESI发文规模、国际论文合著网络中心度、基础研究机构数量、PCT专利数量、技术开发机构数量等评价指标均居世界首位。根据深海生物资源研发前沿分析显示，美国在深海生物资源的研发基本覆盖了全部技术领域，在生物调查、微生物研究及基因开发利用领域均具有研发力量及研发规模的优势，在生物多样性调查及采样、调查技术、深海微生物以及基因功能基础研究及利用等方向的优势尤为显著。美国在深海生物资源开发领域拥有众多科研机构，机构数量位居全球首位，近十年SCI论文累计数量接近全球总量的三分之一，代表性机构包括美国加州大学、伍兹霍尔海洋研究所、佛罗里达州立大学、夏威夷大学、华盛顿大学等，美国国家海洋大气管理局（NOAA）、美国能源部（DOE）、美国内政部等机构也具有较强的研发实力。根据国际论文合著网络年度分析显示，美国始终是全球深海生物资源开发领域的科研合作网络中心，其国际合著论文网络中心达97.6%，位居全球首位，几乎与所有的国家存在合作关系，成为合作网络枢纽的重要节点。

中国在深海生物资源开发领域的研发增速、研发规模方面具有领先优势，研发力量也占据全球的重要地位，在研发引领和研发竞合方面与传统海洋国家有一定的差距。SCI发文增速、有效发明专利规模及增速等评价指标均居世界首位。近10年的SCI论文数量仅次于美国，全球占比达15.7%，SCI发文年均增速达19.2%，显示出强劲的发展势头。有效发明专利数量全球占比达47.6%，发明专利申请的10年年均增速为20.4%，高于第2位（印度）7.4个百分点，研发整体处于活跃状态。在研发力量方面，中国基础研发机构数量与技术开发机构数量全球占比分别为6.3%、7.6%，超越大多数国家，但与排名第一位的美国存在较大差距。在研发竞合方面，我国国际SCI论文合著网络中心度为90.5%，有一定规模的国际合作，表现尚可，但发明专利平均同族仅为1.1，意味着我国发明专利基本只在单国家/地区布局（主要为国内），国外市场鲜有布局。随着国家重视及投入加大，我国参与深海生物资源开发研究的科研机构和企业加速增加，机构及文献、专利数量呈现逐年增长的趋势。

传统海洋国家在深海生物资源开发领域仍有较强的研发引领能力，研发竞合实力尤为显著。德国、荷兰、挪威、法国、英国、加拿大、意大利、日本等国家在不同的细分领域各占优势。德国的综合竞争力较强，其中研发竞合及研发引领实力较为突出，近10年的论文合著合作网络中心度达96.4%，紧随美国之后，与英国、澳大利亚相当；发明专利更多的布局在国外市场，平均同族专利数达5.6；高被引ESI论文占全球总量的20.5%，仅次于美国、澳大利亚、英国、法国；SCI篇均被引次数达24.7，仅次于加拿大；有效发明专利平均被引达17.4次，专利的被引用情况仅次于美国、荷兰、挪威；基础研究机构数量占全球总量的5.3%，仅次于美国、法国、中国；SCI论文数量全球占比10.8%，仅次于美国、中国、英国。发文数量超过篇的机构4家，总被引次数排名居前10的有2家（亥姆霍兹协会、马克斯·普朗克学会）；亥姆霍兹研究所、马克斯·普朗克学会、德国不莱梅大学等是德国在深海生物资源开发中极为重要的研究机构。荷兰的研发竞合及研发引领能力较为突出，具有极高的海外市场布局能力；有效发明专利平均被引达55次，专利的被引用情况仅次于美国，远远高于其他国家，反映出所拥有的深海生物资源开发专利具有极高的价值；SCI发文年均增速达11.0%，仅次于中国、印度、巴西，与挪威相当；SCI篇均被引次数达24.5，仅次于加拿大、德国。挪威的研发竞合能力较为突出，有效发明专利平均被引达23.8次，专利的被引用情况仅次于美国、荷兰，反映出挪威所拥有的深海生物资源开发专利具有较高的应用价值；有效发明专利更注重海外布局，平均同族专利数达6.9。法国的综合实力较为雄厚，其中研发竞合及研发引领能力较为突出，基础研究机构数量占全球总量的8.3%，仅次于美国；高被引ESI论文占全球总量的23.2%，仅次于美国、英国、澳大利亚；SCI论文发文数量占总量的9.5%，仅次于美国、中国、英国、德国。英国的研发竞合实力较为突出，具有一定的研发引领能力，论文合著合作网络中心度为96.4%，仅次于美国，与德国、澳大利亚相当，与较多国家存在合作关系；高被引ESI论文占全球总量的27.6%，仅次于美国；SCI篇均被引次数达24.1，仅次于加拿大、德国、荷兰。加拿大的研发竞合能力较强，具有一定的研发引领能力，有效发明专利更多的布局海外市场；SCI篇均被引次数达24.8，位居全球首位；高被引ESI论文占总量的19.5%，仅次于美国、英国、澳大利亚、法国、德国。日本的专利优势较为明显，技术开发机构数量占全球总量的8.6%，PCT专利数量占全球总量的8.2%，仅次于美国、韩国；发明专利数量占全球总量的8.8%，仅次于中国、韩国、美国；有效发明专利平均被引达8次，专利价值较高，专利技术主要分布在深海微生物化学原位装置、底栖微生物领域，以及深海鱼油、深海生物肽、深海生物基因等应用领域，在未来的深海生物资源开发应用上进行了一定的布局。澳大利亚的研发引领能力较强，高被引ESI论文占全球总量的23.8%，仅次于美国、英国；SCI篇均被引次数达23.1，仅次于加拿大、德国、荷兰、英国；论文合著合作网络中心度96.4%，仅次于美国，与德国、英国相当，与较多国家存在合作关系。

新兴发展的海洋国家有印度、巴西、韩国，综合实力与海洋强国有较大差距，但发展后势较为强劲。印度的研发规模及研发力量虽然与中、美及其他传统海洋强国还有相当大的距离，但在研发增速方面表现较好，SCI发文增速、发明专利申请增速均达到13.0%，仅次于中国，显示出强劲的发展势头。巴西的创新综合实力与中、美等其他国家均有相当大的距离，但表现出较好的研发竞合能力，有效发明专利的平均同族专利数达5.0，显示其较为重视海外市场；SCI发文增速达到11.8%，仅次于中国、印度。韩国的国家综合实力不及欧美传统海洋国家，但其发展后势强劲，对技术的研发较为重视，技术开发机构数量、PCT专利数量分别占全球总量的15.5%，仅次于美国；有效发明专利数量占全球总量的17.5%，仅次于中国。

图1深海生物资源开发领域主要海洋国家科技创新格局一级评价指标得分

二、深海生物调查概述

深海生物调查技术包含了数据观测、样品采集、样品分析等方面，主要是基于光学、声学、化学、生物学及环境DNA/RNA等方法，利用调查船、浮/潜标、水下机器人、深海潜水器、无人机、水色卫星等先进观测设备，结合ESP、Mocness、MultiNet等先进采样设备，对海洋生物进行全面、综合的调查。

深海生物调查技术的发展过程也体现在方法、装备等方面，如海洋浮游生物调查，其采样技术经历了由传统的人工浮游生物网，到自动化的MultiNet多联网，再到智能化的CTD采水器和ESP采集等；其分析技术经历了由人工的显微镜检分析，到自动化的CPR、库尔特计数器分析，再到智能化的FlowCam、IFCB机器人分析，甚至到水色卫星遥感分类算法分析等。大型生物调查方法和新设备发展缓慢，从百年前传统的生物拖网到年代的声学调查评估技术，以及目前新兴起的环境DNA监测和评估技术。

深海生物调查技术的快速发展也推动了大的国际计划的实施，比如：0-年，由超过80个国家的多位科学家共同完成了全球海洋生物普查计划（CoML），该计划研发、利用了先进的装备对海洋生物进行普查，此外还通过在海洋动物体表固着、体内植入探测与发射装置，从而了解这些生物的洄游路线、分布范围和生活习性等。

美国。美国在深海生物调查技术研制和应用方面处于绝对领先位置，随着设备和技术的更新换代，许多声学、光学传感器都得到了更适宜、更全面、更精准的发展，被更广泛地应用到深海生物调查中。在声学观测技术领域，伍兹霍尔海洋研究所设计的BIOMAPERII（Bio-OpticalMultifrequencyAcousticalandPhysicalEnvironmentalRecorder）采用了多频率（5个波长）声学系统，并成功应用于南大洋锚定观测平台达数年时间，观测到多种海洋生物优势种群空间分布与种群变动过程。伍兹霍尔海洋研究所开发的自动流式细胞仪（FlowCytobot）在美国LEO-15海底观测站持续运行数月。美国蒙特利湾海洋研究所开发的环境样品处理系统（EnvironmentalSampleProcess，ESP），是基于分子生物学的生物传感器，集成了采样、样品处理与分析模块，可以进行非连续采样、富集生物、分子探针杂交、荧光检测等操作，结合特定的探针芯片，能够鉴定细菌、古菌、浮游植物、浮游动物等多个物种，已成功用于蒙特利湾、缅因湾等海域，并可在m水深工作数天。

法国。法国滨海自由城海洋学实验室的剖面浮标PROVBIO，在传统Argo浮标的基础上，搭载了多个生物光学传感器，提供大量高垂直分辨率的温度、盐度等参数剖面数据，并可同时观测叶绿素a荧光浓度等一系列光学参数，用于评估浮游植物生物量及初级生产力。

中国。中国对深海生物调查起步较晚，但随着“科学”号、“向阳红”系列调查船的投入使用，“蛟龙”号、“深海勇士”号、“奋斗者”号等载人深潜器，“发现”号、“海马”号等深海遥控潜水器的研发及应用，以及“海翼”号、“海燕”号等水下滑翔机不断突破技术瓶颈，中国已全面迈入深海生物调查的队伍中。自主研发了配套潜水器使用的各种采样设备及系统，可实现原位定点取样，构建了深海原位长期连续监测和现场原位实验平台。如利用潜水器及配套的高清影像设备、采样器、诱捕器等，多次对冷泉、热液、海山等深海生境进行了原位生物多样性调查及采样工作，获取了大量极端环境生物样品，并在原位进行了相应培养实验，实现了“室内模拟实验→海洋移动实验室→深海原位实验室”的跨越。中科院半导体研究所研制的浮游动物原位探测超分辨三维成像系统，可用于海洋生态科学研究及渔业资源评估，并已在南海海域进行了多次深海宏生物原位探测，最大工作深度达米。

三、深海生物基因开发与利用概述

随着深海探测和样品获取技术的发展，许多国家机构和国际组织、私人企业参与的深海生物研究计划正在逐步实施。国外对相关领域的研究走在了前列，自年起，由英国组织发起，美国、法国、澳大利亚、加拿大、挪威、西班牙等16个国家参与的INDEEP（Internationalnetworkforscientificinvestigationofdeep-seaecosystems）计划，率先展开深海大生态系统的研究，主要涉及生物分类学、生物多样性及连通性等方面的研究；由德国科学家PedroMartinezArbizu和美国科学家CraigSmith主持的CeDAMar(CensusofDiversityofAbyssalMarinelife)项目，包括17个国家56个组织参与其中，同样从深海海洋生物多样性普查研究入手，重点研究一些具有特殊代谢途径和代谢产物的物种。中国在近年启动了“深海生物资源计划”，主要围绕深海生物资源调查与新资源获取及研究，提升深海极端生物新菌种资源、基因资源、化合物资源的拥有量，并在此基础上深入开发深海微生物在生物医药、工业、农业等领域的应用潜力。

深海生物基因的开发主要集中在基因组测序方面，目前已测序的深海生物包括羽织虫、巨乌贼、深海贻贝等物种，深海特殊生境适应机制方面的研究仍相对较少。

美国。美国领衔完成了墨西哥湾的羽织虫（Lamellibrachialuymesi）的基因组研究。羽织虫主要栖息于深海热泉和冷泉口等极端环境，缺乏消化道，通过与可氧化硫化物的细菌共生来获取营养。因此，该动物造就了区域的独特生态栖息地，通过适应性辐射进化促成区域性的物种多样性，是研究共生关系的重要模型。研究发现羽织虫缺乏许多氨基酸合成所必须的基因，揭示了其依赖共生产物生存的遗传特征。反之，羽织虫能够通过血红蛋白携带硫化氢送达其硫营养型内共生体，来助其获得营养原料，与该功能相适应的是其血红蛋白B1基因明显发生扩张，编码的多种血红蛋白B1中具有一个游离的半胱氨酸残基，从而具有与硫化物结合的能力。另外，该研究发现Toll样受体途径是其耐受病原体和进行共生模式的必要基础。

丹麦。丹麦完成了巨乌贼（Architeuthisdux）的全基因组测序。巨乌贼是一种活动于全球深海区域（高纬度北极和南极海域除外）的巨型软体动物，由于极其难以捕捉而鲜有研究。哥本哈根大学通过解析巨乌贼全基因组序列，注释了个编码蛋白的基因，BUSCO评估的基因组完成度达92%。同时该研究对巨乌贼与其他后生动物中高度保守的基因家族（发育相关的转录因子和信号配基）进行分析，发现巨乌贼同样具有冠轮动物中原始的12个WNT基因（编码脂质修饰的分泌性糖基化蛋白）亚型（1，2，4，A，5，6，7，8，9，10，11，16）。原钙粘附蛋白是脊椎动物脑发育中的重要分子，头足类编码该蛋白的基因显著增加，在加州双斑蛸（Octopusbimaculoides）基因组中鉴别出个，而在环节动物和非头足类软体动物中仅有17-25个，此次在巨乌贼基因组中鉴别出个原钙粘附蛋白基因，意味着该基因在发育中的重要作用。另外，前期研究在夏威夷短尾乌贼（Euprymnascolopes）中首次报道了头足类特异性蛋白质—反射素（通过形成平面结构反射环境中的光线而调节颜色，从而实现交流和伪装的作用）。该研究发现巨乌贼基因组包含7个反射素基因和3个类反射素基因。

奥地利。奥地利采用高通量技术完成了深海贻贝的基因组测序。深海贻贝是生活于深海热泉和冷泉的主要生物，它适应极端环境的基础是其成功进化出与化能合成细菌共生的机制。这些细菌常常共生于这些贻贝的鳃上皮细胞，其中一些贻贝种类只与硫氧化细菌共生，从而能够利用硫化物作为能量来源；另一些贻贝种类只与甲烷氧化型细菌共生，从而利用甲烷作为能量来源；还有一些贻贝种类能够同时与两类细菌共生。为了能够更好的了解深海贻贝与细菌共生关系的遗传学基础，维也纳大学完成了硫氧化共生型深海贻贝的基因组测序，并与其近缘的非共生型和专性共生型基因组进行了比较。研究发现，大约有2.3%-7.6%的基因仅存在于硫氧化细菌贻贝共生体中，而在硫氧化细菌蛤蜊共生体和独立生活型细菌中均不存在，这些基因大多与毒素相关。这些深海贻贝共生体所独有的毒性相关基因的功能可能用于驱逐自然环境的敌害。

英国。英国科学家完成了深海鱼类圆吻突吻鳕（Coryphaenoidesrupestris）的基因组测序。圆吻突吻鳕具有广阔的栖息范围，分布深度可从米至米。杜伦大学RusHoelzel教授团队选择栖息于同一位置的米-0米水深的圆吻突吻鳕，对其全基因组进行测序，获得了具生物功能的编码基因。然后对4个不同深度（、0、、0米，每深度15条）的鱼进行了基因组重测序，揭示了0米深的鱼具有对深度适应的功能性基因，有助于进一步研究不同水平维度及垂直维度造成的多样化的海洋地理和栖息环境对物种形成的促进作用。

中国。年，我国研究人员首次完成了由载人深潜器“蛟龙”号在南海海域采集的深海贻贝（Bathymodiolusplatifrons）的基因组测序和注释，这也是首次发表的深海海底大生物的基因组。通过鳃的蛋白质组学分析，研究人员进一步证明了在深海环境中，深海贻贝及其共生体可通过甲烷氧化、同化硫酸盐还原和氨同化途径，在没有光合作用产物的深海环境获得营养。年，我国研究人员对生活在马里亚纳海沟米下的深海钝口拟狮子鱼（Pseudoliparisswirei）进行了形态学分析及基因组测序，研究涉及的狮子鱼样本由我国深渊科学考察船“探索一号”通过“天涯”、“海角”号深渊着陆器获得。该研究有助于阐明物种对于深海极端环境所做出的演化性适应，并为更深入的深海探索提供了线索。为进一步探索生物在极端黑暗的深渊生态环境中如何生存繁衍，研究人员从嗅觉系统入手，对钝口拟狮子鱼和其他硬骨鱼尤其是与其浅海近缘的细纹狮子鱼（Liparistanakae）进行比较分析，探讨脊椎动物在深渊环境中化学感应相关的适应变化。年，我国研究人员对“科学”号在冲绳热液和南海冷泉采集的柯氏潜铠虾（Shinkaiacrosnieri）进行研究，发现了热泉口和冷泉口30个柯氏潜铠虾个体的个SNP位点，其中有54个与群体的环境适应性特征有关，表明了自然选择对于该物种进化的驱动作用，进一步分析发现包含这些SNP位点的基因与多种生物过程相关。

四、深海微生物基础研究与利用概述

由于生存环境的特殊性（高温/低温、高压、高盐、寡营养等），深海微生物具有近海和陆地微生物所不具备的许多特殊功能，具有重大开发利用价值及战略意义。各海洋国家投入了巨大的人力物力进行深入系统研究，包括深海钻探计划（DSDP，-）、大洋钻探计划（ODP，-3）、综合大洋钻探计划（IODP，3-）、国际大洋发现计划（IODPII，-）、国际联合的TaraOceans计划、PacificOceanVirome（POV）计划、GlobalOceanSampling（GOS）expedition计划等，获取大量海洋微生物物种多样性和功能基因多样性的数据信息，并进行数据分析和挖掘。国际机构从深海微生物多样性调查、深海生态系统观测、地球生命起源与进化、系统生物学、深海生物地球化学过程等认知科学，到深海微生物资源获取、挖掘及其在人类健康、环境保护、生物技术、绿色农业、生物材料和工业催化与生物制造等领域应用，开展深海微生物资源勘探与利用研究。

中国是国际上少数几个能系统开展深海微生物及其基因资源调查的国家之一，依托国际海域科研调查队伍和调查平台，初步具备了开展深海微生物及其基因资源基础研究和应用潜力评估的深海微生物实验室和相关研究技术平台。在国际海域调查方面，发现多个新的热液区，开展硫化物资源等综合调查，微生物样品来源方面有较好基础。