自然科普:它制造了地球20%的氧气,但如今正在死去…
来源:环球科学
发布时间:2022-08-04
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对地球上的大多数生命来说,想要生存就得呼吸氧气。我们现在呼吸的氧气中,绝大部分都是生物产出的——比如植物的光合作用。但最重要的氧气生产者却不是我们熟悉的树木,而是那些水中的微小生物,其中最重要的类群之一就是硅藻。 硅藻是一种极小的单细胞藻类,大多只有几微米到几十微米长,一根针尖上就能放下好几颗。但如果你用显微镜观察这些小生物,一定会为它们精致的外形所震惊——事实上,你看到的这些精美结构是硅藻的细胞壁,也被称为它的“硅制壳体”。

1500倍显微镜下的硅藻壳体(图片来源:Massimo brizzi/Wikipedia)

与植物或动物不同,硅藻的细胞壁是二氧化硅制成的,准确来说是水合二氧化硅,和欧泊(一种宝石)的成分一样。与欧泊的变彩类似的是,硅藻的细胞壁也会呈现出绚烂的结构色。

欧泊表面的变彩(图片来源:Dpulitzer)

这样的坚硬外壳让硅藻成为了地球上的绝对赢家,已知的硅藻种类就已经超过了2万种,它们尽情分布在全球各处的海洋、河流、湖泊中,你甚至能在温泉或者南大洋里找到硅藻的身影。

如此广泛的分布也带来了巨大的生产力。根据估计,在你呼吸的每一口空气中,平均20%~30%的氧气都是由硅藻生产的。这个数字甚至远远超过了被誉为“地球之肺”的热带雨林。在生产氧气的同时,硅藻也在吸收着环境中的大量二氧化碳,将其储存在海洋深处。 “硅藻是海洋中最重要的浮游生物之一,”GEOMAR亥姆霍兹海洋研究中心的海洋生物学家扬·陶赫尔(Jan Taucher)这样解释自己对硅藻的浓厚兴趣,“它们的任何变化都可能导致海洋食物网发生重大转变,甚至会改变海洋作为碳汇吸收二氧化碳的能力。”

Part.1

海水酸化

我们都知道的是,气候变化正威胁着海洋生态。大气中的二氧化碳溶解到海水中,会增加海水的酸度。对于那些拥有碳酸盐壳体(主要是碳酸钙)的海洋生物来说,这几乎等于灭顶之灾:在酸化的海水中,这些生物搭建碳酸钙壳体的过程会消耗更多能量;而如果海水酸化加剧,碳酸根浓度降得过低,它们的碳酸盐壳体甚至可能会被溶解掉——这正是许多地区的珊瑚和贝类正在经历的灾难。

随着海水酸化加剧,许多海洋生物的碳酸盐壳体正在受到威胁(图片来源:NOAA)

然而,对于硅藻来说,气候变化的故事要复杂得多。许多研究认为,硅藻理论上拥有抵御海水酸化的能力,甚至还有可能从气候变化中获得好处。

一方面,作为一种能进行光合作用的微生物,当海水中溶解的二氧化碳增多,硅藻就更容易吸收二氧化碳,提高光合作用的速率。另一方面,酸性环境能降低二氧化硅的溶解速率,因此硅藻能更省力地搭建起自己的“硅制小屋”。 问题在于,这些都只是理论上的推测,即使是单细胞藻类也拥有非常复杂的生命体系,想要知道在气候变化下硅藻更为具体和可能的命运,还需要进一步的研究。最近,陶赫尔和同事发现,以往对硅藻的讨论往往遗漏了一个关键因素,而这一点很可能会威胁到硅藻的生存。

Part.2

供不应求的硅

对海洋中的许多浮游生物来说,主要营养物质(比如氮或铁)的浓度决定了它们的分布。但硅藻更“看重”海水中的硅。 海水中的硅酸盐一般处于不饱和状态,因此硅藻的壳体其实很容易被海水侵蚀、溶解。在硅藻活着的时候,会在壳体外分泌一层有机涂层,来提供保护。然而当硅藻死亡后,这层保护涂层会被细菌降解掉。在壳体顺着重力下落到海洋深处的过程中,壳体中的硅也释放到“沿途”的海水中,这在一定程度上也弥补了表层海水中被硅藻消耗掉的硅。 就这样,硅藻本身就起到了“生物泵”的作用,像泵一样将海水中的硅从表层运到深层,再由全球海洋环流输送回海洋表面,供给下一批硅藻使用。

显微镜下的硅藻像宝石一样闪耀(图片来源:Watson & Sons)

为了模拟气候变化下海洋环境的变化,陶赫尔的研究团队采取了围隔实验的方法:他们在5片海洋中分别隔出一块海水,通过人工泵入泵出来维持正常的海水循环。这就像是在海洋中截取了5个巨大的试管,研究者可以向试管中输入不同浓度的二氧化碳,来模拟不同程度的海洋酸化情景。 研究者在这5个试管内模拟了中等排放场景(RCP 6.0)和高排放场景(完全不采取措施控制碳排放,RCP8.5)的海水酸化程度,结果显示,海洋沉积物中硅与氮的比值平均增加了17%。也就是说,在更酸的海水中,有更多的硅质壳体落到了沉积物中,而没有溶解到海水里。

Part.3

硅藻的多米诺骨牌

进一步的模型研究带来了更大的忧虑。硅在海水中的分布主要受到“硅藻泵”和海洋环流运输两个因素的影响。然而在海水严重酸化的情境下,壳体的溶解速度减慢,更多的硅藻死后壳体会直接沉入海底,并长期地沉积在那里,不能向上层海水补充足够多的硅。海洋环流显然补不上这份空缺,那么之后生长的硅藻就无法获得足够的硅来制造自己的外壳。

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海水酸化会导致表层海水中的硅酸盐浓度大幅减少(红色代表增加,蓝色代表减少,图片来源:原论文)

模拟结果显示,在高排放场景下,2200年海洋表层中的硅酸盐浓度将下降约27%,这会直接导致硅藻的数量降低26%。如果失去了如此大量的初级生产者,地球上的其他生命也将受到巨大的影响。 在论文中,研究者更担心的是“生态系统功能和碳循环的相关后果更难以评估”,目前的数据也没有讨论对生物链上其他消费者的多米诺骨牌效应。

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图片来源:Howard Lynk

但无论如何,这项研究结果在警告我们,地球系统中那些没有被注意到的反馈机制,会如何改变我们对环境和生物变化的预测——我们仍然不够了解我们的星球和其中的生命形式是如何相互作用的。 对陶赫尔来说,这个发现是一项令人心酸的惊喜:“这种惊喜一再提醒我们,如果我们不迅速果断地应对气候变化,将面临无法估量的风险。”

来源:环球科学



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