對地球上的大多數(shù)生命來說,想要生存就得呼吸氧氣。我們現(xiàn)在呼吸的氧氣中,絕大部分都是生物產(chǎn)出的——比如植物的光合作用。但最重要的氧氣生產(chǎn)者卻不是我們熟悉的樹木,而是那些水中的微小生物,其中最重要的類群之一就是硅藻。 硅藻是一種極小的單細(xì)胞藻類,大多只有幾微米到幾十微米長,一根針尖上就能放下好幾顆。但如果你用顯微鏡觀察這些小生物,一定會(huì)為它們精致的外形所震驚——事實(shí)上,你看到的這些精美結(jié)構(gòu)是硅藻的細(xì)胞壁,也被稱為它的“硅制殼體”。
1500倍顯微鏡下的硅藻殼體(圖片來源:Massimo brizzi/Wikipedia)
(資料圖)
與植物或動(dòng)物不同,硅藻的細(xì)胞壁是二氧化硅制成的,準(zhǔn)確來說是水合二氧化硅,和歐泊(一種寶石)的成分一樣。與歐泊的變彩類似的是,硅藻的細(xì)胞壁也會(huì)呈現(xiàn)出絢爛的結(jié)構(gòu)色。
歐泊表面的變彩(圖片來源:Dpulitzer)
這樣的堅(jiān)硬外殼讓硅藻成為了地球上的絕對贏家,已知的硅藻種類就已經(jīng)超過了2萬種,它們盡情分布在全球各處的海洋、河流、湖泊中,你甚至能在溫泉或者南大洋里找到硅藻的身影。
如此廣泛的分布也帶來了巨大的生產(chǎn)力。根據(jù)估計(jì),在你呼吸的每一口空氣中,平均20%~30%的氧氣都是由硅藻生產(chǎn)的。這個(gè)數(shù)字甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了被譽(yù)為“地球之肺”的熱帶雨林。在生產(chǎn)氧氣的同時(shí),硅藻也在吸收著環(huán)境中的大量二氧化碳,將其儲(chǔ)存在海洋深處。 “硅藻是海洋中最重要的浮游生物之一,”GEOMAR亥姆霍茲海洋研究中心的海洋生物學(xué)家揚(yáng)·陶赫爾(Jan Taucher)這樣解釋自己對硅藻的濃厚興趣,“它們的任何變化都可能導(dǎo)致海洋食物網(wǎng)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變,甚至?xí)淖兒Q笞鳛樘紖R吸收二氧化碳的能力?!?/p>
Part.1
海水酸化
我們都知道的是,氣候變化正威脅著海洋生態(tài)。大氣中的二氧化碳溶解到海水中,會(huì)增加海水的酸度。對于那些擁有碳酸鹽殼體(主要是碳酸鈣)的海洋生物來說,這幾乎等于滅頂之災(zāi):在酸化的海水中,這些生物搭建碳酸鈣殼體的過程會(huì)消耗更多能量;而如果海水酸化加劇,碳酸根濃度降得過低,它們的碳酸鹽殼體甚至可能會(huì)被溶解掉——這正是許多地區(qū)的珊瑚和貝類正在經(jīng)歷的災(zāi)難。
隨著海水酸化加劇,許多海洋生物的碳酸鹽殼體正在受到威脅(圖片來源:NOAA)
然而,對于硅藻來說,氣候變化的故事要復(fù)雜得多。許多研究認(rèn)為,硅藻理論上擁有抵御海水酸化的能力,甚至還有可能從氣候變化中獲得好處。
一方面,作為一種能進(jìn)行光合作用的微生物,當(dāng)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,酸性環(huán)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”。 問題在于,這些都只是理論上的推測,即使是單細(xì)胞藻類也擁有非常復(fù)雜的生命體系,想要知道在氣候變化下硅藻更為具體和可能的命運(yùn),還需要進(jìn)一步的研究。最近,陶赫爾和同事發(fā)現(xiàn),以往對硅藻的討論往往遺漏了一個(gè)關(guān)鍵因素,而這一點(diǎn)很可能會(huì)威脅到硅藻的生存。
Part.2
供不應(yīng)求的硅
對海洋中的許多浮游生物來說,主要營養(yǎng)物質(zhì)(比如氮或鐵)的濃度決定了它們的分布。但硅藻更“看重”海水中的硅。 海水中的硅酸鹽一般處于不飽和狀態(tài),因此硅藻的殼體其實(shí)很容易被海水侵蝕、溶解。在硅藻活著的時(shí)候,會(huì)在殼體外分泌一層有機(jī)涂層,來提供保護(hù)。然而當(dāng)硅藻死亡后,這層保護(hù)涂層會(huì)被細(xì)菌降解掉。在殼體順著重力下落到海洋深處的過程中,殼體中的硅也釋放到“沿途”的海水中,這在一定程度上也彌補(bǔ)了表層海水中被硅藻消耗掉的硅。就這樣,硅藻本身就起到了“生物泵”的作用,像泵一樣將海水中的硅從表層運(yùn)到深層,再由全球海洋環(huán)流輸送回海洋表面,供給下一批硅藻使用。
顯微鏡下的硅藻像寶石一樣閃耀(圖片來源:Watson & Sons)
為了模擬氣候變化下海洋環(huán)境的變化,陶赫爾的研究團(tuán)隊(duì)采取了圍隔實(shí)驗(yàn)的方法:他們在5片海洋中分別隔出一塊海水,通過人工泵入泵出來維持正常的海水循環(huán)。這就像是在海洋中截取了5個(gè)巨大的試管,研究者可以向試管中輸入不同濃度的二氧化碳,來模擬不同程度的海洋酸化情景。 研究者在這5個(gè)試管內(nèi)模擬了中等排放場景(RCP 6.0)和高排放場景(完全不采取措施控制碳排放,RCP8.5)的海水酸化程度,結(jié)果顯示,海洋沉積物中硅與氮的比值平均增加了17%。也就是說,在更酸的海水中,有更多的硅質(zhì)殼體落到了沉積物中,而沒有溶解到海水里。
Part.3
硅藻的多米諾骨牌
進(jìn)一步的模型研究帶來了更大的憂慮。硅在海水中的分布主要受到“硅藻泵”和海洋環(huán)流運(yùn)輸兩個(gè)因素的影響。然而在海水嚴(yán)重酸化的情境下,殼體的溶解速度減慢,更多的硅藻死后殼體會(huì)直接沉入海底,并長期地沉積在那里,不能向上層海水補(bǔ)充足夠多的硅。海洋環(huán)流顯然補(bǔ)不上這份空缺,那么之后生長的硅藻就無法獲得足夠的硅來制造自己的外殼。
海水酸化會(huì)導(dǎo)致表層海水中的硅酸鹽濃度大幅減少(紅色代表增加,藍(lán)色代表減少,圖片來源:原論文)
模擬結(jié)果顯示,在高排放場景下,2200年海洋表層中的硅酸鹽濃度將下降約27%,這會(huì)直接導(dǎo)致硅藻的數(shù)量降低26%。如果失去了如此大量的初級生產(chǎn)者,地球上的其他生命也將受到巨大的影響。 在論文中,研究者更擔(dān)心的是“生態(tài)系統(tǒng)功能和碳循環(huán)的相關(guān)后果更難以評估”,目前的數(shù)據(jù)也沒有討論對生物鏈上其他消費(fèi)者的多米諾骨牌效應(yīng)。
圖片來源:Howard Lynk
但無論如何,這項(xiàng)研究結(jié)果在警告我們,地球系統(tǒng)中那些沒有被注意到的反饋機(jī)制,會(huì)如何改變我們對環(huán)境和生物變化的預(yù)測——我們?nèi)匀徊粔蛄私馕覀兊男乔蚝推渲械纳问绞侨绾蜗嗷プ饔玫摹?對陶赫爾來說,這個(gè)發(fā)現(xiàn)是一項(xiàng)令人心酸的驚喜:“這種驚喜一再提醒我們,如果我們不迅速果斷地應(yīng)對氣候變化,將面臨無法估量的風(fēng)險(xiǎn)?!?/p>
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