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它們制造了地球 20% 的氧氣,但如今正在消失

發布時間:2024-11-29 05:51:59 來源:科普中國 字號: [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

地球上的大多數生命,都需要依賴氧氣才能生存。但最重要的氧氣生產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,一定會為它們精致的外形所震驚——事實上,你看到的這些精美結構是硅藻的細胞壁,也被稱為它的“硅制殼”。

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1500 倍顯微鏡下的硅藻殼體(圖片來源:Massimo brizzi/Wikipedia)

與植物或動物不同,硅藻的細胞壁是二氧化硅制成的,準確來說是水合二氧化硅,和歐泊(一種寶石)的成分一樣。而且與歐泊類似,硅藻的細胞壁也會呈現出絢爛的結構色。

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歐泊表面的變彩(圖片來源:Dpulitzer)

這樣的堅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力。根據估計,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的。這個數字甚至遠遠超過了被譽為“地球之肺”的熱帶雨林。

“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家揚·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致海洋食物網發生重大轉變,甚至會改變海洋作為碳匯吸收二氧化碳的能力。”

海水酸化

我們都知道,氣候變化正威脅著海洋生態。大氣中的二氧化碳溶解到海水中,會增加海水的酸度。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:如果海水酸化加劇,它們的碳酸鹽殼體可能會被溶解——這正是許多地區的珊瑚和貝類正在經歷的災難。

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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雜得多。許多研究認為,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,作為一種能進行光合作用的微生物,當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。最近,陶赫爾和同事發現,以往對硅藻的討論往往遺漏了一個關鍵因素,而這一點很可能會威脅到硅藻的生存

供不應求的硅

對海洋中的許多浮游生物來說,主要營養物質(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

海水中的硅酸鹽一般處于不飽和狀態,因此硅藻的殼體其實很容易被海水侵蝕、溶解。在硅藻活著的時候,會在殼體外分泌一層有機涂層,來提供保護。然而當硅藻死亡后,這層保護涂層會被細菌降解掉。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到深層,再由全球海洋環流輸送回海洋表面,供給下一批硅藻使用。

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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境的變化,陶赫爾的研究團隊采取了圍隔實驗的方法: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。這就像是在海洋中截取了 5 個巨大的試管,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。結果顯示,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,有更多的硅質殼體落到了沉積物中,而沒有溶解到海水里。

硅藻的多米諾骨牌

進一步的模型研究帶來了更大的憂慮。在海水嚴重酸化的情境下,殼體的溶解速度減慢,更多的硅藻死后殼體會直接沉入海底,并長期沉積在那里。海洋環流顯然補不上這份空缺,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。

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海水酸化會導致表層海水中的硅酸鹽濃度大幅減少(紅色代表增加,藍色代表減少,圖片來源:原論文)

模擬結果顯示,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%,這會直接導致硅藻的數量降低 26%。如果失去了如此大量的初級生產者,地球上的其他生命也將受到巨大的影響。

在論文中,研究者更擔心的是“生態系統功能和碳循環的相關后果更難以評估”,目前的數據也沒有討論對生物鏈上其他消費者的多米諾骨牌效應。

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圖片來源:Howard Lynk

但無論如何,這項研究結果在警告我們,地球系統中那些沒有被注意到的反饋機制,會如何改變我們對環境和生物變化的預測——我們仍然不夠了解我們的星球和其中的生命形式是如何相互作用的。

對陶赫爾來說,這個發現是一項令人心酸的驚喜:“這種驚喜一再提醒我們,如果我們不迅速果斷地應對氣候變化,將面臨無法估量的風險。”

策劃制作

來源丨環球科學(ID:huanqiukexue)

作者丨二七

責編丨王夢如

審校丨徐來 林林

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