它们制造了地球20%的氧气，但如今正在死去

科学

2022-07-01 14:07

图中圆形的、长条的、方形的都是硅藻（图片来源：Gordon T. Taylor, Stony Brook University/Public Domain）

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撰文｜二七

审校｜王昱

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。”

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。

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。

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。

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。

图片来源：Howard Lynk

但无论如果，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。”

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