它制造了地球20%的氧氣，但如今正在死去…

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(jié)構(gòu)是硅藻的細胞壁，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）

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。與歐泊的變彩類似的是，硅藻的細胞壁也會呈現(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，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。這個數(shù)字甚至遠遠超過了被譽為“地球之肺”的熱帶雨林。在生產(chǎn)氧氣的同時，硅藻也在吸收著環(huán)境中的大量二氧化碳，將其儲存在海洋深處。 “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(wǎng)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，甚至會改變海洋作為碳匯吸收二氧化碳的能力。”

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：在酸化的海水中，這些生物搭建碳酸鈣殼體的過程會消耗更多能量；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(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，即使是單細胞藻類也擁有非常復雜的生命體系，想要知道在氣候變化下硅藻更為具體和可能的命運，還需要進一步的研究。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關(guān)鍵因素，而這一點很可能會威脅到硅藻的生存。

Part.2

供不應求的硅

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(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(huán)。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。 研究者在這5個試管內(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)流運輸兩個因素的影響。然而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，并長期地沉積在那里，不能向上層海水補充足夠多的硅。海洋環(huán)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。

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(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%，這會直接導致硅藻的數(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者的多米諾骨牌效應。

圖片來源：Howard Lynk

但無論如何，這項研究結(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制，會如何改變我們對環(huán)境和生物變化的預測——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，這個發(fā)現(xiàn)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。”

來源：環(huán)球科學

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