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對地球上的大多數生命來說，想要生存就得呼吸氧氣。我們(men) 現在呼吸的氧氣中，絕大部分都是生物產(chan) 出的——比如植物的光合作用。但最重要的氧氣生產(chan) 者卻不是我們(men) 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矽藻。 矽藻是一種極小的單細胞藻類，大多隻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(hui) 為(wei) 它們(men) 精致的外形所震驚——事實上，你看到的這些精美結構是矽藻的細胞壁，也被稱為(wei) 它的“矽製殼體(ti) ”。

1500倍顯微鏡下的矽藻殼體(ti) （圖片來源：Massimo brizzi/Wikipedia）

與(yu) 植物或動物不同，矽藻的細胞壁是二氧化矽製成的，準確來說是水合二氧化矽，和歐泊（一種寶石）的成分一樣。與(yu) 歐泊的變彩類似的是，矽藻的細胞壁也會(hui) 呈現出絢爛的結構色。

歐泊表麵的變彩（圖片來源：Dpulitzer）

這樣的堅硬外殼讓矽藻成為(wei) 了地球上的絕對贏家，已知的矽藻種類就已經超過了2萬(wan) 種，它們(men) 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裏找到矽藻的身影。

如此廣泛的分布也帶來了巨大的生產(chan) 力。根據估計，在你呼吸的每一口空氣中，平均20%~30%的氧氣都是由矽藻生產(chan) 的。這個(ge) 數字甚至遠遠超過了被譽為(wei) “地球之肺”的熱帶雨林。在生產(chan) 氧氣的同時，矽藻也在吸收著環境中的大量二氧化碳，將其儲(chu) 存在海洋深處。 “矽藻是海洋中最重要的浮遊生物之一，”GEOMAR亥姆霍茲(zi) 海洋研究中心的海洋生物學家揚·陶赫爾（Jan Taucher）這樣解釋自己對矽藻的濃厚興(xing) 趣，“它們(men) 的任何變化都可能導致海洋食物網發生重大轉變，甚至會(hui) 改變海洋作為(wei) 碳匯吸收二氧化碳的能力。”

Part.1

海水酸化

我們(men) 都知道的是，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(hui) 增加海水的酸度。對於(yu) 那些擁有碳酸鹽殼體(ti) （主要是碳酸鈣）的海洋生物來說，這幾乎等於(yu) 滅頂之災：在酸化的海水中，這些生物搭建碳酸鈣殼體(ti) 的過程會(hui) 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(men) 的碳酸鹽殼體(ti) 甚至可能會(hui) 被溶解掉——這正是許多地區的珊瑚和貝類正在經曆的災難。

隨著海水酸化加劇，許多海洋生物的碳酸鹽殼體(ti) 正在受到威脅（圖片來源：NOAA）

然而，對於(yu) 矽藻來說，氣候變化的故事要複雜得多。許多研究認為(wei) ，矽藻理論上擁有抵禦海水酸化的能力，甚至還有可能從(cong) 氣候變化中獲得好處。

一方麵，作為(wei) 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，矽藻就更容易吸收二氧化碳，提高光合作用的速率。另一方麵，酸性環境能降低二氧化矽的溶解速率，因此矽藻能更省力地搭建起自己的“矽製小屋”。 問題在於(yu) ，這些都隻是理論上的推測，即使是單細胞藻類也擁有非常複雜的生命體(ti) 係，想要知道在氣候變化下矽藻更為(wei) 具體(ti) 和可能的命運，還需要進一步的研究。最近，陶赫爾和同事發現，以往對矽藻的討論往往遺漏了一個(ge) 關(guan) 鍵因素，而這一點很可能會(hui) 威脅到矽藻的生存。

Part.2

供不應求的矽

對海洋中的許多浮遊生物來說，主要營養(yang) 物質（比如氮或鐵）的濃度決(jue) 定了它們(men) 的分布。但矽藻更“看重”海水中的矽。 海水中的矽酸鹽一般處於(yu) 不飽和狀態，因此矽藻的殼體(ti) 其實很容易被海水侵蝕、溶解。在矽藻活著的時候，會(hui) 在殼體(ti) 外分泌一層有機塗層，來提供保護。然而當矽藻死亡後，這層保護塗層會(hui) 被細菌降解掉。在殼體(ti) 順著重力下落到海洋深處的過程中，殼體(ti) 中的矽也釋放到“沿途”的海水中，這在一定程度上也彌補了表層海水中被矽藻消耗掉的矽。 就這樣，矽藻本身就起到了“生物泵”的作用，像泵一樣將海水中的矽從(cong) 表層運到深層，再由全球海洋環流輸送回海洋表麵，供給下一批矽藻使用。

顯微鏡下的矽藻像寶石一樣閃耀（圖片來源：Watson & Sons）

為(wei) 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(men) 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(ge) 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(ge) 試管內(nei) 模擬了中等排放場景（RCP 6.0）和高排放場景（完全不采取措施控製碳排放，RCP8.5）的海水酸化程度，結果顯示，海洋沉積物中矽與(yu) 氮的比值平均增加了17%。也就是說，在更酸的海水中，有更多的矽質殼體(ti) 落到了沉積物中，而沒有溶解到海水裏。

Part.3

矽藻的多米諾骨牌

進一步的模型研究帶來了更大的憂慮。矽在海水中的分布主要受到“矽藻泵”和海洋環流運輸兩(liang) 個(ge) 因素的影響。然而在海水嚴(yan) 重酸化的情境下，殼體(ti) 的溶解速度減慢，更多的矽藻死後殼體(ti) 會(hui) 直接沉入海底，並長期地沉積在那裏，不能向上層海水補充足夠多的矽。海洋環流顯然補不上這份空缺，那麽(me) 之後生長的矽藻就無法獲得足夠的矽來製造自己的外殼。

海水酸化會(hui) 導致表層海水中的矽酸鹽濃度大幅減少（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年海洋表層中的矽酸鹽濃度將下降約27%，這會(hui) 直接導致矽藻的數量降低26%。如果失去了如此大量的初級生產(chan) 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“生態係統功能和碳循環的相關(guan) 後果更難以評估”，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。

圖片來源：Howard Lynk

但無論如何，這項研究結果在警告我們(men) ，地球係統中那些沒有被注意到的反饋機製，會(hui) 如何改變我們(men) 對環境和生物變化的預測——我們(men) 仍然不夠了解我們(men) 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(ge) 發現是一項令人心酸的驚喜：“這種驚喜一再提醒我們(men) ，如果我們(men) 不迅速果斷地應對氣候變化，將麵臨(lin) 無法估量的風險。”

來源：環球科學

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