海洋會“吃鐵”：我們呼吸的一半氧氣或仰賴落入海中的鐵塵

美國拉特格斯大學(xué)的海洋科學(xué)家近日發(fā)表研究指出，人類每吸入兩口氣，就有一口氧氣來自海洋中的微型藻類，而這些藻類進行光合作用的效率，在很大程度上取決于從陸地吹入海洋的含鐵塵埃與來自冰川融水的鐵元素供應(yīng)。 研究團隊利用在新澤西州開發(fā)的專用儀器，首次在南大洋的真實環(huán)境中，直接觀測鐵元素短缺如何削弱浮游植物的光合作用并減慢光能向氧氣的轉(zhuǎn)化過程。

鐵是海洋浮游植物必需的微量營養(yǎng)元素，這些微型藻類位于海洋食物網(wǎng)的最底層，通過光合作用釋放氧氣并固定二氧化碳，為海洋生態(tài)系統(tǒng)和全球氣候調(diào)節(jié)提供基礎(chǔ)支持。 大量鐵以風(fēng)吹沙塵的形式從沙漠和干旱地區(qū)進入海洋，也有部分來自極地冰川融水，但這些來源在氣候變化背景下存在減弱風(fēng)險。 研究合著者、拉特格斯大學(xué)學(xué)者保羅·G·法爾科夫斯基指出，鐵在廣闊海域中構(gòu)成浮游植物產(chǎn)氧能力的關(guān)鍵限制因素，“每兩口呼吸中就有一口氧是它們制造的”。

當(dāng)鐵元素在海水中減少甚至耗盡時，浮游植物的光合作用會明顯放緩甚至停止，導(dǎo)致其生長受限，同時降低其利用陽光和吸收大氣二氧化碳的效率。 法爾科夫斯基表示，現(xiàn)有證據(jù)表明，氣候變化正在重塑海洋環(huán)流格局，可能減少輸送至海洋的鐵含量；盡管這不會直接讓人類“缺氧”，但卻可能給海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來深遠(yuǎn)影響。 浮游植物是南大洋磷蝦等小型甲殼類動物的主要食物，而磷蝦又支撐著企鵝、海豹、海象和鯨類等大型動物，一旦鐵供應(yīng)不足導(dǎo)致基礎(chǔ)生產(chǎn)力下降，食物鏈高端的這些“海洋巨獸”數(shù)量也可能因此減少。

長期以來，科學(xué)界普遍懷疑鐵在海洋光合作用中扮演關(guān)鍵角色，但關(guān)于這一過程在自然環(huán)境中如何具體運作，仍缺乏系統(tǒng)觀測，多數(shù)研究停留在實驗室尺度。 為彌補這一空白，該論文第一作者、拉特格斯大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)系博士生赫莎妮·普普勒瓦泰在2023至2024年間隨英國科考船在南大西洋及南大洋開展為期37天的航次，從南非海岸一路抵達韋德爾環(huán)流邊緣冰區(qū)再折返，沿線采集并分析海水樣本。

在航行過程中，普普勒瓦泰使用由拉特格斯團隊定制的熒光計，測量浮游植物在不同海域的熒光信號，以判斷當(dāng)光合作用受阻時有多少光能以熒光形式被“浪費”掉。 隨后，她向部分樣本中補充包括鐵在內(nèi)的營養(yǎng)鹽，以檢驗光合作用過程能否被“重新啟動”。 研究發(fā)現(xiàn)，在鐵受限條件下，最多約25%的集光蛋白會與能量轉(zhuǎn)換中心“脫耦”，直接導(dǎo)致能量傳遞鏈條效率下降，一部分本應(yīng)用于驅(qū)動光合作用的能量被迫以熒光形式釋放。

當(dāng)重新向海水樣本補充鐵元素后，浮游植物的內(nèi)部集光系統(tǒng)得以重新“接上電路”，光能與光化學(xué)中心的耦合程度恢復(fù)，光合作用效率和生長潛力隨之提升。 普普勒瓦泰強調(diào)，這項工作在海上、以原位樣本完成了對鐵脅迫效應(yīng)的量化，無需回到實驗室進行額外分子提取，就在野外直接捕捉到光能利用效率的變化。 她表示，深入理解鐵在分子層面如何影響光合作用，不僅有助于預(yù)測未來海洋生產(chǎn)力的變化，也將為全球碳循環(huán)和氣候模型提供更精確的參數(shù)依據(jù)。

這項研究以“自然海洋浮游植物群落在鐵脅迫下激發(fā)能量與光化學(xué)偶聯(lián)”為題，已發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》（PNAS），論文顯示，在氣候變暖和海洋環(huán)境變化持續(xù)發(fā)展的背景下，圍繞鐵循環(huán)的細(xì)微變化，可能隱藏著左右海洋生態(tài)結(jié)構(gòu)與大氣二氧化碳平衡的重要“杠桿”。 研究由英國自然環(huán)境研究委員會及相關(guān)科研機構(gòu)資助，進一步凸顯在全球變暖時代觀察和理解海洋微觀過程的迫切性。

編譯自/ScitechDaily