Jul 08, 2015
浮游植物，大量存在于地球上各个海洋中的单细胞游走植物，是海洋和天空不为人知的基石。 它们是许多海洋食物网的基础，也是十分重要的氧气生产者和名副其实的碳海绵。
世界上的 50% 的氧气由浮游植物和海洋植物通过光合作用过程产生。 海洋每年都能从表面将约 5 到 15 吨的大气二氧化碳转移到内部，浮游植物在这一过程中也发挥了至关重要的作用。
然而，浮游植物本身十分脆弱，很容易因过度暴露于紫外线之下而遭到破坏。 随着全球气温逐渐变暖，风暴愈发强劲、频繁，浮游植物常常被搅到表面，导致损伤 DNA 的紫外线的暴露量增加。 晒伤的浮游植物无法正常进行光合作用，释放氧气和吸收二氧化碳的能力随之减弱。 这将产生极为有害的全球影响，因为有研究表明，海洋碳循环可去除大气中多达一半的人类活动产生的二氧化碳排放量。
史密森尼光生物学家帕特•尼尔研究浮游生物的光合作用已有 30 余年，包括在马里兰切萨皮克湾史密森尼环境研究中心 (SERC) 以及在南极洲周边水域。 对于不同水平的紫外线暴露量如何降低或抑制浮游植物的光合作用系统，及它们作为氧气生产者和二氧化碳吸收者的效力，他的研究工作帮助还设定了一个基准。
“两极地区引起了对全球气候变化感兴趣的人士的广泛关注，因为它们处于气候边缘，是第一反应者，”帕特说。 “变化首先影响的是这些地区。 我们的实验目的是更好地了解紫外线如何影响极地浮游植物及其在南极的生产力。”
浮游植物占领着海面以下相对狭窄的一层，深度从浑浊的沿海水中里的几米到大洋中的数百米不等。 这一层大部分区域的深度足以保护他们免受紫外线损伤。 海洋混合，或者在地球表面起风时深水的垂直搅动，都属于正常的海洋过程，而通过定期暴露，浮游生物也逐渐适应，能够修复中等水平的紫外线损伤。 但是，由于不断变化的天气模式和改变的海洋混合常常将浮游生物带到表面，它们的修复和光合作用机制逐渐受损。
“如果经常发生搅动，以至于它们在下一次暴露之前来不及进行修复，则可能会加剧抑制效果，”帕特说。 “超级计算机模型允许我们非常逼真地模拟在浮游生物栖息的表面混合层的运动，而这是我们在现实生活中无法实现的，因为我们不能通过标记浮游植物来研究各个细胞发生了什么。”
帕特与来自缅因州布斯贝港毕格罗海洋科学实验室的约翰•卡伦 (John Cullen) 和迈克尔•莱塞 (Michael Lesser) 合作开发了一种被称为“光抑制设备”的实验装置。 该装置在实验室上下被称为“野兽”，可同时将 120 种不同的浮游植物样本暴露于不同水平的紫外线辐射中——之前的方法一次只能对少数样本进行辐照。 尼尔通过大量的迭代工作，创建了一个巨大的数据库，其中记录了许多已知的暴露效应，他和其他研究人员可用以与实地测量数据进行对比。 观察浮游植物的最佳地点之一就是地球上最极端的环境之一： 南极洲。
长期以来，这一冰冻的大洲及其海洋都是国际浮游植物研究的目的地。 那里的水域被国际条约指定为科学研究资产，由于从全球洋流中积累的氮、磷、铁等元素，其中一些浮游植物的浓度属世界之最。 浮游生物的季节性大量繁殖，可产生大量氧气，同时消耗等量的碳。
自 20 世纪 90 年代以来，不仅在新西兰、智利和阿根廷的实验站，帕特还在美国国家科学基金会 (National Science Foundation) 破冰船纳撒尼尔•B•帕尔默号 (Nathaniel B. Palmer) 上收集样本并南极洲罗斯海开展测试。 他最近一次探险是在 2006 年，当时他获得了另一层面的实地结果，加之目前正在进行的实验室工作，使他开发出了多个数学模型，通过这些模型，只需要通过测量大气中的紫外线水平，即可预测浮游植物不同水平的活动。
在帕尔默号上，来自其他几个国家的科学家们能够将帕特的三个光抑制装置用于自身的研究工作中。 各国科学家之间能够继续合作，对于开展像帕特这样的有真正全球影响的研究而言至关重要。
“我们（在南极洲）的工作有助于创建多种模型，用于预测在不同气候变化场景下浮游植物的生产力，”帕特说道。 “从本质上讲，对全球气候变化的研究属于国际性事业，因此，对于在南极洲工作的任何人而言，国际合作都十分必要。”
浮游植物及其他海洋植物帮助消除大气中碳的能力称之为生物碳泵——通过相互作用推动海洋碳循环的多个化学和生物过程之一。 为清除并封存二氧化碳，浮游植物将从海水中抽出溶解的二氧化碳，并通过光合作用分解碳和氧分子。 浮游植物释放氧气，但会使用碳分子来维护和补充细胞结构。 部分碳随着动物食用浮游生物而沿着食物链向上移动，但大部分将落入海底而废弃。
“海洋吸收二氧化碳，但只是在水中溶解了二氧化碳。 即使能够奇迹般地减少大气中的二氧化碳，海洋又会将它填满，”帕特说道。 “将二氧化碳从海洋中清除的唯一办法就是放入能够沉入海底、埋在泥沙中的东西。”
但随着大气中二氧化碳含量的增加，海洋酸度也随之升高，这可能会进一步限制浮游植物去除大气中二氧化碳的能力。 帕特的工作有助于人们理解可能有助于减少海洋碳循环的因素。
“海洋中浮游植物的反应非常重要，因为它参与碳循环，因而可帮助调节大气，”帕特解释说。 “浮游植物生产力发生任何改变，都会产生一定后果。 我们不确定到底有哪些后果，但我们能做的就是提高对浮游植物如何应对不同因素的认识。”
