科学家首次对球石载体碳提取进行实地观察

球藻是一种全球无处不在的浮游植物，在海洋和大气之间的碳循环中起着至关重要的作用。Bigelow海洋科学实验室的新研究表明，这些重要的微生物可以通过吸收溶解的有机碳形式在弱光条件下生存，迫使研究人员重新考虑驱动海洋碳循环的过程。研究结果于本周发表在《科学进展》上。

从溶解的有机碳的直接吸收中提取碳的能力被称为渗透营养。尽管科学家以前曾使用实验室培养的培养物观察到球虫的渗透营养，但这是自然界中这种现象的第一个证据。

该团队由高级研究科学家William Balch领导，在大西洋西北部的球藻种群中进行实验。他们测量了浮游植物以三种不同的有机化合物为食的速度，每种化合物都标有化学标记物来跟踪它们。溶解的化合物被球藻用作构成其单细胞的有机组织的碳源，以及它们在自身周围分泌的称为球石的无机矿物板。与浮游植物通过光合作用吸收碳的速度相比，有机化合物的吸收速度较慢。但这并非不可忽视。

“球藻并没有通过吸收这些溶解的有机物质来赢得任何'生长竞赛'，”Balch说。“他们只是在勉强生存，但他们仍然可以成长，尽管速度很慢。

植物，如球藻，通常通过光合作用从大气中提取的无机形式的碳(如二氧化碳和碳酸氢盐)中获取碳以进行生长。当球藻死亡时，它们会下沉，将所有碳带到海底，在那里可以重新矿化或掩埋，有效地将其封存数百万年。这个过程被称为生物碳泵。

作为称为碱度泵的平行过程的一部分，球藻藻还将地表水中的碳酸氢盐分子转化为碳酸钙 - 基本上是石灰石 - 形成它们的保护性球石。同样，当它们死亡和沉没时，所有致密的无机碳都被压载到海底。然后，其中一些溶解回碳酸氢盐，从而将碱度从表面“泵”到深处。

但新的证据表明，球藻不只是在地表附近使用这些无机形式的碳。他们还吸收溶解的有机碳，这是海洋中最大的有机碳库，并将其中的一部分固定在球石中，最终沉入深海。这表明，这些自由漂浮的有机化合物的吸收是生物和碱度泵的另一个步骤，这些泵驱动碳从海洋表面运输到下面的深处。

“海洋中有这种大的溶解有机碳源，我们一直认为它与海洋中的碳酸盐循环无关，”Balch说。“现在我们说，进入深度的碳的一部分实际上来自巨大的溶解有机碳池。

这是作为三年项目的一部分发表的第三篇也是最后一篇论文。整体努力的灵感来自巴尔奇母校斯克里普斯海洋学研究所的研究生威廉·布兰克利(William Blankley)数十年前的一篇论文。在1960年代，布兰克利能够在黑暗中生长球藻60天，喂它们甘油，这是本研究中使用的有机化合物之一。不幸的是，他的研究还没来得及发表就去世了。Balch说，布兰克利的发现可以在这么多年后用新技术重现，这一事实归功于早期工作的质量。

然而，最新研究的真正挑战是在受控实验室环境之外进行这项研究。该团队必须设计一种方法来测量海水中的这些有机化合物 - 环境浓度比Blankley实验低几个数量级 - 然后跟踪它们如何被野生球藻吸收。

“当你在实验室培养浮游植物时，你可以随心所欲地生长。但在海洋中，你拿走你得到的东西，“巴尔奇说。“挑战在于在所有噪音中找到一个信号，证明是球虫将这些有机分子吸收到它们的球石中。

虽然目前的项目已经完成，但Balch说，下一步是检查球藻是否能够以与迄今为止测试的三种相同的速度吸收海水中发现的其他有机化合物。尽管在这些实验中，球藻以缓慢的速度使用三种溶解的化合物，但海水中还有数千种其他有机分子可以潜在地吸收。如果他们使用更多的碳，这一发现可能会被证明是理解全球碳循环的更重要的一步。