海洋会“吃铁”：我们呼吸的一半氧气或仰赖落入海中的铁尘

美国拉特格斯大学的海洋科学家近日发表研究指出，人类每吸入两口气，就有一口氧气来自海洋中的微型藻类，而这些藻类进行光合作用的效率，在很大程度上取决于从陆地吹入海洋的含铁尘埃与来自冰川融水的铁元素供应。 研究团队利用在新泽西州开发的专用仪器，首次在南大洋的真实环境中，直接观测铁元素短缺如何削弱浮游植物的光合作用并减慢光能向氧气的转化过程。

铁是海洋浮游植物必需的微量营养元素，这些微型藻类位于海洋食物网的最底层，通过光合作用释放氧气并固定二氧化碳，为海洋生态系统和全球气候调节提供基础支持。 大量铁以风吹沙尘的形式从沙漠和干旱地区进入海洋，也有部分来自极地冰川融水，但这些来源在气候变化背景下存在减弱风险。 研究合著者、拉特格斯大学学者保罗·G·法尔科夫斯基指出，铁在广阔海域中构成浮游植物产氧能力的关键限制因素，“每两口呼吸中就有一口氧是它们制造的”。

当铁元素在海水中减少甚至耗尽时，浮游植物的光合作用会明显放缓甚至停止，导致其生长受限，同时降低其利用阳光和吸收大气二氧化碳的效率。 法尔科夫斯基表示，现有证据表明，气候变化正在重塑海洋环流格局，可能减少输送至海洋的铁含量；尽管这不会直接让人类“缺氧”，但却可能给海洋生态系统带来深远影响。 浮游植物是南大洋磷虾等小型甲壳类动物的主要食物，而磷虾又支撑着企鹅、海豹、海象和鲸类等大型动物，一旦铁供应不足导致基础生产力下降，食物链高端的这些“海洋巨兽”数量也可能因此减少。

长期以来，科学界普遍怀疑铁在海洋光合作用中扮演关键角色，但关于这一过程在自然环境中如何具体运作，仍缺乏系统观测，多数研究停留在实验室尺度。 为弥补这一空白，该论文第一作者、拉特格斯大学化学与化学生物学系博士生赫莎妮·普普勒瓦泰在2023至2024年间随英国科考船在南大西洋及南大洋开展为期37天的航次，从南非海岸一路抵达韦德尔环流边缘冰区再折返，沿线采集并分析海水样本。

在航行过程中，普普勒瓦泰使用由拉特格斯团队定制的荧光计，测量浮游植物在不同海域的荧光信号，以判断当光合作用受阻时有多少光能以荧光形式被“浪费”掉。 随后，她向部分样本中补充包括铁在内的营养盐，以检验光合作用过程能否被“重新启动”。 研究发现，在铁受限条件下，最多约25%的集光蛋白会与能量转换中心“脱耦”，直接导致能量传递链条效率下降，一部分本应用于驱动光合作用的能量被迫以荧光形式释放。

当重新向海水样本补充铁元素后，浮游植物的内部集光系统得以重新“接上电路”，光能与光化学中心的耦合程度恢复，光合作用效率和生长潜力随之提升。 普普勒瓦泰强调，这项工作在海上、以原位样本完成了对铁胁迫效应的量化，无需回到实验室进行额外分子提取，就在野外直接捕捉到光能利用效率的变化。 她表示，深入理解铁在分子层面如何影响光合作用，不仅有助于预测未来海洋生产力的变化，也将为全球碳循环和气候模型提供更精确的参数依据。

这项研究以“自然海洋浮游植物群落在铁胁迫下激发能量与光化学偶联”为题，已发表于美国《国家科学院院刊》（PNAS），论文显示，在气候变暖和海洋环境变化持续发展的背景下，围绕铁循环的细微变化，可能隐藏着左右海洋生态结构与大气二氧化碳平衡的重要“杠杆”。 研究由英国自然环境研究委员会及相关科研机构资助，进一步凸显在全球变暖时代观察和理解海洋微观过程的迫切性。

编译自/ScitechDaily