微观海洋植物生物工程环境以促进自身生长

所有生命都会影响环境。在地球的生命演变过程中,非生物因素以及生命本身又极大改造了地球。

所有生物都消耗需要的物质,并且释放不需要的物质。最富有戏剧性的是从大气中消耗二氧化碳,并用氧气代替二氧化碳,这可算成是影响地球的最大环境污染事件。在生命的光合作用下,本来缺氧的地球进化成富氧环境。大气二氧化碳减少也降低了地球的温室效应,从而降低了地球的温度。在生命的早期,大部分为微小光合生物的浮游植物。

那么,二氧化碳中的碳去了哪儿?成为生命的有机结构基础,比如核酸、脂肪、蛋白质、纤维/淀粉/糖类等。光和浮游植物构成海洋食物链的底层,其中一部分被鱼类食用,后者又被更大的鱼类或其他动物食用。如果它们沉入地下数百万年,就会转化为天然气/石油。人类今天消耗各种动植物和天然气/石油,又迅速转化为大气中的二氧化碳。


Emiliania huxleyi:一种单细胞浮游植物,可产生浮石。Image Credit: Alison R Taylor/Wikimedia, CC BY

埋藏的浮游植物

不过,大多数浮游植物大部分以白垩形式(石灰石的形式)埋藏;想起多佛的白色悬崖。也许对地球来说幸运的是,人类并不需要大量的粉笔,因此这种二氧化碳的储存库仍被安全地锁定。但是,为什么生物学首先制造石灰石?

包括我们在内的许多生物都将碳酸钙用作骨骼。即使是微观生物也可以用这种材料制成坚硬的零件,其中某些结构当然可以被视为具有骨骼功能,可以保护生物或悬挂部件。但是,许多石灰石代表浮游植物产生的沉积物,而这些沉积物并不需要骨骼。那么为什么他们要努力制造碳酸钙呢?的确,他们为什么仍在这样做,气候变化会影响这一过程吗?

从太空中可以看到沉积出碳酸钙的浮游植物的大量生长,称为“球隐藻”。它们的花开得如此之大,以至于白色的粉笔板(“ coccoliths”)反射了卫星感知到的光。他们为何制造这种材料令数十年来的科学家感到困惑。一些人认为,这些平板有助于保护直径仅为百万分之一米的生物免受病毒或掠食者的侵害。其他人提出,通过改变海水的化学性质,制造碳酸钙可以增加光合作用的二氧化碳供应。但是,这种解释的证据已经被驳斥或至少没有得到证实。但是,由斯旺西大学领导的我们小组提出的新想法提供了另一种解释,即使这不是球藻生产发展的基础,也必须影响这些造地球生物的生态。

平衡法

在光合作用过程中,浮游植物从水中去除二氧化碳,然后水的酸度降低。 这种降低(pH值升高)是碱化,与酸化相反。 人类通过燃烧煤,石油和天然气溶解在海中而产生的过量二氧化碳引起海洋酸化,火山也做出了贡献。 碱化和酸化都不适合于浮游植物的生长,但是虽然海洋酸化主要是人为造成的,但浮游植物生长过程中的碱化是完全自然的,并且是所有浮游植物都必须忍受的。 实际上,这是不正确的:球墨鱼鳞茎不必忍受,这就是原因。

钙化作用(例如产生椰壳石)和光合作用也会除去二氧化碳。但是,钙化作用背后的化学作用导致pH值下降:这会导致酸化事件。在我们的研究过程中,我们使用了球藻鞘磷脂生长的详细数学模型来检验光合作用引起的碱化与钙化引起的酸化相匹配的理论。此类事件的结果将是一个稳定的pH值,该值会促进球墨鱼鳞茎生长。这些模型表明,在真实生物中看到的光合作用与钙化的比率以及它们对变化的环境条件做出反应的方式与模型的预测相符。

球墨石藻不能做大多数其他生物体所能做的事情,不会取走它们所需要的东西,并把浪费掉,破坏了下一代的环境。这些生物可以通过清除废物,在这里通过对抗碱化来对环境进行生物工程改造。它们使生活在其中的海水更加稳定。

我们的研究还考虑了海洋酸化对球隐藻类的影响,其结果并不是好消息。为了平衡未来海洋中的pH值,需要减少钙化;这意味着它们无法帮助人类吸收大量二氧化碳排入大气。因此,我们可能已经找到了为什么球墨石藻有助于形成粉笔的原因,以及为什么他们将来不会做那么多的事情。

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