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举个栗子:小小蕨类是如何改变地球气候的?

日报 举个栗子 2年前 (2017-12-31) 295次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:小小蕨类是如何改变地球气候的?

举个栗子:小小蕨类是如何改变地球气候的?

这或许有点令人震惊,仅仅 550 万年前我们的星球上还不存在两极。其实那时候的地球是湿热的且失控的温室气体世界,有着超过 2500ppm 含量的二氧化碳。然后突然之间,发生了一些事情,转变随之而来。

随后大气圈中的二氧化碳含量开始下降,两极开始出现冰川,慢慢形成了如今我们的世界。但为什么会发生这一切?而更进一步的问题是,促使这一切发生的因素是否对如今控制气候变化的努力有所帮助?

这是一个很好问题,但它的答案深埋在北极圈内。

研究化石孢子和花粉粒等尘土和微小颗粒的著名孢粉学家 Jonathan Bujak 回忆说,“甚至直到 2004 年,北极对人们来说还是一个巨大的未知领域,但是随着冰川逐渐融化,我们也有了新的机会来认识它。”

一项与“综合海洋钻探”计划相关的,名为“北极核心探索”的研究计划,期望找到这一现象的线索并解释其原因。而研究人员所发现的问题却让人大吃一惊。

产生疑问的来源是一块厚达 26 英尺的柱状蕨类化石,这种叫做红萍(Azolla)的蕨类植物小到只有指甲大小,但是有着两天内繁殖一倍的能力。

Bujak 说,“老实说,我们都非常震惊,在离岸数千公里的北极,为什么会出现淡水蕨类?它又是如何改变地球的气候的?”

Bujak 并非是唯一对这些红萍感到疑惑的人,同一时期来自杜克大学的植物学家 Kathleen Pryer 也向政府申请资助来对这些蕨类植物进行基因组测序。

【众筹资金的基因组测序】

Pryer 不确定能从这些古植物中获得什么信息,蕨类植物是地球上已知最古老的植物生命形式之一,之前也从未有过对蕨类植物进行基因测序。但是因为蕨类植物并不像农业作物那样具有商业价值,她的测序申请被驳回了。

这并没有阻止她继续探索,Pryer 知道对红萍进行基因测序的需求是广泛的。红萍数千年来被用来为稻田增肥,并以闻所未闻的速度进行固氮。长久以来各领域的科研人员都在扩展这种植物的应用,包括废水处理、生物降解、人畜的食物甚至是生物燃料。

不仅是这些,红萍还具有令人惊讶的固化碳的能力,每公顷红萍每年可以捕捉高达 60 吨的二氧化碳,相当于波音 747 航行两小时所排放的碳量。

“这些小小蕨类具有惊人的能力,包括碳储存、固氮以及提高食物生产能力,也不会对地球环境造成损害。”Pryer 说,“得有人来为下一步的工作开个头,所以我们决定依靠众筹划的帮助来打开局面。”

Pryer 的团队在 Experiment.com 网站的协助下设立了一个众筹项目,以期获得 15000 美元来为红萍基因测序。两周之前,全球最大的基因测序实验室之一——华大基因(Beijing Genomics Institute)决定来帮助 Pryer 实现梦想。这意味着最少只要一年时间,红萍如何拯救地球气候的故事就可能被揭晓。

Pryer 说他们在筹集资金活动中增加了额外的一轮,将之前已经筹集的资金仍保留在内,同时准备了最好的样本送到中国进行测序检测,以使得大家更多获益。本周这一筹集活动正式结束了。

Pryer 说,“由于有了这额外一轮的筹资,我们将可以准备出最好的红萍基因样本送检。”

【远古植物和一个神秘女人】

红萍的发现历程也是一次探险。首位完成环球航行的女性 Jeanne Baret 应该是第一个发现红萍的西方人。Baret 早先是路易十五麾下自然学家 PhilibertCommerson 的家庭女仆,在 Commerson 招募环球航行助手时她也加入了。在航行中她伪装成男性,帮助 Commerson 收集了大量植物样本。她的努力十分不易,因为船上的水手们对她的性别产生了越来越多的怀疑,她必须得时刻都表现的阳刚之气十足。

瓦萨学院的 LizabethParavisini-Gebert 在 2001 年发表的一篇论文中描述道,“航海员们注意到他(Baret)在麦哲伦海峡的大雪和冰山的远征途中,一直伴随他的主人左右,携带着武器和植物样本,充满了勇气和力量。”

最终,Baret 的女性身份还是被发现了,但船员们并没有因此有太大骚动和小题大做,Baret 得以继续她的工作。1773 年在回程途中 Commerson 在现在的毛里求斯去世。Baret 选择留在毛里求斯岛上,并嫁给了一位前海军军士。

当这些植物样本被送回法国,当时另一位著名法国科学家 Jean-Baptiste Lamarck 见到了这些样本,但他错误的将红萍分类到开花植物的某个类别中。当然,他没有机会看到红萍在大片水域中漂浮着的盛大场景。当 Baret 于 1780 年代回到法国,她得到了未曾预料的欢迎。由于船主和 Commerson 的一些朋友的帮助,她不仅没有被宫廷制裁,还获得法国海军授予的“杰出女性”头衔,并得到一份津贴。

1878 年,德国自然学家 Heinrich Aton de Bary 用红萍首次描述了他对共生的定义——两种不同生物在一起和谐生存。他以红萍和青苔的共生为例来解释他的定义,同时他也注意到红萍这种蕨类似乎体内似乎有一种细菌,这两者之间更像是共生的案例。红萍具有一英寸大小的海绵状裂片叶,漂浮在淡水表面,长长的卷须在水下摇曳。在它的叶片中具有一个奇特的微环境,一种叫做蓝藻菌的微小细菌与红萍已共同进化了差不多 1 亿年。

随着时间发展,蓝藻细菌已经失去了离开红萍独立生存的能力,但它们的光合作用功能将红萍的固氮能力提升了 12 到 20 倍。这些细菌因其光合作用的能力成了红萍的能量来源,同时它们也在红萍叶上获得了栖息地和食物。

里斯本大学的细胞生物学家和红萍研究专家 Francisco Carrapico 说,“这些细菌仅仅存在于红萍的叶子中,红萍的与细菌这种共生方式与其它物种相比都不一样,蓝藻细菌通过孢子在红萍之间传播,这是一种理想的共生关系。”

具有强大的固氮能力也让红萍成为不可思议的固碳植物。但是这些还是没法解释红萍为什么会出现在北极。为此,荷兰乌得勒支大学成立了一个名为“达尔文红萍”的研究团队来研究这个问题,他们汇集了来自全球的各领域科学家,最终提出红萍在北极出现的一种解释。

Bujak 称,“我们一直处于震惊之中,直到 Carrapico 提出我们也需要在当今的背景下考虑红萍的碳捕捉能力。”

研究人员有充分理由认为这种能力不是红萍在北极生存的因素。即使有充足的碳和氮,红萍的大小以及只能生活在淡水中都让人觉得它出现在北极就已太过不可思议,更不要说形成可以改变地球整体气候的规模和能力,将地球从一个差不多像金星一样炎热的湮没之地中拯救出来。

如同其它大多数有趣的科学故事一样,一个问题被解决了,另一个新问题马上就会被提出。

如果红萍曾如此大规模的生长,乃至它对气候的影响程度很高,那么是什么原因阻止了这种不屈的蕨类植物,并导致了气候的剧变呢?研究者们探究的越深入,他们也越发现红萍的传奇故事是那么的不可思议。

(作者:詹妮弗·赫伊曾;译者:吕荟)


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