海洋会“吃铁”：我们呼吸的一半氧气或仰赖落入海中的铁尘

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