小小蕨類 如何改變地球氣候？
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紅萍，這些小小蕨類具有驚人的能力，包括碳儲存、固氮以及提高食物生產(chǎn)能力，也不會對地球環(huán)境造成損害。
這或許有點令人震驚，僅僅550萬年前我們的星球上還不存在兩極。其實那時候的地球是濕熱且失控的溫室氣體世界，有著超過2500ppm含量的二氧化碳。然后突然之間，發(fā)生了一些事情，轉(zhuǎn)變隨之而來。
隨后大氣圈中的二氧化碳含量開始下降，兩極開始出現(xiàn)冰川，慢慢形成了如今我們的世界。但為什么會發(fā)生這一切？而更進一步的問題是，促使這一切發(fā)生的因素是否對如今控制氣候變化的努力有所幫助？
出現(xiàn)在北極的淡水蕨類
這是一個很好的問題，但它的答案深埋在北極圈內(nèi)。研究化石孢子和花粉粒等塵土和微小顆粒的著名孢粉學(xué)家喬納森·布亞克（Jonathan Bujak）回憶說：“甚至直到2004年，北極對人們來說還是一個巨大的未知領(lǐng)域，但是隨著冰川逐漸融化，我們也有了新的機會來認識它?！?/p>
一項與“綜合海洋鉆探”計劃相關(guān)的，名為“北極核心探索”的研究計劃，期望找到這一現(xiàn)象的線索并解釋其原因。而研究人員所發(fā)現(xiàn)的問題卻讓人大吃一驚。
產(chǎn)生疑問的來源是一塊厚達26英尺的柱狀蕨類化石，這種叫做紅萍（Azolla）的蕨類植物小到只有指甲大小，但是有著兩天內(nèi)繁殖一倍的能力。
布亞克說：“老實說，我們都非常震驚，在離岸數(shù)千公里的北極，為什么會出現(xiàn)淡水蕨類？它又是如何改變地球的氣候的？”
布亞克并非是唯一對這些紅萍感到疑惑的人，同一時期來自杜克大學(xué)的植物學(xué)家凱瑟琳·派爾（Kathleen Pryer）也向政府申請資助來對這些蕨類植物進行基因組測序。
眾籌資金的基因組測序
派爾不確定能從這些古植物中獲得什么信息，蕨類植物是地球上已知最古老的植物生命形式之一，之前也從未有過對蕨類植物進行基因測序。但是因為蕨類植物并不像農(nóng)業(yè)作物那樣具有商業(yè)價值，她的測序申請被駁回了。
這并沒有阻止她繼續(xù)探索，派爾知道對紅萍進行基因測序的需求是廣泛的。紅萍數(shù)千年來被用來為稻田增肥，并以聞所未聞的速度進行固氮。長久以來各領(lǐng)域的科研人員都在擴展這種植物的應(yīng)用，包括廢水處理、生物降解、人畜的食物甚至是生物燃料。
不僅是這些，紅萍還具有令人驚訝的固化碳的能力，每公頃紅萍每年可以捕捉高達60噸的二氧化碳，相當(dāng)于波音747航行兩小時所排放的碳量。
“這些小小蕨類具有驚人的能力，包括碳儲存、固氮以及提高食物生產(chǎn)能力，也不會對地球環(huán)境造成損害?！迸蔂栒f，“得有人來為下一步的工作開個頭，所以我們決定依靠眾籌的幫助來打開局面?！?/p>
謎底或?qū)⒃谌A大基因揭開
派爾的團隊在Experiment.com網(wǎng)站的協(xié)助下設(shè)立了一個眾籌項目，以期獲得15000美元來為紅萍基因測序。兩周之前，全球最大的基因測序?qū)嶒炇抑弧A大基因決定來幫助Pryer實現(xiàn)夢想。這意味著最少只要一年時間，紅萍如何拯救地球氣候的故事就可能被揭曉。
Pryer說他們在籌集資金活動中增加了額外的一輪，將之前已經(jīng)籌集的資金仍保留在內(nèi)，同時準(zhǔn)備了最好的樣本送到中國進行測序檢測，以使得大家更多獲益。本周這一籌集活動正式結(jié)束了。
派爾說：“由于有了這額外一輪的籌資，我們將可以準(zhǔn)備出最好的紅萍基因樣本送檢?！?/p>
紅萍傳奇
與藍藻菌共同進化了1億年
1878年，德國自然學(xué)家海因里?！ぐ⑼卸鞯隆ぐ屠铮℉einrich Aton de Bary）用紅萍首次描述了他對共生的定義——兩種不同生物在一起和諧生存。他以紅萍和青苔的共生為例來解釋他的定義，同時他也注意到紅萍這種蕨類體內(nèi)似乎有一種細菌，這兩者之間更像是共生的案例。紅萍具有一英寸大小的海綿狀裂片葉，漂浮在淡水表面，長長的卷須在水下?lián)u曳。在它的葉片中具有一個奇特的微環(huán)境，一種叫做藍藻菌的微小細菌與紅萍已共同進化了差不多1億年。
隨著時間的發(fā)展，藍藻細菌已經(jīng)失去了離開紅萍獨立生存的能力，但它們的光合作用功能將紅萍的固氮能力提升了12到20倍。這些細菌因其光合作用的能力成了紅萍的能量來源，同時它們也在紅萍葉上獲得了棲息地和食物。
里斯本大學(xué)的細胞生物學(xué)家和紅萍研究專家弗朗西斯科·卡拉皮克（Francisco Carrapico）說：“這些細菌僅僅存在于紅萍的葉子中，紅萍與細菌的這種共生方式與其它物種相比都不一樣，藍藻細菌通過孢子在紅萍之間傳播，這是一種理想的共生關(guān)系?！?/p>
為什么出現(xiàn)在北極
具有強大的固氮能力也讓紅萍成為不可思議的固碳植物。但是這些還是沒法解釋紅萍為什么會出現(xiàn)在北極。為此，荷蘭烏得勒支大學(xué)成立了一個名為“達爾文紅萍”的研究團隊來研究這個問題，他們匯集了來自全球的各領(lǐng)域科學(xué)家，最終提出紅萍在北極出現(xiàn)的一種解釋。
布亞克稱：“我們一直處于震驚之中，直到卡拉皮克提出我們也需要在當(dāng)今的背景下考慮紅萍的碳捕捉能力?！?/p>
研究人員有充分理由認為這種能力不是紅萍在北極生存的因素。即使有充足的碳和氮，紅萍的大小以及只能生活在淡水中，都讓人覺得它出現(xiàn)在北極就已太過不可思議，更不要說形成可以改變地球整體氣候的規(guī)模和能力，將地球從一個差不多像金星一樣炎熱的湮沒之地中拯救出來。
什么原因阻止了這種不屈的植物
如同其它大多數(shù)有趣的科學(xué)故事一樣，一個問題被解決了，另一個新問題馬上就會被提出。
如果紅萍曾如此大規(guī)模的生長，乃至它對氣候的影響程度很高，那么是什么原因阻止了這種不屈的蕨類植物，并導(dǎo)致了氣候的劇變呢？研究者們探究的越深入，他們也越發(fā)現(xiàn)紅萍的傳奇故事是那么的不可思議。
發(fā)現(xiàn)故事
遠古植物和發(fā)現(xiàn)它的“女漢子”
紅萍的發(fā)現(xiàn)歷程也是一次探險。首位完成環(huán)球航行的女性珍妮·拜瑞特（Jeanne Baret）應(yīng)該是第一個發(fā)現(xiàn)紅萍的西方人。
拜瑞特早先是路易十五麾下自然學(xué)家菲利伯特·康姆森（Philibert Commerson）的家庭女仆，在康姆森招募環(huán)球航行助手時她也加入了。在航行中她偽裝成男性，幫助康姆森收集了大量植物樣本。她的努力十分不易，因為船上的水手們對她的性別產(chǎn)生了越來越多的懷疑，她必須得時刻都表現(xiàn)得陽剛之氣十足。
瓦薩學(xué)院的麗莎貝·派拉文森妮·吉伯特（Lizabeth Paravisini-Gebert）在2001年發(fā)表的一篇論文中描述道：“航海員們注意到他（拜瑞特）在麥哲倫海峽的大雪和冰山的遠征途中，一直伴隨他的主人左右，攜帶著武器和植物樣本，充滿了勇氣和力量?！?/p>
最終，拜瑞特的女性身份還是被發(fā)現(xiàn)了，但船員們并沒有因此有太大騷動和小題大做，拜瑞特得以繼續(xù)她的工作。1773年在回程途中康姆森在現(xiàn)在的毛里求斯去世。拜瑞特選擇留在毛里求斯島上，并嫁給了一位前海軍軍士。
當(dāng)這些植物樣本被送回法國，當(dāng)時另一位著名法國科學(xué)家簡·巴奇斯特·拉馬克（Jean-Baptiste Lamarck）見到了這些樣本，但他錯誤的將紅萍分類到開花植物的某個類別中。當(dāng)然，他沒有機會看到紅萍在大片水域中漂浮著的盛大場景。當(dāng)拜瑞特于1780年代回到法國，她得到了未曾預(yù)料的歡迎。由于船主和康姆森的一些朋友的幫助，她不僅沒有被宮廷制裁，還獲得法國海軍授予的“杰出女性”頭銜，并得到一份津貼。
撰文：詹妮弗·赫伊曾（Jennifer Huizen）
翻譯：呂薈
稿件來源：環(huán)球科學(xué)（科學(xué)美國人中文版）
延伸閱讀
不妙！地球多項氣候指數(shù)均破最高紀錄
據(jù)國外媒體報道，7月17日，美國氣象學(xué)會最新發(fā)布2013年全球氣候狀況報告，顯示溫室氣體、海平面、全球氣溫和其它氣候指數(shù)在2013年均保持上升趨勢。
這份研究報告是由全球57個國家425位科學(xué)家共同完成的，提供了全球氣候指標(biāo)、顯著氣候事件的詳細更新信息，同時包括收集的環(huán)境監(jiān)控狀況，大氣、陸地、海洋和冰川的監(jiān)控數(shù)據(jù)。
美國國家海洋和大氣局負責(zé)人凱瑟琳·沙利文（Kathryn Sullivan）說：“這項研究更進一步地強化了科學(xué)家數(shù)十年來的觀測結(jié)果：地球開始變得更加炎熱。該報告提供一些重要的基礎(chǔ)信息，我們需要研制新的工具和服務(wù)項目，適用于社會團體、商業(yè)領(lǐng)域，同時建造氣候變化影響的恢復(fù)力。”
氣候?qū)W家稱，二氧化碳、甲烷和一氧化二氮等溫室氣體已達到破紀錄水平，這是由于地球大氣層誘捕的熱量導(dǎo)致地球表面變得更加溫暖造成的。
該報告指出，2013年燃燒化石燃料已達到歷史最高水平。去年夏威夷莫納羅亞山天文臺觀測的二氧化碳指數(shù)首次達到百萬分之400，這一變化不容忽視。去年澳大利亞迎來了歷史紀錄上最炎熱的一年，對于阿根廷和新西蘭分別是歷史上第二熱年和第三熱年。
自1880年開始記錄天氣狀況以來，全球氣溫持續(xù)升高，依據(jù)不同科學(xué)團體的統(tǒng)計方法，2013年被標(biāo)注為第二熱至第六熱之間。作為太平洋冰川融化和上升氣溫所形成的結(jié)果，海平面持續(xù)上升，全球海平面持續(xù)了過去20多年年均3.2毫米的上升速度。
這份報告里有許多對北極熊生存不利的消息，北極冰川持續(xù)融化減少，同時，北極陸地氣溫升高速度快過全球其它地區(qū)。此外，還有更多關(guān)于2013年全球極端氣候事件的實例，例如：2013年11月，“海燕”超級臺風(fēng)摧毀了阿拉斯加州東南部地區(qū)。
