科学家们提供了对球石藻渗透压的首次实地观察

球石藻是一种全球普遍存在的浮游植物，在海洋和大气之间的碳循环中发挥着重要作用。Bigelow 海洋科学实验室的新研究表明，这些重要的微生物可以通过吸收溶解的有机碳形式在弱光条件下生存，迫使研究人员重新考虑驱动海洋中碳循环的过程。研究结果发表在本周的《科学进展》杂志上。

从溶解的有机碳的直接吸收中提取碳的能力被称为渗透压。尽管科学家之前曾使用实验室培养的培养物观察到球石藻的渗透压，但这是自然界中这种现象的第一个证据。

由高级研究科学家威廉·鲍尔奇 (William Balch) 领导的团队在大西洋西北部的球石藻种群中进行了实验。他们测量了浮游植物以三种不同有机化合物为食的速率，每种有机化合物都标有化学标记以追踪它们。球石藻将溶解的化合物用作构成其单细胞的有机组织以及它们在自身周围分泌的称为球石的无机矿物板的碳源。与浮游植物通过光合作用吸收碳的速度相比，有机化合物的吸收速度较慢。但它不容忽视。

“通过吸收这些溶解的有机物质，球石藻并没有赢得任何‘生长竞赛’，”Balch 说。“他们只是在勉强生存，但他们仍然可以成长，尽管速度很慢。”

植物，如球石藻，通常通过光合作用从大气中提取的无机形式的碳(如二氧化碳和碳酸氢盐)中获取碳以供生长。当球石藻死亡时，它们会下沉，将所有的碳带到海底，在那里它可以被再矿化或掩埋，有效地隔离数百万年。这个过程称为生物碳泵。

作为称为碱度泵的平行过程的一部分，球石藻还将地表水中的碳酸氢盐分子转化为碳酸钙——主要是石灰石——形成了它们的保护性球石。同样，当它们死亡和下沉时，所有致密的无机碳都被压载到海底。然后其中一些溶解回碳酸氢盐，从而将碱度从表面“泵送”到深处。

但新的证据表明，球石藻不仅在表面附近使用这些无机形式的碳。它们还吸收​​溶解的有机碳，这是海洋中最大的有机碳库，并将其中的一些固定在它们的球石中，最终沉入深海。这表明，吸收这些自由漂浮的有机化合物是生物泵和碱度泵的另一个步骤，这些泵驱动碳从海洋表面传输到下面的深处。

“海洋中存在大量溶解的有机碳源，我们一直认为它与海洋中的碳酸盐循环没有真正的关系，”Balch 说。“现在我们要说的是，正在深入的部分碳实际上来自巨大的溶解有机碳池。”

这是作为国家科学基金会资助的三年期项目的一部分发表的第三篇也是最后一篇论文。整个工作的灵感来自 Balch 的母校斯克里普斯海洋学研究所的研究生威廉·布兰克利 (William Blankley) 长达数十年的论文。在 1960 年代，Blankley 能够在黑暗中培养球石藻 60 天，并为它们喂食甘油，甘油是本研究中使用的有机化合物之一。不幸的是，他在研究发表之前就去世了。Balch 说，这些年后 Blankley 的发现可以用新技术重现，这一事实归功于早期工作的质量。

不过，最近这项研究的真正挑战是在受控实验室环境之外进行这项研究。该团队必须设计一种方法来测量海水中的这些有机化合物——环境浓度比布兰克利实验低几个数量级——然后追踪它们是如何被野生球石藻吸收的。

“当你在实验室培养浮游植物时，你可以随心所欲地生长。但在海洋中，你会得到你所得到的，”巴尔奇说。“挑战在于在所有的噪音中找到一个信号，证明是阳性的，这是球石藻将这些有机分子吸收到它们的球石中。”

虽然目前的项目已经完成，但 Balch 说下一步是检查球石藻是否能够以与迄今为止测试的三种相同的速度吸收海水中发现的其他有机化合物。尽管在这些实验中，球石藻以缓慢的速度使用这三种溶解的化合物，但它们可能会吸收海水中成千上万种其他有机分子。如果他们使用更多，这一发现可能被证明是理解全球碳循环的更重要的一步。