海藻将以小力量成就影响未来大世界的重要生物资源

任何人驻足海边,看天海一色,潮起潮落,都会惊叹于巨大的物理作用在这个星球上存留的证据。那千年冲刷蚀刻的海岸,日照水波生成的光影变幻,引力与海岸撕扯出的冲天巨浪,无一不是大自然在展示自己的力与美。然而,这种种的自然力之中,有一种却是常人不可见的,因为它发生作用的个体微小,方式柔和,它对这个星球的影响是曲折隐蔽的,它,就是海洋中的生产者——藻类。

“藻”并非一个生物分类学上的名称,事实上,以它为名的生物囊括了直径几微米的原核生物蓝藻、种类繁多的硅藻、真核的绿藻、甚至在海中如花绽开的多细胞褐藻和红藻……这些体型差异巨大,横跨原核到植物多界的生命体,共同点只在于都生活在水中,能利用体内的色素体发生光合作用捕获太阳能,合成有机物。

蓝藻,又被称为“蓝细菌”,它们因为体内的色素与植物略有差异,同时又没有叶绿体那样的细胞器,色素在体内均匀分布,所以经常是通体透着幽幽的蓝绿色光芒。这一类原核生物据信是地球上第一批获得光合能力的居民。还有人推测,当年,一些不能进行光合作用的异养细菌吞噬了蓝藻后消化不良,两者反而开始和平共处,蓝藻为它的房东提供光合产物做食物,多年之后它们修成正果,进化为原始的植物细胞,为生命在地球的演化揭开了全新篇章。

1639323lls0ll3loswo0uo【念珠藻,蓝藻的一种】

不过蓝藻的功绩并未止步于史前时代,即使是现在,它们也因为具有高超的固氮能力而为海洋生态系统提供着重要的营养元素。和陆地生态系统的情况类似,氮的含量制约着海洋生态系统的规模,一些远洋区域之所以被称之为海上荒漠,就是因为难以从陆地或洋流中获得营养,氮磷元素的匮乏使生命无法安身。蓝藻的这种固氮行为不但为自身生长提供原料,更通过食物链支撑着整个生物群落。

硅藻,包装在特殊的硅质瓣壳中,通体呈金黄色,它们是海洋中最常见的浮游居民。每年春秋温度略低的时候,它们开始利用富足的硅和其他养料来繁殖,直到耗尽了硅元素,它们在浮游植物中的主导地位才被取代。有调查估计全球一半左右的氧气是这种小生命通过光合作用生产出来的。

164500mdzyjmcarpl77h5p【多种硅藻】

硅藻最令人称奇的是那一对硅质瓣壳,一只硅藻通常标配两块瓣壳,它俩一大一小相互扣合保护住细胞质,同时又保证有充分的光线透过。而每一瓣壳上都会有放射状花纹,如果这只硅藻是圆盘状的小环藻,那这个花纹通常呈中心放射状,如果藻是舟形或是杆状的,那壳的纵向会看到一条轴,花纹呈轴对称分布。分裂繁殖的时候,上下两半壳分道扬镳,分裂出的两只细胞再分别为它们合成出有着同样精细花纹的另一半。这些小玻璃工艺品上漂亮的图案在普通光学显微镜下并不明显,但若将光源设为暗背景,通过多彩的折射光就能看到它们的精巧纹身。

绿藻,这个门已经是真核生物,已可算作植物之列,这其中有单细胞的微藻,也有多细胞的大型藻。图中这只南极衣藻生活在同门难以涉足的低温环境中,厚厚的细胞壁、细胞壁和细胞膜间填充的颗粒物、细胞中层层的淀粉结构、与常温品种不同的脂肪酸配比、特殊的蛋白…等等的装备保证了低温下能量单元线粒体的正常运作和基本结构的稳定性。

164905pfuwmk0g1tpxik0f【分裂中的微圆星鼓藻】

不过在海岸附近,人类更常见到的是一些多细胞绿藻,例如偶尔随水漂来的石莼,和近两年青岛海岸经常爆发的浒苔。这些植物并不具备陆生植物常见的根茎,植物体上的每个细胞彼此沟通并不充分,其实都具备独立生存的能力。它们有的能够形成伪根,有的生着圆盘,那都是因为不想颠沛流离而进化出的固着装置。

褐藻、红藻,海带、紫菜,人类所熟知的,都是可以食用的大型藻类。而图上的这株墨角藻是个异类,它体内有少量毒素难以消化,好胃口的海洋摄食者们对它没兴趣,同时,这种沿海褐藻非常适应海岸的动荡生活,它细胞中的气囊能在潮来时把叶片带到水面上完成光合作用,而体内的藻酸盐又能在潮往时帮它hold住水分,即使烈日暴晒,只要还有十分之一的水分在,它就能在回潮时重获新生。海岸虽是人类赏心悦目的美景,于生物却是严苛的环境,海陆的变换、潮水的冲击、还有盐雾、狂风,生存环境瞬息万变,墨角藻成了很多小动物的庇护所,它们在退潮时隐蔽在墨角藻巨大“叶片”遮蔽的绿洲中,同舟共济,下一次涨潮时又分道扬镳。

1654317ifiqeqleadlel3d【墨角藻】

这些大大小小的藻类不单形状奇特武艺高强,它们其实一直在用微小的力量刻画着地球的景观,只是到近些年,人类才逐渐认识到它们那曲折而深远的影响力。

远古的一场政变

现今蓬勃而多样的生物圈,很可能是一场政变的产物,而主角,就是刚才说的,连叶绿体都没有的蓝藻。早期大气的主要成分是甲烷、氨气、氢气、二氧化碳……这些气体以还原性为主,并没有多少氧气。能够在当时的大气环境中生存的,都是一些化能合成菌,靠吸收甲烷、氨气合成生命物质。蓝藻这种在当时特立独行的生物出现之后,开始沐浴阳光吸收二氧化碳,却释放出对于其他化能合成菌有毒的氧气……在蓝藻不遗余力的生存竞争中,大气环境由原来的还原性状态变成了现在含氧量21%的氧化状态。自此,落败的化能合成菌只能躲在火山口、海洋深处、土壤内,过阴暗的生活,而好氧生物占据了地球各个圈层的优势地位。

大气组成的改变是地球化学成分变化的大事件,更是生命演化的关键环节,尽管很多细节现在还没法证实,但很多人认为,没有这种代谢方式的转变,高等生命是不会出现的。

看不见的支撑看得见的

热带雨林生态系统、草原生态系统、温带阔叶林生态系统……从命名就可以看出,人类对陆地生态系统中的生产者——植物——给予了足够多的敬意,因为它们是一个生态系统存在的基石。但在海洋中,这些微小的生产者们所付出的努力,却很难为人所见——除非发生赤潮这样的大规模集体暴动。

事实上,据估计海洋中90%以上的有机物由这些默默无闻的微型浮游植物生产制造。而大型藻的海底森林尽管单产能力可以与之媲美,但只适于很小一部分沿岸水域,总产量不能与之相比。这些微型藻散布在全球各处,等待着光照、溶氧、营养盐同时出现的时机,条件一旦成熟就大规模增殖。而在它们周围,食草生物、捕食食草生物的捕食者、捕食者的捕食者……都在追随藻类生长的条件。

海洋中的营养传递速率远远高于陆地,瞬息万变的海水环境容不得生产者慢慢生长渐渐积累营养。微藻们都是机会主义者,很少能寿终正寝,它们迅速繁殖,迅速被捕食,营养被迅速地循环回来,继续迅速繁殖……在这种紧张的形势下,捕食者通过演化证明,尽可能的减少营养级传递,直接摄食食物链较低层的生物,有可能获得更多的能量。因而,巨大如鲸鲨、蓝鲸,却在同沙丁鱼、鲱鱼一同抢食由藻类供养长大的浮游动物,它们只管张着大嘴一路“喝水”,将食物从海水中滤出。

因为这些摄食过程,藻类在水中的总量始终寥寥,并未呈现出陆地生态系统中那种生产者常见的优势地位。但从动态的角度看,不断繁殖的藻类其实是不断地在为摄食者提供能量,这些微小生命从生到死的迅速循环支撑了所有我们常见的美丽的海洋生物。

隐形力量形成的陆地

说藻类可以造成沧海桑田的变化一定没有人相信,但至少在一种地质结构的形成中,藻类功不可没,那就是珊瑚礁。

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【与虫黄藻共生的尼罗河珊瑚】

造礁的第一主力当然是珊瑚虫,它生活中分泌的副产品碳酸钙就是珊瑚礁中最致密的基干结构。但如果没有藻类的帮助,这个过程将非常缓慢。珊瑚虫如果能找来虫黄藻签订租房协议,它的租客可以为它带来氧气和营养物质,而它只需要提供自己的代谢产物二氧化碳和一个安定的居所。这种互利共生的关系可以将造礁的速度提高数倍,否则,海水的侵蚀速度和珊瑚虫的造礁速度其实相当,礁石很难长大。

除了虫黄藻,其他租客也并非对珊瑚虫全无用处,实际上珊瑚的各种颜色都来源于共生的藻类,否则它只能有碳酸钙的惨白色。遗憾的是,随着全球变暖,大气中二氧化碳浓度增高,海水pH值也因此降低,这种海水的酸化尽管极其轻微,却往往会破坏珊瑚虫和藻类的租房协议,它们一旦分道扬镳,白化的珊瑚有可能会死亡,久而久之,原来已经长成的礁体就会被海胆破坏。
有藻时的增长,无藻后的消失,便成了珊瑚礁小世界的沧海桑田。

聚沙成塔的色彩

海的主导色是蓝色,而海面上的珊瑚礁、海岸边的沟边藻的荧光、海底的藻类森林,都是蓝色海洋的修饰。除此之外,更有一种因藻而起的颜色变化,令人恐惧,那就是赤潮。

1709294tt73mtw30xjwsuu【荧光海滩】

赤潮是硅藻和甲藻大规模爆发的结果,这两种藻因为富含硅和体内色素的差别,颜色并非蓝绿色,而呈棕黄色,当数以亿计的棕黄色藻类聚集在海水中的时候,便呈现或艳或暗的红色,仿佛海底在发生什么大规模屠杀事件。有人说,《旧约-出埃及记》中埃及人被迫出走前尼罗河的血变之灾就是最早关于赤潮的记录。赤潮的可怕倒并不在于其颜色,而是因为引起赤潮的硅、甲藻往往会释放藻毒素,这类神经毒素毒性不亚于氰化钾,所到之处渔业损失惨重,更有可能进一步危害人类身体健康。

普遍认为赤潮的一大诱因是人类活动向水体排放了大量的营养盐,造成上述藻类的大量增殖。但它的爆发与洋流、风力、水质等因素都有关系,多年来仍旧难以预测。与它类似的,就是近年来青岛频频出现的浒苔爆发,因为浒苔属于绿藻,所以又被称为绿潮,好在浒苔并没有毒素,只是遮蔽了水面的光线和氧交换,对水生生态系统的危害略小。淡水水体中也同样存在着这种情况,不过主力是释放藻毒素的蓝藻,而它爆发时水中的粘绿色被称为水华。嘉年华专题《尴尬的营养盛宴》)。

改变大气组成、维持生态系统、造陆、变色……这些地球上最小的生命体用不懈的努力,凭着巨大的数量,以人类不可见的方式,将自己与这个星球上最大的栖息地——海洋联系了起来。它们作用的方式有的被人类认可甚至赞叹,有的却引起人类恐慌,而它们并不在意自身行为的任何意义,这些生物只是在有限营养和众多摄食者的严苛环境中搜寻一切生存机会,伺机爆发。

本文发表于《中国国家地理》

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