微观海洋藻类生产了地球氧气的巨大份额——但这一过程需要铁元素。新的实地研究表明，当铁元素稀缺时，浮游植物会消耗额外能量，导致光合作用效率下降。气候变化可能减少向海洋输送的铁元素，从而削弱海洋食物链的基础。长期来看，这可能意味着磷虾数量减少，继而导致鲸鱼、海豹和企鹅的数量下降。
罗格斯大学发表于《美国国家科学院院刊》的一项新研究，为理解这一关键过程如何运作及其为何对地球生命至关重要提供了更清晰的图景。
铁元素与海洋的氧气生产者
海洋浮游植物是位于海洋食物网底层的微型藻类。这些生物依赖铁——一种关键的微量营养素——来生长和行使功能。铁主要通过来自沙漠和干旱地区的空气尘埃，以及冰川释放的融水进入海洋。
“人类每呼吸两次，其中一次就包含来自海洋浮游植物释放的氧气，” 罗格斯大学新布朗斯维克分校的班尼特·L·史密斯商业与自然资源讲席教授、该研究的合著者保罗·G·法尔科夫斯基说。“我们的研究表明，在广阔的海洋区域，铁是限制浮游植物制造氧气能力的关键因素。”
如果没有足够的铁，光合作用就会减慢或完全停止。光合作用是将光能转化为化学能并释放氧气的过程。当这个过程受阻时，浮游植物生长更慢，捕获的阳光更少，从大气中吸收的二氧化碳也更少。
气候变化与海洋生命的连锁反应
据法尔科夫斯基称，越来越多的证据表明，气候变化正在重塑海洋环流模式，并减少了输送到海洋中的铁含量。他表示，虽然铁含量降低不会阻碍人类呼吸，但仍可能对海洋生态系统产生严重后果。
“浮游植物是磷虾的主要食物来源，而磷虾这种微小的虾类，是南大洋几乎所有动物——包括企鹅、海豹、海象和鲸鱼——的主要食物，” 法尔科夫斯基说。“当铁含量下降，可供这些上层动物食用的食物减少时，结果将是这些雄伟生物的数量减少。”
几十年来，科学家们一直怀疑铁在光合作用中扮演关键角色。然而，早期的大多数研究都依赖于实验室实验，关于这一过程在开阔海洋中如何展开仍存在重大问题。
研究开阔海洋中的光合作用
为了更好地理解现实世界的情况，该研究的第一作者、在法尔科夫斯基实验室工作的化学与化学生物学系研究生研究助理赫沙尼·普普莱瓦特于2023年和2024年在海上度过了37天。她乘坐一艘英国研究船穿越南大西洋和南大洋，从南非海岸航行至威德尔环流冰区的边缘并返回。
在航行期间，普普莱瓦特使用了由新布朗斯维克库克校区法尔科夫斯基实验室的马克斯·戈尔布诺夫定制的荧光计。这些仪器测量荧光，荧光反映了光合作用中断时浮游植物释放的能量。她还向收集的样本中添加营养物质，以观察光合作用是否能够重新启动。
“我们想知道在自然环境中，浮游植物分子层面的能量传递过程究竟发生了什么变化，”她说。
铁短缺如何浪费能量
测量结果显示，当铁稀缺时，多达25%的用于捕获光的蛋白质会与将能量转化为可用化学形式的结构“脱钩”。这种脱钩降低了浮游植物利用阳光的效率。当铁再次可用时，藻类能够重新连接这些系统，从而提高能量利用率并支持生长。
“我们直接在海洋中演示了铁胁迫对浮游植物的影响，甚至无需将样本带回实验室进行分子提取，仅通过在海上进行的荧光测量就实现了，”她说。“通过这样做，我们能够证明，当铁受限时，有更多的能量以荧光的形式被浪费掉。”
她补充道，更深入地理解铁如何在分子尺度上控制光合作用，将有助于研究人员更好地预测海洋生产力的变化以及全球碳循环的转变。