海洋:“我很大,可别小看我!”

作者:中央研究院《研之有物》

海洋占了地球总面积 71% ,在地球生命所需物质的循环,扮演关键的角色。(Pixabay CC0 1.0)

    人气: 237
【字号】    
   标签: tags: , , ,

 海洋生物地球化学”到底在研究什么?

由于生物生长及繁殖所需物质能在地球循环及供应,生命也才得以在这个世界生生不息,这个重要的循环过程,在生命之母的“海洋”也正时时刻刻进行中,而负责循环物质的关键主角之一,就是遍布全球上层海洋的“浮游植物(Phytoplankton)”。

中研院环境变迁研究中心何东垣团队,在南海、西菲律宾海、西北太平洋与实验室之间航行,探索控制不同浮游植物生长及分布的环境因子,进而刻划出物质在海洋及地球循环的轨迹。

很多人听到我在研究海洋,就以为我是在研究鱼,但其实不是,海洋中物质的循环机制才是海洋生物地球化学最核心的问题!── 何东垣研究员

是地球还是海球? 地球虽然叫“地”球,但放眼所及绝大部分是蓝色的“海”。图片来源│Google Earth
是地球还是海球? 地球虽然叫“地”球,但放眼所及绝大部分是蓝色的“海”。(图片来源/Google Earth)

海洋占了地球总面积 71% ,在地球生命所需物质的循环,扮演关键的角色。

以黑潮为例,黑潮是西北太平洋的主要风吹流,由太平洋北赤道洋流流至菲律宾东部、往北再流经台湾东边,当黑潮流经台湾东北角时,因海底地形变浅,含有相对高量营养盐的海水因而涌升,提供给表层海水中的浮游植物丰富营养盐,进而在台湾东北海域形成渔场。

许多常年行走在陆地上的人们,把享受黑潮带来温暖的气候及丰富的渔产视为理所当然,不见得体会到海洋对我们生活的重要性,恐怕更难意识到人类的所作所为将对海洋产生的影响,要了解这个影响可能的后果,先让我们来看看海洋中的物质如何循环。

浮游植物:海洋中的物质循环交给我

海中的鲸鱼虽然巨大,但对全球物质循环的影响,却比浮游植物小很多。 因为浮游植物生长很快、消逝也很快,因此一旦影响生存的海洋环境条件稍有改变,不同族群的轮替也十分剧烈。

全球海洋生物量的分布图,色温越高代表海水中浮游植物生物量 (biomass) ──叶绿素愈高。因为营养物质供应相对较多,高纬度、边缘海、以及涌升流海域的生物量特别高。 图片来源│NASA Earth Observatory 图说重制│张语辰
全球海洋生物量的分布图,色温越高代表海水中浮游植物生物量 (biomass) ──叶绿素愈高。因为营养物质供应相对较多,高纬度、边缘海、以及涌升流海域的生物量特别高。 (图片来源/NASA Earth Observatory 图说重制/张语辰)

海洋生物地球化学的两大主角,分别是“浮游植物”及其所需的“营养物质”

浮游植物需要这些营养物质才能生长,但营养物质又源自于浮游植物的分解作用而产生,营养物质在海洋中循环,因而让浮游生物及生物链中的生命得以生生不息。

试着回想去海边的经验,若在海水表层用手捞,可能捞不到鱼,而是捞起一堆看得见或看不见的浮游植物。若将这些浮游植物带回实验室,去除浮游植物体内的水分、并分析其元素组成,数量排名前三名的元素是“碳、氮、磷”,也就是浮游植物的必要营养元素。

浮游植物形成蛋白质需要“氮”,复制 DNA 或 RNA 需要“磷”,许多酵素发挥作用还需要“微量金属元素”,例如铁。当海洋中这些必要的营养物质缺乏时,浮游植物的生存会受到限制,若这些营养物质大量进入海里,浮游植物就会大量生长繁殖。

从物质循环图可看出,当海中微量金属元素与营养物质供应发生变化时,浮游植物的生长繁殖也会受到影响。 资料来源│Sunda (2010) 图说重制│林婷娴、张语辰
从物质循环图可看出,当海中微量金属元素与营养物质供应发生变化时,浮游植物的生长繁殖也会受到影响。( 资料来源/Sunda (2010) 图说重制/林婷娴、张语辰)

在中研院环境变迁研究中心,何东垣带领团队成员,搭乘研究船亲身前往台湾周边海域采样,也在东沙国际研究站采样,研究海洋中微量金属元素如何影响浮游植物的生长及族群结构变化。

不只是一片海的事,物质供应的变动改写地球气候

海洋中的物质循环如何引起“全球尺度”的改变?何东垣以科学家 Konhauser 在 2009 年根据特定时期岩石中镍 (Ni) 含量的下降所提出的镍假说 (Ni hypothesis) 为例。

海洋由“厌氧条件”转换成“有氧环境”,是地球生物演化的一个重大关键,镍假说提出这是因为镍供应不足所造成。

生物体内许多关键生化反应,都由“酶”或称“酵素 (Enzyme) ”催化进行。酶由许多氨基酸组成,其中最重要的活化区 (Active site) ,大多数由金属担当。因此,若生物缺乏特定金属的吸收、或吸收不足,需要这些金属的酶就不能作用,生物的生长繁殖便受到限制。

(左) 古代海洋中有非常非常多甲烷菌。 (中) 甲烷菌所需的镍,透过火山高温喷发供应至海洋中。 (右) 随着火山活动下降、海洋中镍供应量下降,甲烷菌新陈代谢也跟着下降,被行光合作用的浮游植物替代。图片绘制│何东垣、黄雅玲
(左) 古代海洋中有非常非常多甲烷菌。 (中) 甲烷菌所需的镍,透过火山高温喷发供应至海洋中。 (右) 随着火山活动下降、海洋中镍供应量下降,甲烷菌新陈代谢也跟着下降,被行光合作用的浮游植物替代。(图片绘制/何东垣、黄雅玲)

在地球形成初期,已知古代海洋中有非常非常多“甲烷菌”,而甲烷菌形成甲烷的过程中,必须使用三个关键含有“镍”的酶。

这个假说提出:当时镍主要透过火山的高温喷发供应至海洋中,随着地球逐步冷却、火山活动下降,镍在海洋的供应量也快速下降。当古代海洋中镍的供应量下降,导致甲烷菌所产生的甲烷下降,行光合作用的“浮游植物”便逐渐地取代甲烷菌而成为海洋中的优势生物,让氧气得以在海洋及大气中累积,才进而引发后续生物在海洋及陆地的演化。到底镍假说是真是假?尚待科学家进一步验证。

但是在现代的地球大气环境中,人为活动所生成的物质正大量释放到大气中,这些物质中的大部分终将沉降到海洋表面,悄悄并剧烈地改变海洋中的物质循环,而这个物质你我也身受其害──那就是“人为产生的气胶 (Anthropogenic aerosol) ”。

气胶 PM2.5 来袭!海洋中的微量金属元素供应激增!

人为产生气胶,也就是大家熟知的 PM2.5,透过大气传输,挟带着大量可溶解的微量金属元素,沉降于海洋表面,足以改变浮游植物的族群结构及物质循环。

当东亚陆地上的人们受 PM2.5 所苦, PM2.5 同时也“飘洋过海”进入海洋,西北太平洋上的浮游植物也同受 PM2.5 所苦。

NASA Terra 卫星显示东亚人为生成气胶的传送几乎无远弗届,本图显示东亚产生的人为污染气胶随着季风传送,影响范围可以横越整个北太平洋,抵达美国和加拿大。 图片来源│Pacific Anthropogenic Aerosol Optical Depth (AOD) in 2003
NASA Terra 卫星显示东亚人为生成气胶的传送几乎无远弗届,本图显示东亚产生的人为污染气胶随着季风传送,影响范围可以横越整个北太平洋,抵达美国和加拿大。 (图片来源/Pacific Anthropogenic Aerosol Optical Depth (AOD) in 2003)

也许单看这个地图没有实感,但接下来这张图片,恐怕会让人惊呆了。何东垣团队在东沙岛采样站,用滤纸搜集 2011 年 1 月东北季风从中国吹来的气胶,并放大 2000 倍率观察,看见许多挟带砂石与微量金属元素的颗粒。

东沙采样站所搜集 1 月份东北季风从中国传送来的人为生成气胶 (PM2.5) ,放大后看见许多不规则状的石化燃料燃烧所生成的气胶颗粒。 资料来源│何东垣研究室, 采样点 东沙 January 2011 (致谢: Keyence Taiwan Co.)
东沙采样站所搜集 1 月份东北季风从中国传送来的人为生成气胶 (PM2.5) ,放大后看见许多不规则状的石化燃料燃烧所生成的气胶颗粒。 (资料来源/何东垣研究室, 采样点 东沙 January 2011 (致谢: Keyence Taiwan Co.))

人们知道 PM2.5 吸入体内,短期内就会造成过敏、气喘等病症,长期甚至会引发更严重的疾病;这浮游植物从未见过的 PM2.5 溶入海洋后,会对海洋生态系产生什么影响?

为了寻找这个问题的答案,何东垣团队在南海东沙及西菲律宾海采集气胶,同时采集海水中不同大小的浮游植物,回到实验室分析浮游植物的微量元素及同位素组成,同时也利用实验室中控制变因下的养殖实验评估人为产生气胶如何影响浮游植物的生长及族群结构。

研究结果发现,东亚人为气胶溶解沉降在西菲律宾海的海水表面,会吸附或胶结在浮游植物细胞表面,大幅度提高浮游植物表面的微量金属浓度,比值远高于过往文献纪录浮游植物细胞的元素组成,也高于其他主要海洋的浮游植物组成。

圆圈符号代表各个不同大小浮游生物的微量元素组成。绿线是浮游植物体内所含元素比值, 红线代表气胶组成、蓝线为岩石性气胶组成。 研究发现吸附在浮游植物表面的微量金属元素组成远高于体内组成,其金属元素组成与人为气胶物质相近,而非沙尘暴的岩性颗粒。资料来源│(Liao et al. 2017)
圆圈符号代表各个不同大小浮游生物的微量元素组成。绿线是浮游植物体内所含元素比值, 红线代表气胶组成、蓝线为岩石性气胶组成。 研究发现吸附在浮游植物表面的微量金属元素组成远高于体内组成,其金属元素组成与人为气胶物质相近,而非沙尘暴的岩性颗粒。(资料来源/(Liao et al. 2017))

由于这些人为产生的气胶来自于石化燃料燃烧、各式人为活动、工厂废气,不仅含有相当高量的微量金属元素,也含有各式氮及磷相关的化合物,这些气胶的沉降将进一步改变浮游植物的生存条件与族群结构。

几十年前冬天及春天季风所吹来的只是沙尘,可是这几十年来除了沙尘之外,还同时吹来大量在东亚所产生的污染物质。这些大气传送来的人为污染物,不仅影响人的健康,也必将影响海洋生态系统的健康。

物质循环很重要,认识海洋热忱的循环也很重要

海洋如此广大,要探究其物质循环全貌,需要更多人一同参与,也并非只能透过严肃的论文了解。

除了专业学术研究,何东垣也与画家黄雅玲联手推出《看漫画学海洋》科普教材,用亲切的图画让小朋友也能接触海洋科学的概念,认识海洋、拥有与地球一体的感觉,从海洋的视角培养国际观,让思维不局限于台湾陆地。

从小在一个纯朴小渔港的苗栗小镇(苑里)长大,在一片美丽白沙的通霄海水浴场玩水,在梦幻夕阳美景的西子湾读大学、又到充满各式原始天然海滩的澎湖服役,对海洋充满好奇的初心,就像洋流般将何东垣带往科学研究的领域,这人生旅程的选择应当不是偶然。

“我有一个梦想:希望有一天能在绿岛建立一个海洋科普馆,带领小朋友及大众一起出海采集并观察海里的浮游植物及动物,透过深入浅出的操作及说明,向大家展现物质如何在海洋循环、带着大家到黑潮的主流跳入水中,如同《海底总动员》的 Nemo 一样体验海洋高速公路,近距离地亲身经历并认识海洋及她的生物地球化学!” 何东垣眼神发亮地分享。摄影│张语辰
“我有一个梦想:希望有一天能在绿岛建立一个海洋科普馆,带领小朋友及大众一起出海采集并观察海里的浮游植物及动物,透过深入浅出的操作及说明,向大家展现物质如何在海洋循环、带着大家到黑潮的主流跳入水中,如同《海底总动员》的 Nemo 一样体验海洋高速公路,近距离地亲身经历并认识海洋及她的生物地球化学!” 何东垣眼神发亮地分享。(摄影/张语辰)

在动画《海洋奇缘》中,由于过去的惨痛经历,一开始酋长爸爸极力阻止女主角 Moana 接近海洋,警告 Moana 海洋很危险,待在物产丰富、平静安全的岛屿内就好,但当岛屿内面临危机时, Moana 受到奶奶的鼓励,鼓起勇气向外出航冒险,经历一连串的考验经历后,生命因而成长,海洋也教会她许多事,也因而找回地球的生态与物质平衡……

我们是否也当如同 Moana一般,勇于体验?勇于经历? 勇于挑战?@#

延伸阅读:

何东垣的个人网页
何东垣的海洋生物地球化学实验室
《看漫画学海洋》,作者:何东垣、黄雅玲

──转自中央研究院《研之有物》(本文限网站刊登)

责任编辑:李梅

如果您有新闻线索或资料给大纪元,请进入安全投稿爆料平台。
  • 人类虽然生活在陆地上,但经过千年万年的地壳变迁,桑田可能变沧海,古代祖先在地表上的生活遗迹,就被隐没在水中;另一种情况,则是因意外或战争,让飞机船舶随着文物资料一起沉没。广大无垠的海底,其实有着从古到今许多的历史发展足迹。水下考古,就是研究这些的领域。
  • 导览行程通常从中研院大门口开始,一直深入森林步道及生态池,院区内的植物、昆虫与动物,对生态志工而言如同老朋友,路边的一花一草都可以说个故事,一虫一鸟都是令人驻足流连的焦点。
  • 资源稀少、遭遇外来竞争时,我们应该坚持保护自己的资源与利益,还是以更开放的态度与邻人合作?中研院生物多样性研究中心的沈圣峰副研究员发现,受到“逆境”促进“合作行为”的物种,反而展现出更强的族群繁殖表现,更胜顺遂环境下的激烈竞争策略。
  • “泰北金三角”地区的云南人,家人过世时是烧纸作的“假护照”,让逝者可以拿着护照到处移动。为什么会有这个文化现象?中研院黄树民院士,分享过往田野调查看见的故事。
  • 你以为“图文部落客”是现代产物?走进中研院文哲所李丰楙研究员的收藏世界里,你会发现老祖宗将“文字”化为“图像”的功夫发挥得淋漓尽致!这些被用来祭祀祈福,或作居家摆设的图像,其中蕴含的文学与宗教意义,早已普及于古人的日常生活。
  • 百货公司改成用“开放式玻璃柜”兜售商品,商品上也以“明码标价”,采用不二价制度。 这些现代商业制度,与以往店铺内藏商品、靠关系喊价相较之下公平许多,变得有其合理性,不用报上祖宗三代名号都付一样的价钱买东西。
  • 工业革命后,各种产业加速发展,首当其冲就是商业模式的改变。当物资开始充足,我们对生活有另一种想像,百货公司也因而诞生。中研院近史所连玲玲,研究历史悠久的上海百货公司的现代化过程,建构出其背后传达的意识。
  • 因应路程远近不同,康熙四十二年 ( 1703 ) 时曾明确订定赍诏官赴各地颁诏往返的时限,例如从京师到河南、山西一带往返限 30 天。
  • 宫中争权夺位的可怕,坐在龙椅上的皇帝想必体会最深,一方面要让自己坐稳、一方面也要阻止别人窜位,透过颁诏的总动员仪式,将皇帝对自己的期许、对政权的看法布告天下。
评论