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用「生物地球化學」探索物質循環的藍色海洋傳說!

「海洋生物地球化學」是在研究什麼?

由於生物生長及繁殖所需物質能在地球循環及供應,生命也才得以在這個世界生生不息,這個重要的循環過程,在生命之母的「海洋」也正時時刻刻進行中,而負責循環物質的關鍵主角之一,就是遍布全球上層海洋的「浮游植物(Phytoplankton)」。

中研院環境變遷研究中心何東垣團隊,在南海、西菲律賓海、西北太平洋與實驗室之間航行,探索控制不同浮游植物生長及分佈的環境因子,進而刻劃出物質在海洋及地球循環的軌跡。

很多人聽到我在研究海洋,就以為我是在研究魚,但其實不是,海洋中物質的循環機制才是海洋生物地球化學最核心的問題!── 何東垣研究員

是地球還是海球? 地球雖然叫「地」球,但放眼所及絕大部分是藍色的「海」。圖/Google Earth

海洋佔了地球總面積 71% ,在地球生命所需物質的循環,扮演關鍵的角色。

以黑潮為例,黑潮是西北太平洋的主要風吹流,由太平洋北赤道洋流流至菲律賓東部、往北再流經台灣東邊,當黑潮流經台灣東北角時,因海底地形變淺,含有相對高量營養鹽的海水因而湧升,提供給表層海水中的浮游植物豐富營養鹽,進而在台灣東北海域形成漁場。

許多常年行走在陸地上的人們,把享受黑潮帶來溫暖的氣候及豐富的漁產視為理所當然,不見得體會到海洋對我們生活的重要性,恐怕更難意識到人類的所作所為將對海洋產生的影響,要了解這個影響可能的後果,先讓我們來看看海洋中的物質如何循環。

浮游植物:海洋中的物質循環交給我

海中的鯨魚雖然巨大,但對全球物質循環的影響,卻比浮游植物小很多。 因為浮游植物生長很快、消逝也很快,因此一旦影響生存的海洋環境條件稍有改變,不同族群的輪替也十分劇烈。

全球海洋生物量的分布圖,色溫越高代表海水中浮游植物生物量(biomass)──葉綠素愈高。因為營養物質供應相對較多,高緯度、邊緣海、以及湧升流海域的生物量特別高。圖/張語辰、NASA Earth Observatory

海洋生物地球化學的兩大主角,分別是「浮游植物」及其所需的「營養物質」。

浮游植物需要這些營養物質才能生長,但營養物質又源自於浮游植物的分解作用而產生,營養物質在海洋中循環,因而讓浮游生物及生物鏈中的生命得以生生不息。

試著回想去海邊的經驗,若在海水表層用手撈,可能撈不到魚,而是撈起一堆看得見或看不見的浮游植物。若將這些浮游植物帶回實驗室,去除浮游植物體內的水份、並分析其元素組成,數量排名前三名的元素是「碳、氮、磷」,也就是浮游植物的必要營養元素。

浮游植物形成蛋白質需要「氮」,複製 DNA 或 RNA 需要「磷」,許多酵素發揮作用還需要「微量金屬元素」,例如鐵。當海洋中這些必要的營養物質缺乏時,浮游植物的生存會受到限制,若這些營養物質大量進入海裡,浮游植物就會大量生長繁殖。

從物質循環圖可看出,當海中微量金屬元素與營養物質供應發生變化時,浮游植物的生長繁殖也會受到影響。資料來源/Sunda(2010)圖/林婷嫻、張語辰

在中研院環境變遷研究中心,何東垣帶領團隊成員,搭乘研究船親身前往台灣週邊海域採樣,也在東沙國際研究站採樣,研究海洋中微量金屬元素如何影響浮游植物的生長及族群結構變化。

不只是一片海的事,物質供應的變動改寫地球氣候

海洋中的物質循環如何引起「全球尺度」的改變?何東垣以科學家 Konhauser 在 2009 年根據特定時期岩石中鎳(Ni)含量的下降所提出的鎳假說(Ni hypothesis)為例。

海洋由「厭氧條件」轉換成「有氧環境」,是地球生物演化的一個重大關鍵,鎳假說提出這是因為鎳供應不足所造成。

生物體內許多關鍵生化反應,都由「酶」或稱「酵素(Enzyme)」催化進行。酶由許多胺基酸組成,其中最重要的活化區(Active site),大多數由金屬擔當。因此,若生物缺乏特定金屬的吸收、或吸收不足,需要這些金屬的酶就不能作用,生物的生長繁殖便受到限制。

(左)古代海洋中有非常非常多甲烷菌。(中)甲烷菌所需的鎳,透過火山高溫噴發供應至海洋中。(右)隨著火山活動下降、海洋中鎳供應量下降,甲烷菌新陳代謝也跟著下降,被行光合作用的浮游植物替代。圖/何東垣、黃雅玲

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過程中,必須使用三個關鍵含有「鎳」的酶。

這個假說提出:當時鎳主要透過火山的高溫噴發供應至海洋中,隨著地球逐步冷卻、火山活動下降,鎳在海洋的供應量也快速下降。當古代海洋中鎳的供應量下降,導致甲烷菌所產生的甲烷下降,行光合作用的「浮游植物」便逐漸地取代甲烷菌而成為海洋中的優勢生物,讓氧氣得以在海洋及大氣中累積,才進而引發後續生物在海洋及陸地的演化。到底鎳假說是真是假?尚待科學家進一步驗證。

但是在現代的地球大氣環境中,人為活動所生成的物質正大量釋放到大氣中,這些物質中的大部分終將沉降到海洋表面,悄悄並劇烈地改變海洋中的物質循環,而這個物質你我也身受其害──那就是「人為產生的氣膠 (Anthropogenic aerosol)」。

氣膠 PM2.5 來襲!海洋中的微量金屬元素供應激增!

人為產生氣膠,也就是大家熟知的 PM2.5,透過大氣傳輸,挾帶著大量可溶解的微量金屬元素,沉降於海洋表面,足以改變浮游植物的族群結構及物質循環。

當東亞陸地上的人們受 PM2.5 所苦, PM2.5 同時也「飄洋過海」進入海洋,西北太平洋上的浮游植物也同受 PM2.5 所苦。

NASA Terra 衛星顯示東亞人為生成氣膠的傳送幾乎無遠弗屆,本圖顯示東亞產生的人為汙染氣膠隨著季風傳送,影響範圍可以橫越整個北太平洋,抵達美國和加拿大。圖/Pacific Anthropogenic Aerosol Optical Depth (AOD) in 2003

也許單看這個地圖沒有實感,但接下來這張圖片,恐怕會讓人驚呆了。何東垣團隊在東沙島採樣站,用濾紙蒐集 2011 年 1 月東北季風從中國吹來的氣膠,並放大 2000 倍率觀察,看見許多挾帶砂石與微量金屬元素的顆粒。

東沙採樣站所蒐集 1 月份東北季風從中國傳送來的人為生成氣膠(PM2.5),放大後看見許多不規則狀的石化燃料燃燒所生成的氣膠顆粒。資料來源/何東垣研究室,採樣點:東沙 January 2011(致謝:Keyence Taiwan Co.)

人們知道 PM2.5 吸入體內,短期內就會造成過敏、氣喘等病症,長期甚至會引發更嚴重的疾病;這浮游植物從未見過的 PM2.5 溶入海洋後,會對海洋生態系產生什麼影響?

為了尋找這個問題的答案,何東垣團隊在南海東沙及西菲律賓海採集氣膠,同時採集海水中不同大小的浮游植物,回到實驗室分析浮游植物的微量元素及同位素組成,同時也利用實驗室中控制變因下的養殖實驗評估人為產生氣膠如何影響浮游植物的生長及族群結構。

研究結果發現,東亞人為氣膠溶解沉降在西菲律賓海的海水表面,會吸附或膠結在浮游植物細胞表面,大幅度提高浮游植物表面的微量金屬濃度,比值遠高於過往文獻紀錄浮游植物細胞的元素組成,也高於其他主要海洋的浮游植物組成。

圓圈符號代表各個不同大小浮游生物的微量元素組成。綠線是浮游植物體內所含元素比值, 紅線代表氣膠組成、藍線為岩石性氣膠組成。 研究發現吸附在浮游植物表面的微量金屬元素組成遠高於體內組成,其金屬元素組成與人為氣膠物質相近,而非沙塵暴的岩性顆粒。資料來源/Liao et al. 2017

由於這些人為產生的氣膠來自於石化燃料燃燒、各式人為活動、工廠廢氣,不僅含有相當高量的微量金屬元素,也含有各式氮及磷相關的化合物,這些氣膠的沉降將進一步改變浮游植物的生存條件與族群結構。

幾十年前冬天及春天季風所吹來的只是沙塵,可是這幾十年來除了沙塵之外,還同時吹來大量在東亞所產生的汙染物質。這些大氣傳送來的人為汙染物,不僅影響人的健康,也必將影響海洋生態系統的健康。

物質循環很重要,認識海洋熱忱的循環也很重要!

海洋如此廣大,要探究其物質循環全貌,需要更多人一同參與,也並非只能透過嚴肅的論文了解。

除了專業學術研究,何東垣也與畫家黃雅玲聯手推出《看漫畫學海洋》科普教材,用親切的圖畫讓小朋友也能接觸海洋科學的概念,認識海洋、擁有與地球一體的感覺,從海洋的視角培養國際觀,讓思維不局限於台灣陸地。

從小在一個純樸小漁港的苗栗小鎮(苑裡)長大,在一片美麗白沙的通霄海水浴場玩水,在夢幻夕陽美景的西子灣讀大學、又到充滿各式原始天然海灘的澎湖服役,對海洋充滿好奇的初心,就像洋流般將何東垣帶往科學研究的領域,這人生旅程的選擇應當不是偶然。

「我有一個夢想:希望有一天能在綠島建立一個海洋科普館,帶領小朋友及大眾一起出海採集並觀察海裡的浮游植物及動物,透過深入淺出的操作及說明,向大家展現物質如何在海洋循環、帶著大家到黑潮的主流跳入水中,如同《海底總動員》的 Nemo 一樣體驗海洋高速公路,近距離地親身經歷並認識海洋及她的生物地球化學!」 何東垣眼神發亮地分享。圖/張語辰

在動畫《海洋奇緣》中,由於過去的慘痛經歷,一開始酋長爸爸極力阻止女主角 Moana 接近海洋,警告 Moana 海洋很危險,待在物產豐富、平靜安全的島嶼內就好,但當島嶼內面臨危機時, Moana 受到奶奶的鼓勵,鼓起勇氣向外出航冒險,經歷一連串的考驗經歷後,生命因而成長,海洋也教會她許多事,也因而找回地球的生態與物質平衡……。

我們是否也當如同 Moana 一般,勇於體驗?勇於經歷? 勇於挑戰?


延伸閱讀

執行編輯|林婷嫻 美術編輯|張語辰

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本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院

研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook