生活在现代社会的我们每天都耳闻无数的科技进步，很容易对生物科技对我们世界的巨大改变变得不甚敏感，最近出版的《自然》子刊Nature Outlook《自然展望》以专题形式就此做了某种提示，五位顶尖科学家分别介绍了他们的研究领域――海洋健康、气候变化、癌症、干细胞和合成生物学是如何改变着我们的生活。由于这组题为“透视生物学”的文章原本是为那些只具备初步科学知识的读者而写，所以作者尽可能以浅显的方式表述，而这种新颖可读的风格也能为对科学有兴趣的所有读者阅读。文章还附了对每一位作者的访问，介绍这些科学家面对的一些争议和挑战。从本期起，本刊对这组“透视生物学”专题分别进行介绍，以飨读者。
――编者
科学家一直在关注，漂浮在海洋表层海水中的微生物在控制全球气候变化方面是否起着巨大的作用？我们可否在对浮游植物进一步了解的基础上帮助地球恢复碳循环平衡？根据最近成为焦点的研究，浮游植物在大气层与生物圈之间的二氧化碳的循环中起着极为重要的作用，这种循环帮助维持了对地球气候稳定的控制。
海洋中充满着无数的微生物，由于它们实在太小，肉眼一般看不到它们，这样的微生物种群我们称之为浮游植物。尽管它们很小且微不足道，但几十年来的研究表明，正是这些小小的微生物助推了全球碳循环。眼下，海洋生物学家正在作进一步的研究，逐步揭开微生物及其基因的重要作用，并提出了浮游植物如何进化的新问题。
我们可否在对浮游植物进一步了解的基础上帮助地球恢复碳循环平衡？
大海呈现出一派生机：辽阔的海洋上，色彩缤纷的热带鱼在珊瑚礁的海葵中间掠过，垂钓者坐在甲板上，等着大马哈鱼上钩，海豚在水里快乐地嬉戏，包括海洋中丰富的动植物资源给人类提供食物和探险的机会。大海让人产生敬畏感和惊叹感，但是，如果没有那些漂浮在海洋上层100米处的无以计数的单细胞浮游植物，这一切都不会出现。
海洋浮游植物分为蓝藻和单细胞藻类两大类，包括浮游生物在内对地球生态起着多种作用：直接或间接地为几乎所有其他海洋生物提供食物；进入地球大气层的氧气中，大部分是由这些浮游植物群产生的；浮游植物的化石残骸在巨大的地质力量作用下，最终变成石油。此外，根据最近成为焦点的研究，浮游植物在大气层与生物圈之间的二氧化碳的循环中起着极为重要的作用，这种循环帮助维持了对地球气候稳定的控制。
浮游植物与海洋化学元素之比
20世纪30年代始，人类就认识到浮游植物对全球生态的重要性，海洋学家经过多番考察研究，收集到成千上万来自世界各地深海（水深500米以下）的海水样本，测量了这些海水样本中碳、氮和磷的相对含量（这些元素都是浮游植物基本细胞分子元素所需要的）。哈佛大学的阿尔弗雷德·菲尔德（Alfred Redfield）意识到，海洋中这些元素的比例决非偶然。各个海洋区域的采样表明，氮原子与磷原子在深海海水中的比例为16：1，与浮游植物的比例相同。
究竟是浮游植物的化学构成反映了大海中化学成份的比例？还是这些微生物决定了广袤水域的化学构成？
20多年来，令菲尔德和其他科学家一直感到困惑的是，为什么浮游植物和海水中某些化学成分的比例会是相同的呢？1958年在概念上他终于获得了一个重要的飞跃，当时菲尔德提出，浮游植物不仅反映了深海的化学成分，而且还是大海中化学成分比例的创造者。他提出，深海植物以及以浮游植物为食的动物在死后，与其他海洋生物的排泄物一起沉到海底深处。与此同时，深海微生物分解着动植物残骸及海洋生物的排泄物，使得海水中的化学成分氮和磷始终保持着相同的比例。
大海并不是微生物塑造和改变生态环境的唯一地方。从菲尔德的时代以来，科学家们发现，微生物对于我们这个星球上的空气和土地化学成分的形成比例起着很大的作用，其最为功不可没的是，无数的浮游植物最早创造了地球上富含氧气的大气，让我们人类和其他所有动物都可以自由呼吸。
通过对各种已知年龄的岩石和矿物进行的分析，地质学家发现，在地球46亿年的前半段历史中，地球大气层中几乎没有氧气，直到24亿年前，氧气才开始在大气层中一点点积累起来。科学家在岩石中发现了蓝藻化石，其近亲――现代生活在海洋中的海藻，利用太阳的能量进行光合作用，将水分子分解成氢气和氧气。在大气层中氧的比例逐渐上升的20亿年里，地球上还一直没有产生氧气的陆地植物，正是这些能够进行光合作用的海洋微生物，创造了地球富含氧气的大气层。
今天，不同种类的微生物，尤其是海洋微生物，回收了其他微生物产生的废物，进行着对生命至关重要的一些化学元素的循环过程。蓝藻和其他一些微生物将氮气（N2）转换为铵（NH4+），这些是构成细胞的氨基酸和蛋白质必不可少的。包括其他不同的微生物将氨基酸和其他有机氮化合物转换为含氮的气体返回到大气中，以及帮助推动生命所必需的铁、硫和磷等的循环。
浮游植物为绝大多数海洋生物提供维持生命所需的有机物质，同时消耗掉海水中的二氧化碳，否则过多的二氧化碳溶解在海水中，会导致增加海洋的酸性。浮游植物还是海洋食物链中最基本的一环，起到了去除海水中的二氧化碳和降低其在大气中浓度的作用。碳原子从大气到生物圈，再到陆地，然后返回到海洋，沿着这样的循环路线，浮游植物在全球碳循环中起到了关键性的作用。
显微图片中结构多样、美不胜收的浮游植物
浮游植物与地球化学元素循环
那么，我们是如何知道某些化学元素，比如，碳是如何在广阔的海洋和大气中循环的？最初的线索来自于1952年，当时的丹麦生态学家埃纳尔·S·尼尔森（Einar S.Nielsen）推出的一项重要技术，这项技术揭示了海洋碳循环的奥秘，使科学家能够对海洋生态系统的初始产出进行测量：即浮游植物通过光合作用满足对能量需求之后结合进体内的有机物质的量。
为了进行测量，尼尔森在海水样本中加入了含有放射性同位素碳14的碳酸氢钠。他发现，当样本置于阳光下时，浮游植物将海水中的碳14吸收进身体组织；然后，他将浮游植物从海水中分离出来，并对它们细胞中碳14的放射性衰变进行测量，由此计算出结合进有机体的二氧化碳总量。
浮游植物也是海洋食物链的基础，为几乎所有的其他海洋生物提供有机物质。浮游植物的初级产出限制了甲壳、鱼类、鲨鱼、海豚和其他海洋生物的生长，就像陆地植物的初级生产力限制了大象、长颈鹿和猴子等的增长一样。通过确定浮游植物的初级生产力，海洋学家可以判断浮游植物能从大气中吸收多少二氧化碳。
30年来，海洋学家利用尼尔森的碳14测量技术解答了一个重要的生态问题：全球范围内浮游植物能产生多少有机物质？科学家在全球几千个测量点检测浮游植物的固碳速度，但据此估算的初级生产力显然过低。如果这些数字是正确的，海洋浮游植物的繁殖周期应为16～20天。但研究浮游植物的海洋生物学家认为，浮游植物的生长速度实际上比这要快得多。显然是哪里出了错？
20世纪80年代后期，美国加州莫斯兰丁海洋实验室的化学家约翰·马丁（John Martin）意识到，差错可能与样本污染有关（海水样本大都接触到用于密封的O形橡胶圈）。因为橡胶制品在制造过程中经硫化处理后会含有微量锌和铅等金属物质，并从O形圈渗入到样本中，使得浮游植物被污染。其结果误导了三十多年来对海洋浮游植物初始生产力的测量结果，使科学家严重低估了海洋对全球碳循环的重要性。
尽管马丁等人开发了新的取样技术，以及通过数学方法对浮游植物的初级生产力进行精确测量或推断，但仍远远不够，没有人能确切知道全世界的浮游植物从海水中吸收了多少碳。因此，科学家将目光转向了美国宇航局（NASA），通过卫星携带的海岸带水色扫描仪（CZCS），每周一次对整个地球的浮游植物种群进行监测。
在海洋中，只有体内含有叶绿素a的浮游植物才拥有进行光合作用产生氧气的能力，叶绿素a使浮游植物可吸收更多的蓝光。这样的浮游植物越多，叶绿素a也越多，从太空中观察到的某区域海水颜色更深便能说明这一点。利用CZCS测量方法，多个研究团队的结果都表明，全球浮游植物将多达450～500亿吨的无机碳吸收到了其细胞组织中，是以往最高估计量的二倍。这是一个惊人的数据，浮游植物将二氧化碳转化为植物和动物组织的重要性变得日益明确起来。
浮游植物的吸碳能力相比陆生植物又怎么样呢？1998年美国新泽西州罗格斯大学卡内基研究所的研究小组从CZCS和卫星的测量结果中得出了相关数据。
研究结果发现，陆生植物每年吸纳520亿吨无机碳，只有原先估计的一半多。结果同时表明，我们大大低估了全球海洋浮游植物的影响，虽然它们只占地球上能够进行光合作用生物体的1％，但却占据了世界初级产出的几乎一半，使得浮游植物对地球上的碳和二氧化碳的影响力相当于世界上所有陆地植物加在一起的影响力，这一结果令许多生态学家大为震惊。
浮游植物是海洋的“生物泵”
浮游植物对于地球碳循环如此重要，我们需要重新考虑浮游植物死亡后对地球生态的影响。生物学家对浮游生物总生物量进行了估计，并测算出海洋中任何时候都生活着10亿吨左右的单细胞微生物，新生长的浮游植物每年估计有450亿吨，是任何给定时间浮游生物总生物量的45倍。因此，浮游植物每年自我更新约是其自身的45倍，大约每周一次。相比之下，世界上陆生植物的总生物量多达5 000亿吨，其中大部分为树木。但相同的计算方式表明，陆生植物完全更新的周期大约为每隔十年。
浮游植物无根无枝也无叶，那么它们吸收的有机物质都到哪里去了呢？生物学家认为有两种情况，首先，在被阳光照射到的海洋上层100米范围内的浮游植物成为了异养生物、海洋动物的食物，还有其他一些微生物通过分解浮游植物的有机物获得能量和营养，以构建它们的身体组织。在这一过程中产生的二氧化碳，即刻被其他利用二氧化碳和太阳能量生长的浮游植物吸收。在阳光照射的海洋上层，二氧化碳水平稳定，其气体不被输送至深海。
第二，浮游植物的残骸、海洋生物的排泄物，以及其他海洋生物死亡后的遗骸会慢慢下沉到500米以下的深海，在那一片寒冷黑暗的水域中，食腐动物和微生物将这些有机物质分解成各种化学成分。由于深海的水体很少与漂浮在上层的温暖水体产生混合，二氧化碳和其他简单的营养素都将被储存在深海里。深海环流循环缓慢，在经历几个世纪的漫长时间，才有机会将富含二氧化碳的海水循环到海洋表层，再返回到大气中。与此同时，上层海洋的生物泵在历时几百年才能发生作用，将二氧化碳传递到深海中。
事实上，这两种情况同时都在发生着。2000年，夏威夷大学的一个研究小组发现，阳光照射到的海洋上层，浮游植物和其他生物每年将产生的大约15％的有机物质被泵送到深海，其中大约0.1％被埋藏在海底，或困在沉积物中，或地壳中。如果条件合适，成为化石的藻类植物在经历几百万年的时间最终转变成为石油。
长期以来，我们一直在用浮游植物化石的石油给汽车提供燃料，给住宅供热，每年我们消耗掉的石油需要一万年才能形成。伴随着我们燃烧陆生植物化石（煤炭）的做法，造成了大气中二氧化碳水平剧增，达到了390 p.p.m以上（比工业革命前高出40％），正在推动着全球变暖。但如果海洋上层的浮游植物停止向深海传递碳，大气中二氧化碳的水平将上升200p.p.m，全球变暖将进一步加速。
严重的是，全球变暖已开始影响到浮游植物的碳的“驱动泵”的速度。美国俄勒冈州立大学研究人员在一项研究中，将卫星测得的海洋叶绿素a数据与1999年和2005年的全球温度进行比较后发现，海洋上层海水在变暖，致使海水密度降低，所载营养物质减少，浮游植物的生长率随之降低，向深海传递的碳也越来越少。研究人员为此认为，随着气候变暖，海洋固碳能力随之降低。如果这种情况持续下去，将会改变海洋生态系统，降低渔业生产能力，并导致更多二氧化碳逸出到大气中。
令人稍感安慰的是，一些高纬度地区的海域，如北太平洋的冰冷海水变暖时，海洋固碳能力还有可能加速。
海洋基因组学揭示更多秘密
浮游植物显然在全球二氧化碳和其他元素的循环中起着至关重要的作用，但它们并不是大海中唯一的微生物。在海洋中还有多少其他的微生物？它们在海洋和地球生态中起着什么样的作用？多年来，没有人知道如何解答这些问题。
20世纪90年代发生了变化，海洋微生物学家开始利用分子生物学技术，对海洋微生物的生物多样性进行了调查。他们分离出海水样本中所有微生物的DNA，通过一种叫做聚合酶链反应技术进行分析，通常在每份海水样品中可揭示数百种微生物的秘密。
21世纪初，生物学家借鉴人类基因组计划的方法，加速了对生物多样性的搜索工作。其时，分子生物学家开发了许多强大的技术和计算方法，测序和分析速度比以前快了数千倍。其中分子生物学家克雷格·文特尔（Craig Venter）参与开发了这些技术的其中之一的鸟枪法测序技术，即某有机体DNA被随机分成许多小的片断进行测序，然后通过计算机程序重建原始的DNA序列。
当文特尔团队于2000年完成第一个人类基因组测序工作后，开始将注意力转向了大海，他和团队成员在北大西洋中部的马尾藻海（那里因海面漂浮着大量马尾藻而得其名）收集了数百公升海水样本，将样本中的微生物筛选后，再将其DNA进行分离，最后几乎以产业化的规模对DNA进行鸟枪法测序。
通过对超过160万个克隆的DNA片段的核苷酸序列进行确定，他们发现了1 164种不同微生物的证据。据他们估计，即使以这种工业化规模的测序手段，目前没有检测到的物种还占98％。也就是说，在一小片海区内，就有着多达47 000多个物种，可想而知，辽阔大海中的生物多样性之巨是我们难以想象的。更何况，马尾藻海只是海洋生物活性较差的地区之一。
文特尔的研究打开了大规模海洋基因组学研究之门。到2011年，微生物学家已经确定了2 000万个基因，通过测序，科学家发现了之前未被发现的新陈代谢形式，以及新的类型的微生物。这其中许多是微生物生存所必不可少的，其中大约1 500个基因具有特别重要的意义――由这些基因编码形成的蛋白质用于进行光合作用，在为大气层提供氧气的同时，将二氧化碳转换成有机物质。其他基因编码的酶也起着多种作用――与氧一起燃烧有机物质产生能量，返回二氧化碳和完成碳的循环，以及将空气中的氮元素转换为生物体构建机体组织所需要的氮等。
由这1 500个基因编码的酶所起到的作用并不仅仅是维持生物体的生存，更重要的是，它们能够氧化和还原生物体中丰富的各种元素：氢、氮、硫、氧、磷，推动这些元素在全球范围内循环，让地球保持一个适宜生命存在的环境。
我们所要面对的更多问题
了解得越多，摆在我们面前的问题也越多，包括属于基础生物学领域的一些问题。例如，是什么样的进化过程供养了这样一个非比寻常的多样化的微生物群体？微生物在生物地球化学中所起的关键作用还有多少尚未被发现？这些基本的反应是如何演变的？以及微生物群体是从什么时候开始变得无处不在，以致于足以对陆地、海洋和全球大气产生影响？
其他还有一些实际存在的问题。例如，随着人类将更多的氮投入海洋，将更多的碳排放到大气层中所造成的死亡区域和扰乱地球气候，那么，浮游植物需要花多长时间才能够清除由此造成的混乱？还有，我们能否从浮游植物的基因中获取碳氢化合物而从此不再钻探石油了吗？包括我们可否使用其他生物体的基因帮助收获来自太阳的能量吗？以及我们可否学习浮游植物独特的代谢方式，开发清洁燃料，不再向大气中排放驱动气候变化的二氧化碳吗？
海洋中的微生物最终会一直生存下去，也会继续帮助恢复地球生物、化学的稳定状态，就如同它们一直在地球上生存了几十亿年一样。如果我们更好地理解它们，或许可以在帮助它们的同时，也帮助人类自身更好地生存下去。
资料来源 Nature
责任编辑 则 鸣
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本文作者保罗·法尔科斯基（Paul Falkowski），罗格斯大学地质科学及海洋、海岸科学研究所教授。