北极地区，漆黑极夜，海冰之下，光照水平堪称全地球自然界最低，细胞却仍能进行光合作用。
大多数地球生命的能量来源都是阳光。来自太阳的光子经大气过滤后洒落在地球表面，各类植物早已迫不及待。它们借助光子携带的能量启动细胞反应，产生化学能（具体形式就是产生糖）。接着，这些化学能便通过纷繁复杂的过程在由食草动物、食肉动物、食腐动物和分解者等组成的食物网中传递。
若是天气晴朗明媚，地球上到处都是光子。可是，要是在没有那么强光线的环境中，又该怎么办呢？一直以来，生物学家始终有一个疑问：光合作用需要的光最少是多少？或者说，细胞通过光合作用把二氧化碳加工成氧气和能量的这个机制最少需要多少光子以多快的速度抵达植物？此前的计算表明，理论下限大概是每平方米每秒0.01微摩尔光子，或者说一个艳阳天光照的十万分之一。
几十年过去了，上述计算结果仍旧停留在理论阶段，因为在低光照环境中研究光合作用困难重重。即便地球上不乏那种几乎照射不到阳光的地区，也没有人可以实地验证理论计算结果。举例来说，由于地球自转存在倾角，北极高纬度地区的每个冬天一连数月都见不到太阳。海冰上覆盖着数米厚的积雪，阻挡了光线，海冰下的海洋像坟墓一样黑暗。生物学家推测，在这样的环境中，海水、海冰中依靠光合作用生存的微型藻类会在冬季停止活动，直到气温升高、光线回归。
德国阿尔弗雷德 · 魏格纳极地与海洋研究所生物化学家克拉拉 · 霍普（Clara Hoppe）说：“大家之前都认为，极夜中的北极地区几乎不会有任何生命气息，所有生物都在睡觉、冬眠，等待下一个春天到来。不过，我们之前真的从来没有实地考察过那里。”
为了探究黑暗环境中光合作用的极限，霍普于2020年冬天在一艘楔入浮冰的船上住了几个月，度过了整个极夜。她的团队在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表文章。文章报告称，发现微藻在理论最低光照强度环境中（或是接近这种光照强度的环境中）仍能生长、繁衍——远比我们之前在自然环境中观察到的微藻自然生长繁衍环境光照强度低。
霍普团队的这项研究表明，即便在地球上某些最为寒冷、最为黑暗的地方，生命也能在几乎没有光量子的环境中茁壮成长。加拿大埃里森山大学水环境光合作用专家道格拉斯 · 坎贝尔（Douglas Campbell）虽然没有参与霍普团队的这项研究，但仍然对这项工作大加赞赏：“霍普团队的这个工作成果非常重要。它表明，至少部分浮游植物在某些环境条件下可以利用极微弱的光线做一些非常有用的事。”
黑暗侧的力量
按照传统观点，科学家眼中的北极一年中大部分时间里都是一个静止的地方。冬季，能逃离冰冷海水的生物都会逃离，至于那些逃不走的，就以冬天前储备的食物为生，或者干脆进入寂静的长眠。接着，等到阳光回归，这个地方就会重新焕发生机。进入万物竞发的春季，以光合作用为生的藻类和其他微生物数量的激增会重启整个北极生态系统，为微小甲壳动物、鱼类、海豹、鸟类、北极熊、鲸等生物的狂欢提供动力。
在霍普看来，比所有竞争对手启动得都更早的浮游植物在夏天会更为成功。同时，这也让她好奇，这些生物到底什么时候能够对反射回来的光做出反应。
2015年，霍普参与了挪威斯特罗姆瑟大学研究人员领导的一个项目，研究过程中，她的观点受到了极大冲击。冬季，这支跨学科团队在斯瓦尔巴群岛附近的水域发现了一个意想不到的繁荣生态系统。其中，有些生物——尤其是蛤蚌——甚至比夏季还要活跃。出乎所有人意料，浮游植物此时竟也没有休眠：霍普在浮游植物所在海水中测量得到的叶绿素含量结果高于所有人的预期，而叶绿素含量高低可以有效表征光合作用活跃程度。霍普发现，许多浮游植物并没有下沉到地表沉积物中并以“休眠模式”过冬，相反，它们在冬天仍然活跃，细胞运作完全正常。
霍普说：“既然这些生物在冬天都这么活跃，那显然就有一个问题，它们什么时候开始重启自身在生态系统中的功能？”从这一刻起，霍普开始好奇极地海洋那广阔无边又无比冰冷的黑暗。
2020年年初，霍普发现自己无意之间直接测试了光合作用的极限。当时，她驻扎在一艘故意扎进浮冰中的破冰船上，并且在整个极夜期间关闭了发动机，任凭船身随海浪漂流。 在此期间，由北极圈气候研究跨学科漂流观测站（Mosaic）探险队科学家构成的轮班团队在“极地之星”号上不遗余力地收集与北极冬季相关的数据。
在24小时不间断的黑夜中，在大片大片泛着微光的浮冰包围下，霍普和她的同事们顶着-60℃的寒风收集数据。冰面上的裂缝、凸起频繁地迫使研究团队改变前进方向，最终让他们走进了一个永久冰洞。霍普和她的团队在这个名为“海洋之城”的冰洞中收集了数百升海水样本，然后把这些样本拖回破冰船上做分析。
霍普团队做了两套平行测量。其一，他们从海水和海冰中采集微藻样本，并回收至破冰船上的实验室。他们在那里培育细胞，并为这些细胞提供碳（具体数量可以用同位素或原子核中的中子数追踪）和少量的光（不过，比在冰下能获取的多得多）。通过测量细胞的碳吸收率，霍普团队便能估算出这些生物光合作用能力的极限。
其二，霍普团队还定期采集正常海水样本，追踪浮游植物和叶绿素含量随时间的变化情况。霍普说，整个二月，这两套平行测量得到的数据几乎都没有任何变化。然而，到了三月末，微藻的碳吸收量飙升，并且，细胞数量和海水、海冰中的叶绿素浓度也随之上升——标志着生物生长和光合作用的开始。对此，霍普和她的团队提出了许多可能的解释并且加以测试。最后，他们意识到：微藻光合作用的上升恰逢春季第一缕阳光的回归。
2019年秋天，破冰船“极地之星”号主动把自己楔入一块浮冰，然后便关闭了发动机。在随后的几个月里，它随着海冰四处漂流，成为科学家研究北极极夜物理、化学、生物学特性的科研基地
左图：海洋之城浮冰上搭起的一顶帐篷，它充当了科学家的临时科研基地。右图：科研人员在海冰上开了一个永久性的洞，并以此为窗口收集海水。随着浮冰在北极海域漂流，采样区域自然也发生了变化
然而，霍普表示，在这次北极探险结束3年后， 另一个部门的其他研究人员给出了一条关键证据。同时参加这次探险的另一个物理学家团队当时测量了海冰之下的光照强度。霍普说：“这是个历史难题。一般来说，海冰下光照强度的测量一定会受到很多人为因素的干扰。因为测量总要钻洞，测量人员总要来回走动，这些都会影响海冰下的光线分布——甚至连附近踩在冰雪上的脚步声都会。”
为了解决这个问题，海冰专家、物理学家尼尔斯 · 福克斯（Niels Fuchs）和他在“极地之星”上的研究团队在冬季来临之前就在研究地点的浮冰周围放置了精度极高的光传感器。等到冬季到来之后，这些仪器便冻结在海冰底部过冬。接着，这些光传感器就像研究野生生物的学者在偏远地区安置的追踪摄像机一样，在不受干扰的情况下一连数月记录海冰下的光照数据。
每年二月，北极极夜陷入几乎绝无仅有的黑暗，即便是明亮的月光或是偶尔出现的落日日光释放的光子也无法抵达海冰下方的黑暗水域。然后，到了三月下旬，太阳会短暂地在海平面上露面。在此期间，冰层下的光传感器记录到的光子数量少得可怜：上限是每平方米每秒0.04微摩尔个光子，非常接近启动光合作用所需的理论最小光子数量。另外，海冰下的实际光子数量很有可能比这个测量值还低。
福克斯说：“相比普通晴天，我们在北极海冰底下探测到的光照强度，就相当于一滴水和3升水的区别。”
福克斯还补充说，他们的这个估算结果还是比较保守的，实际上通过海冰进入海水的光子数量甚至可能更少，因为“冰层分布非常不均匀”。也就是说，某些区域的冰层会比其他区域的冰层透光率更高，而这个研究小组选择使用他们得到的光测量值的上限。“说到底，真实情况肯定会和我们给出的结果有所出入，而我们真的希望能够谨慎一些，所以不想冒险把赌注押在偏低的那个区间，毕竟，我们无法100%肯定真实的光子数量就是那样。”
结合福克斯的海冰下光照数据和霍普观测微藻得出的结果，就能得到以下判断：三月末，也就是北极地区刚刚恢复日照的时候，微藻不仅启动了自身的光合作用机制，而且还在生长并积聚生物量。霍普团队总结，这意味着，他们第一次在接近理论最低极限的环境中实地考察了光合作用机制。所谓“接近理论最低极限”，指的是这种环境中的光子数量比自然环境中的光子数量低一个数量级。
为了测量穿透海冰的光子数量，物理学家尼尔斯?福克斯提前几个月将光传感器冷冻在浮冰上，并让它们在那里不受干扰地记录数据
无眠之夜
能够在这样接近理论供能极限的环境中实地考察光合作用，霍普无比兴奋。然而，这项发现也提出了一个问题：处于休眠状态的细胞是怎么做到当春天的第一缕阳光进入冰层就立即启动它们的生化机制的？
霍普团队做进一步研究后发现，在北极极夜最黑暗的时期，微藻的碳吸收量在测量结果中没有表现出上升的迹象——也就是说，它们既不生长，也不进行光合作用。然而，它们也并非完全休眠。微藻细胞只是以最低能耗保持运转。接着，等到三月末，当光照强度达到足以支持活性炭固定反应的时候，微藻便立刻做好了开始行动的准备。
坎贝尔说：“这就有点像是温床或者疫苗接种。这种有效利用有限光照的能力提高了机体的生存能力，等到充沛的光照回归的时候，它们便可以做好准备、迅速行动。”
研究人员并不能完全确定微藻是怎么在最黑暗的时期保持活力并能及时摆脱休眠状态的。有些藻类——比如硅藻——可以直接摄取溶解在水中的有机营养物质。或许，其他种类的微藻可以依靠穿过冰缝的杂散光子或者一些能自发光的生物发出的光子维持生计。又或者，极地地区的藻类进化出了独特的生化机制，可以在寒冷的温度下保持新陈代谢，这样便可以在第一缕阳光进入冰层后迅速复活。
普利茅斯海洋实验室浮游生物专家凯文 · 弗林（Kevin Flynn，他没有参与霍普团队的这项研究）说，微藻的这种适应机制可能对北极地区的生态非常重要。他说：“这些生物（可能比我们原来认为的）更早做好了准备。霍普团队的这个发现非常重要，因为他们从实际层面检验了自然界发生的真实情况。”
不过，弗林并不完全相信微藻细胞在三月末的生长是通过光合作用发生的。他表示：“叶绿素的出现或浓度上升并不意味着微藻为了生长而进行光合作用。它们或许只是利用现成的有机物制造更多叶绿素，为未来的光合作用做准备。因为，随着时间的推移，光照迟早会出现。另一方面，越早为光照恢复做好准备的生命后续就能获得越多生存优势。”
坎贝尔的观点则与弗林完全相左，他认为，北极藻类重启光合作用的时间甚至早于霍普团队得到的结论。坎贝尔说，霍普团队对北极海冰下光照水平的估计太保守了，光合作用可能早在生物量积累到可以被仪器测量出明显变化之前就开始了。在坎贝尔看来，“这些生物的生活环境完全可能正好处于或相当接近生化热力学极限”。
无论如何，霍普团队和福克斯团队的这两项发现描绘了一幅北极地区（可能还包括其他地区）极夜期间的新生命发展图景。即便在那样的环境中，生命的活动或许也不是拥挤地集中在那短短几个月的夏季。相反，这片水域很可能全年都相当高产——至少，全年都有生命活动。霍普表示，这幅新图景可能会改写我们对北极圈生物生命周期、相互作用和能量储备的认识。
同时，霍普还好奇，北极这些浮游植物在接近绝对黑暗的环境中仍能生存的能力，是否与深海中那些更寒冷、更黑暗水域中的某些藻类一样。如果事实果真如此，那么海洋中生物活动活跃的区域大概率超出之前所有人的预想。霍普表示：“如果极地浮游植物能够演化出这些机制，那么我敢肯定，地球其他海洋中其他区域的浮游植物也能做到同样的事儿。”
资料来源 Quanta Magazine
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本文作者阿什·艾尔贝因（ Asher Elbein ）现居美国得克萨斯州，是一位记者、作家、艺术家。