海洋中的碳去了哪裡？

幾乎每一個生物，大到巨型噴水藍鯨，小到微生物，都以某種方式使用碳。但是在深海中，所有的碳都是不平等的。

雖然碳的一些形式如糖和蛋白質，很快會被微生物吞噬，但其他的形式，如魚鱗片和海洋生物外骨骼中發現的甲殼素，則很難消費掉。科學家們長期以來一直認為，這種所謂的難降解碳（refractory carbon）很少被吃掉。其中大部分只是沉入海底與沉積物結合，而某些所謂的難降解分子懸浮在海洋中，與水流一起漂流數千年。

現在，一組研究人員已經證明，沿大洋中脊存在的地下蓄水層就像自然生物反應堆一樣，吸引寒冷的含氧海水，使微生物更多分解難降解碳碳，目前科學所探測到的只是一部分。彼得·格爾吉斯（Peter Girguis）是一位組織生物學和進化生物學教授，他與研究員蘇尼·沙阿·沃爾特（Suni Shah Walter）共同領導這項研究。該研究於4月23日發表在《Nature Geoscience》上。

「這有可能重塑我們已知的深海碳循環的方式，」格爾吉斯說。「不同於在實驗室里建立一個小型反應堆，使用10升的水，抽水以得到一些結果；這是一個天然的實驗室。在一天結束的時候，我們的組織想知道碳發生了什麼，我們知道它是由光合作用的藻類產生的，知道魚會吃一些碳，還知道有一些部分碳下沉了。我們可以對此作出解釋，但預算中有一些巨大漏洞，使我們無法得出準確結論。」

儘管這項研究開始縮小這些差距，但它也有助於闡明深海碳循環的一部分——這一直是個謎。

沙阿·沃爾特說：「我們不知道以前所有的碳都去往哪裡，後來發現地下蓄水層是答案的一部分。大多數流經地殼的流體可能都是這樣的，只是我們以前對它們的情況不太了解。」

國家科學基金會海洋科學分部的項目主任邁克爾·西拉基（Michael Sieracki）說：「這項研究表明，巨大的海底中，微生物群落可以以通過深海地殼循環的海水為食。正是海洋科學部資助了這項研究。「反過來，這些微生物改變了海水的組成，然後再循環回海洋。」

格爾吉斯說，該體系的核心是海洋中脊，這是一條環繞全球的巨大的海底山脈鏈。作為構造理論發展的一個關鍵部分，山脊就像對流單體（convection cell）一樣，水滲透到山脈兩側的裂縫中，當它靠近地軸時會受熱，那裡的岩漿靠近地表。當受熱的水上升時，冰冷的含氧海水被拉入岩石中，形成了一個巨大的含水層。

對於致力於理解海洋碳循環的科學家來說，含水層是在幾乎理想的條件下研究海洋的難得機會。他說：「我們對碳在海洋中的去向的理解是非常基礎的。這讓我們有機會去這個自然實驗室，並首次……在A點進行測量和在B點進行測量，並討論它們之間發生的一些活動。」

2011年，一個國際研究小組於大西洋中部的某個地點的海底鑽探了一系列水井，他們將其命名為「North Pond」，從中收集水樣，以確定哪一種微生物是以含水層為棲息地，以及它們是否有能力消耗碳。

據沙阿·沃爾特說，科學家們對他們的發現感到驚訝。他說：「當研究小組從含水層中提取液體時，他們並沒有料到它會與海水那樣相似。所有的計劃都是為了那些看起來更像其他熱液的流體。」它可以顯示出高水平的甲烷和低水平的氧氣。

例如，他們準備測量甲烷。但是乍一看，「North Pond」的流體在化學性質上看起來和海水非常相似，所以那時我就被吸引了，因為我的工作集中在露天海洋上。因此，這是一個獨特的環境，我們可以利用這個天然的孵化器。在樣品出來後，我們就明白了這一點。」

雖然格爾吉斯和他的同事們展示出含水層中的微生物可以消費碳，但是他們仍然不知道它們有多活躍。

格爾吉斯說：「根據目前有限的數據，我們已經能夠證明水是以一定的氧氣濃度進入的，當它下降時，碳就會成正比地下降。這就使我們高度確信微生物正在消費碳並使用氧氣。」

在隨後的測試中，格爾吉斯和他的同事們發現，千年內，隨著水流過含水層，容易食用的碳在短短几百年內就會很快被消耗掉。更重要的是，他們發現有跡象表明，難降解的碳也被吃掉了。

他還補充說：「令人興奮的是，很長一段時間以來，甚至是今天，人們都在爭論難降解碳的被食用速度。不過這一天然實驗室不僅僅向我們展示了碳被生物降解，還有其被食用的時間。」

最後，格爾吉斯表示，這項研究強調了如何理解海洋的深度，從而更好地全面了解海洋。

「我們認為整個海洋每隔10萬到20萬年就會通過這個大洋中脊系統，」格爾吉斯說。「如果整個海洋通過這個含水層循環，我們認為這可能是典型的微生物——海水相互作用的最佳代表，因為它會通過該系統。」

「在我們得到這些數據之前，我們的認知存在很大差距，」他補充道。「我們以為水是在這裡被拉進來的，所有的過程都是在加熱的時候發生的。但我們認為那點已經不再正確了，特別是因為這些微生物正在吃這種難以食用的碳。」

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