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控制海洋生物的幕后力量
海洋是一座蕴含各种元素的大宝藏.其中有些元素很丰富,比如使海水变咸的钠和氯,而另一些的含量则微不足道,但却有着不容小觑的作用：有铁的地方生命茁壮成长；汞有致死的能力；硒含量的高低关系着物种是丰富多样还是面临灭绝……
就像看不见的木偶大师一样,这些微量元素牵制着海洋生物,既可以赋予其生命也可以将其扼杀,然而我们却很难追踪它们的痕迹.不过,总有人在坚持,一个新的国际科学研究计划———“海洋中痕量元素及其同位素的地球化学研究”（GEOTRACES）是旨在测量出海洋中微量元素的变化的全球合作项目.这个项目揭示了微量元素从何而来,以及它们如何控制着海洋生态系统.
浮游生物的铁肥料
即使是在富含铁的区域,每立方米海水中也仅有30 微克的铁.铁元素在人体中有造血功能,参与了各种蛋白质的合成,促进生长.铁对于海洋生物同样也很重要,尤其是浮游生物,若是没有铁则无法合成叶绿素,进而影响光合作用,此外铁还影响着它们对氮和磷的营养盐的吸收.
那么,对海洋如此重要的铁来自哪里？其天然来源是陆地岩石风化后,通过气流和江河带入海中.此外,在对大西洋、太平洋、南北极和北冰洋的巡航测试中发现,深海热液喷口也向海水中注入了大量的铁元素.不过铁元素在海洋中的分布很不均匀,会随着时间的流逝形成沉积物而渐渐沉入海底,所以有些地区的海洋表层极其缺铁.
而有些科学家把海洋当成是温室气体的处理厂,寄希望于能够通过浮游生物的光合作用,把自工业时代以来排放的大量二氧化碳吸收掉.由于有些海洋表层缺铁,所以他们建议应该给海洋施点“铁肥”,以促进浮游生物的生长来遏制全球变暖.当然,这种往海水中播种铁的方式是否能够起作用,目前还处于验证阶段,相关的争论也比较多.
太多也不好的氮
氮和磷是植物生长所必需的元素,没有氮,生物就无法制造蛋白质,研究发现,氮的含量影响着海洋生物的数量.
在陆地生态系统中,人们往土壤中添加了各种氮肥和磷肥,以提高农作物的产量.但我们付出的代价是,大量的氮和磷从农田流入河流和海洋.我们所知道的是,海洋中的氮和磷过多会造成富营养化,引发藻类爆炸式生长,过多的藻类疯狂消耗海水里的氧气后足以使其他生物没了呼吸的空间,形成所谓的海洋死区.
另一方面,海洋中氮含量的提高和气候变化之间会相互影响,形成恶性循环.从农业土壤中流失形成的富含氮的水,会进一步形成一氧化二氮,逸散到大气中.一氧化二氮也是一种温室气体,同时还是破坏臭氧的罪魁祸首之一.大气中三分之一的一氧化二氮来自于海洋,可见海洋中隐藏的微量元素可以影响全球的生命.而大气中氮含量增多后,随着降雨也会将更多的氮又送回海洋,加剧富营养化.
物种多少硒说了算
硒元素对大多数生物来说都是必不可少的,包括我们人类.我们从各种各样的食物中获取它,然后它会参与某些蛋白质的合成,起到调节激素水平、清除毒素和支持神经系统工作等作用.海洋中硒元素的含量必须维持在一个恰当的浓度范围,才能适合生物生存.甚至有研究认为,在5 亿年前,当大多数动物群首次出现在地球上时,它还推动了寒武纪生命大爆发.
但在高浓度的情况下,它可能是有毒的.自然界中的多种矿物中都有硒元素的存在,硒可以从被侵蚀的岩石中释放出来,并被带入海洋.硒在生活中也有广泛的应用,如复印机的硒鼓、动物饲料添加剂和植物杀虫剂等.因此人类活动也产生了大量的硒化物,相关行业的大型工厂也产生大量含有硒的废水,这些废物废水排放到生态系统中,会对生物产生不良影响,导致出现了很多畸形的鱼类和其他动物.
硒的含量必须维持在一个微妙的平衡中,如果偏低也会引起严重的后果.硒含量偏低至少与三次的地球生物大规模灭绝有关.在奥陶纪、泥盆纪和三叠纪末期,当这三个至今仍是未解之谜的物种大灭绝发生时,海洋中的硒含量下降了两个数量级,比现在的水平低了很多,远远低于维持动物生命所需的水平.
珍爱生命,远离汞和铅
汞在细胞内不仅不会起到什么有益的功能,反而对生物的神经系统有害.一旦它在海洋中浓度接近毒性水平,就会在水生生物中形成汞,引发动物大脑损伤、新生个体畸形和繁殖率降低等后果.
像汞一样, 铅也会在食物链中累积.它被浮游生物吸收,然后进入食草动物和食肉动物的体内,不断富集,最终对食物链顶端的动物———人类,也产生毒害作用.它会扰乱酶和细胞的功能,对心脏和肾脏都是有害的,还会对大脑造成不可逆转的损伤.
最近,科学家研究了全球范围内1850 年至2010 年期间累计汞的排放量,显示仅由于人类活动就释放了150 万吨的汞,比起天然来源的汞,人为因素引入的要高出78 倍.铅也是如此,海洋中几乎所有的铅都来自人类活动.
一旦汞被释放到环境中,它就会在几百年甚至上千年的时间里反复影响着周围的生物.由于汞的危害性很大,128 个国家已经签署了水俣公约, 要求缔约国至2020 年,全面淘汰体温计、血压计和纽扣电池等含汞产品,使用无汞替代品以遏制汞污染.对于铅,许多国家也做出了相应的努力且颇见成效.自上世纪90 年代和本世纪初,美国、欧洲各国、加拿大和墨西哥禁止使用含铅汽油以来,北大西洋的铅含量已经减少了一个90%.
无功无过的钕
海洋中还有一些微量元素既不是营养素也不是毒素.而科学家之所以对它们感兴趣是因为借助它们我们能研究其他微量元素.例如,稀土元素钕可以帮助我们追踪其他元素曾经走过的路.
研究表明,岩石中钕同位素的组成可以推测岩石形成的年代.岩石越年轻,钕的两种同位素钕-143 与钕-144 的比例就越高,根据这个我们可以推测出世界各地的岩石年龄.这意味着,当研究人员在海洋沉积物中发现钕时,他们可以推测出沉积物所属的年代,进一步推测出其可能来自何方.由于微量元素与其他元素经常一起旅行,钕就可以帮助科学家确定其他元素的可能来源,比如铁.
（鲍奎松摘自《科学之谜》2018 年第3 期）
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