这可能令人震惊,但仅仅在5500万年前,我们的星球还没有极地冰盖;事实上,它几乎变成了一个蒸汽腾腾、失控的温室世界,二氧化碳水平超过2500 ppm。然后,突然间,某种因素介入,导致了转变。
大气中的二氧化碳开始下降,稳定地形成了今天这个两极都有冰盖的世界。但是,为什么会发生这种情况?更重要的是,触发这种剧烈转变的因素是否可以用来缓和今天的气候?
好问题。但是答案却深埋在北极,对研究人员来说是隐藏的。
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“即使到2004年,北极仍然是一个巨大的未知数,”著名的孢粉学家乔纳森·布贾克回忆说,孢粉学家是研究灰尘和细小颗粒(如化石孢子和花粉粒)的人。“但是随着冰盖开始消退,我们终于有了机会。”
一个名为“北极岩心考察”的研究项目与“综合海洋钻探计划”联系起来,前往北方,希望找到这种现象的踪迹,以解释它是如何发生的。研究人员发现的罪魁祸首完全出乎意料。
在相关的时间段内,有一根26英尺厚的蕨类植物化石柱,这是一种小到可以放在你的指甲上的物种,但它可以在两天内使其质量翻倍。它被称为满江红。
“坦率地说,我们都震惊了,”布贾克说。“这种淡水蕨类植物在离岸数千公里的北极水域做什么?它怎么可能拥有改变我们气候的力量?”
不只是布贾克一个人在问关于满江红的问题。与此同时,杜克大学的植物学家凯瑟琳·普莱尔正在向政府申请资金,用于对这种蕨类植物的基因组进行测序。
众筹基因组
普莱尔担心,由于从未对蕨类植物的基因组进行测序,因此,关于这些古老植物(地球上已知最古老的植被之一)可能了解到的信息非常有限。但是,由于蕨类植物不像主要的农作物那样具有经济影响力,因此她的请求被拒绝了。
这并没有阻止她。普莱尔知道,全球都需要破译满江红的遗传信息。它已经被用作水稻田中数千年的肥料,以令人难以置信的速度固定氮。随着时间的推移,来自各个科学领域的人们已经开始扩展其用途,包括废水处理、生物修复、人类和牲畜的食物来源,甚至生物燃料。
最重要的是,满江红具有惊人的碳捕获能力,最大速率下,每公顷每年可固存60吨二氧化碳,相当于一架波音747飞机飞行近两小时的排放量。
普莱尔说:“这种微小的蕨类植物蕴藏着如何固存碳、固定氮并最终增加食物产量而又不会将地球推向深渊的秘密。”
“必须有人为所有其他工作打开大门,我们认为唯一的方法是向大众寻求帮助。”
普莱尔的团队在在线网站Experiment.com的帮助下启动了一个众筹项目,希望获得15,000美元来对这种蕨类植物的基因进行测序。两周前,世界上最大的测序实验室之一,北京基因组研究所,签约帮助普莱尔的梦想成真。这意味着,满江红关于如何拯救地球气候的剧本可能在短短一年内就可以公开。
普莱尔说,他们为他们的筹款活动增加了一轮额外的奖励,以使那些已经参与进来的人了解最新情况,并准备好完美的样品发送到中国进行测序,从而获得最有益的结果。该活动本周结束。
普莱尔说:“多亏了这额外的一轮,我们将拥有劳斯莱斯级别的满江红样品可以发送。”
古老的植物和一个神秘的女人
找到满江红需要真正的冒险精神。让娜·巴雷特是第一个环游世界的女性,她很可能是第一个识别出这种植物的西方人。巴雷特最初是路易十五的博物学家菲利伯特·科默森的签约家庭工人,当科默森被分配到一笔用于环球航行的助手的津贴时,她继续为他工作。
她伪装成男人,帮助科默森收集了大量的植物样本。她的努力需要特别强烈,因为她经常不得不捍卫她的男子气概,以对抗船上的水手,他们对她的性别越来越怀疑。
瓦萨学院的莉萨贝丝·帕拉维西尼·吉伯特在2001年的一篇论文中写道,“旅行者看到他[巴雷特]在麦哲伦海峡的雪地和冰山上陪同他的主人进行所有探险,勇敢而有力地携带食物、武器和植物组合。”
最终,巴雷特的身份被发现,但船上上级对这个意外事故并没有大惊小怪,巴雷特继续她的工作。在返航途中,科默森于1773年在今天的毛里求斯去世。巴雷特选择留在岛上,嫁给了一位前下级军官。
当他们的样本返回法国时,当时另一位著名的法国科学家让-巴蒂斯特·拉马克发现了它们,并试图对这种微小的植物进行分类,将其误认为是开花植物科的成员。当然,他并没有看到满江红在开阔的水域中漂浮时的全部风采。
当巴雷特在18世纪80年代最终返回法国时,她面临着意想不到的回家。由于船长和科默森的一些朋友的干预,她不仅被法院赦免,而且还获得了法国海军的年度养老金,海军称她为“非凡的女人”。
1878年,德国博物学家海因里希·安东·德巴里首次使用满江红来阐述他对共生(即两个不同的生物实体和谐地生活在一起)一词的定义。他以满江红与地衣的结合为例来例证他的新术语,但也注意到一种似乎是蕨类植物固有的细菌,作为更极端的共生例子。
满江红长着海绵状、裂片状的叶子,只有几分之一英寸长,漂浮在淡水水体的表面,下面悬挂着长长的卷须。在这些叶子中,满江红创造了一个微环境,与被称为蓝细菌的微小细菌共同进化了大约1亿年。
随着时间的推移,这些细菌失去了独立于蕨类植物生存的能力,但它们的 Photosynthetic machinery 使其固氮能力提高了12到20倍。这些细菌成为了蕨类植物叶子的动力源,超级集中其 Photosynthetic 能力,同时从蕨类植物中获得庇护和持续的食物来源。
里斯本大学的细胞生物学家和满江红专家弗朗西斯科·卡拉皮科说:“对于这些细菌来说,它们除了在满江红叶子内部之外,不知道还有其他家园。每个满江红物种都对应着不同种类的伴生细菌,细菌通过它们的孢子从一种蕨类植物传递到另一种蕨类植物。“这是一个理想的关系。”
如此好的固氮能力也使得这种蕨类植物成为出色的碳固存器。但这仍然无法解释满江红在北极的作用。一个设在乌得勒支大学的研究小组成立,以研究这个问题,称为达尔文满江红项目。该项目汇集了来自世界各地的许多不同类型的科学家,最后,对满江红在北极的出现提出了一个可能的解释。
布贾克说:“我们仍然感到震惊,直到卡拉皮科插话说,我们还需要在这个时间段内考虑这种蕨类植物的碳捕获能力。”
研究人员并没有将这种特性视为这种蕨类植物在北极成功的可能因素,这也有充分的理由。即使有丰富的碳和氮可以消耗,植物的大小及其对淡水的有限获取也使得它几乎不可能在北极生存,更不用说聚集足够的力量和质量来改变地球的整个气候,或许拯救我们的星球免于像金星一样过热的遗忘。
就像大多数好的科学故事一样,一旦一个问题得到解答,就必须提出另一个问题。
如果满江红生长到足以影响气候的程度,那么是什么阻止了迄今为止无敌的蕨类植物的脚步,并导致了最初的气候骤降?团队研究得越多,他们发现的证据就越多,这使得满江红的传奇更加令人难以置信。
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