海洋裡的花花世界——硅藻丨花花萬物

2021-01-22 騰訊網

編者按:從深海到高山、從沙漠到雨林,地球的每一處都有植物的印記。歲月流變、氣候變遷、地質運動、生境更迭,植物歷久彌新、在不斷演化中保持著多樣化的世界。中科院之聲與中國科學院武漢植物園聯合開設「花花萬物」,在這裡,我們關注植物的生存、競爭、繁衍、死亡,展示自然界的奇特多姿,解讀生物的萬千氣象,探索神奇的生命秘境,致敬這無聲無息又蓬勃多姿的世界。

從大海中取一滴海水,表面看上去晶瑩透亮,如果在顯微鏡下放大二十五倍,卻是另一個生機勃勃的世界。有靈巧的纖毛蟲,不斷變換著軀體形狀遊走採食;有彈簧一樣的藍藻,它是地球上最原始的一種生命形式;有長著大觸角的橈足動物,矯健好動;還有一類生物,體型微小卻結構精妙,常令觀者驚嘆不已,它就是硅藻。

(圖片來自網絡)

硅藻,異鞭藻門硅藻綱,是一類具有色素體的單細胞藻類,一般非常微小,小的僅有幾微米,大的也不超過1-2毫米,它們是海洋中最常見的浮遊生物,以群體形式棲息於幾乎所有的水生環境中,分布極其廣泛。

世界各地的海洋中都有硅藻的蹤跡,尤其是在溫帶和熱帶海區分布更多,可營浮遊生活,也可營附著生活。營附著生活時,硅藻附生在巖石或水生生物等基質上形成大量的褐綠色膜層,例如魚缸長時間不換水,缸壁上生出的泥土狀斑點就是硅藻的一種。

安能辨我是動物還是植物?

曾幾何時,人們還在為硅藻是動物還是植物而爭論不休,它曾被認為是種像草履蟲那樣的單細胞動物,然後又因為能夠進行光合作用,同時還有細胞壁而被分到了植物一邊。目前,學界較為統一的認識是硅藻既不屬於動物、也不屬於植物,而是不等鞭毛生物的一支,因為植物的細胞壁是由果膠組成,而硅藻的細胞壁由矽質組成,這與植物有著本質的區別。

硅藻的典型特徵就是它們能分泌一層由矽質構成的細胞外壁,即硅藻殼,硅藻也因此而得名。其細胞形似一個培養皿,兩個矽質外殼通過環帶嵌套在一起,一大一小相互扣合保護住原生質,同時又保證有充分的光線通過。

(左圖:Sunlin Hu and Chao Liu / diatoms.org;右圖:CSIRO / wiki commons)

與顯微鏡下其他微生物略顯雜亂的美不同,硅藻殼中的矽質以某種有序的方式進行沉積,使得其細胞外殼極具觀賞性,嚴整精密,仿佛經過了精心的設計,不由得讓人驚嘆大自然的絕妙。

在硅藻的瓣殼上有許多美妙的不可思議的花紋和圖案。根據殼的形狀和花紋排列的方式,硅藻可分為中心硅藻綱和羽紋硅藻綱,如果硅藻是圓盤狀的,那它的花紋通常呈中心放射狀,即中心硅藻綱;如果硅藻是舟形或是杆狀等細長形的,那在殼的縱向會看到一條軸,而花紋呈軸對稱分布,即羽紋硅藻綱。

(圖片來源:diatoms.org)

硅藻瓣殼上漂亮的圖案在普通光學顯微鏡下並不明顯,為了向人們展示單細胞硅藻複雜的構造和美麗的體形,美國海洋生物研究人員保羅·哈格裡夫斯先用一些電子束照亮這些單細胞生物,同時用電子顯微鏡拍攝它們的3D照片。這些照片拍攝出來是黑白的,為了突出它們的結構層次,哈格裡夫斯邀請藝術家法耶·達爾林給這些生物上色(並非真實的顏色)。結果,一張張美麗的單細胞硅藻的顯微圖就呈現在了我們眼前。

(圖片來源:Paul Hargreaves and Faye Darling/BNPS.co.uk)

就像壓花師利用自然界中的花草來做出美麗的作品,一些愛好者利用硅藻為原材料進行藝術創作,更是把硅藻的美展示的淋漓盡致。

(圖片來源:california academy of sciences geology)

硅藻不僅僅是顏值出眾,在整個地球生態系統裡有著舉足輕重的地位。硅藻是海洋初級生產者的主要貢獻者,是魚、貝、蝦類特別是其幼體的主要餌料。憑藉著極大的數量和高效的光合作用,硅藻為地球供應了近20%的氧氣,同時,它還是水環境的指示針,如果水體受到富營養汙染或其他原因,一些硅藻會大規模繁殖而形成赤潮,使水質惡劣,不僅影響美觀,更會對漁業帶來危害。

化作矽土更顯神通。硅藻死後,在某些情況下它們堅固多孔的矽質外殼不會分解,而會完整的堆積在水底,當條件利於保存且保存時間很長時,那些在海底沉積下來的以硅藻為主要成分的沉積層,逐漸形成了經濟價值極高的硅藻土。歷經長期的地質變遷,已在內陸和一些高於海平面的地方發現硅藻土,最有名的就是美國加利福尼亞州的斯波克,那裡的硅藻土可直接露天開採。硅藻土本質是含水的非晶質二氧化矽,有時還能完好地保存動植物的遺體,在古生物學研究領域具有重要意義。

硅藻土在工業上有很多用途,可以作為牙膏和金屬拋光劑中一種柔和的研磨劑成分,諾貝爾發現了硅藻土具有化學惰性和強吸水能力,利用其作為硝化甘油的載體,增加液體炸藥的穩定性,便於儲存和運輸;另外因為其微孔構造,可製造過濾劑、隔熱及隔音材料、面膜、吸水墊等。

(圖片來自網絡)

硅藻這些小精靈已經在地球上存在了億萬年,看似微不足道,卻演繹出千姿百態的生命形態。

來源:中國科學院武漢植物園

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