550萬年前地球不存在兩極?或因蕨類改變氣候(圖)

　　紅萍，這些小小蕨類具有驚人的能力，包括碳儲存、固氮以及提高食物生產能力，也不會對地球環境造成損害。

　　這或許有點令人震驚，僅僅550萬年前我們的星球上還不存在兩極。其實那時候的地球是溼熱且失控的溫室氣體世界，有著超過2500ppm含量的二氧化碳。然後突然之間，發生了一些事情，轉變隨之而來。

　　隨後大氣圈中的二氧化碳含量開始下降，兩極開始出現冰川，慢慢形成了如今我們的世界。但為什麼會發生這一切？而更進一步的問題是，促使這一切發生的因素是否對如今控制氣候變化的努力有所幫助？

　　出現在北極的淡水蕨類

　　這是一個很好的問題，但它的答案深埋在北極圈內。研究化石孢子和花粉粒等塵土和微小顆粒的著名孢粉學家喬納森·布亞克(Jonathan Bujak)回憶說：「甚至直到2004年，北極對人們來說還是一個巨大的未知領域，但是隨著冰川逐漸融化，我們也有了新的機會來認識它。」

　　一項與「綜合海洋鑽探」計劃相關的，名為「北極核心探索」的研究計劃，期望找到這一現象的線索並解釋其原因。而研究人員所發現的問題卻讓人大吃一驚。

　　產生疑問的來源是一塊厚達26英尺的柱狀蕨類化石，這種叫做紅萍(Azolla)的蕨類植物小到只有指甲大小，但是有著兩天內繁殖一倍的能力。

　　布亞克說：「老實說，我們都非常震驚，在離岸數千公裡的北極，為什麼會出現淡水蕨類？它又是如何改變地球的氣候的？」

　　布亞克並非是唯一對這些紅萍感到疑惑的人，同一時期來自杜克大學的植物學家凱薩琳·派爾(Kathleen Pryer)也向政府申請資助來對這些蕨類植物進行基因組測序。

　　眾籌資金的基因組測序

　　派爾不確定能從這些古植物中獲得什麼信息，蕨類植物是地球上已知最古老的植物生命形式之一，之前也從未有過對蕨類植物進行基因測序。但是因為蕨類植物並不像農業作物那樣具有商業價值，她的測序申請被駁回了。

　　這並沒有阻止她繼續探索，派爾知道對紅萍進行基因測序的需求是廣泛的。紅萍數千年來被用來為稻田增肥，並以聞所未聞的速度進行固氮。長久以來各領域的科研人員都在擴展這種植物的應用，包括廢水處理、生物降解、人畜的食物甚至是生物燃料。

　　不僅是這些，紅萍還具有令人驚訝的固化碳的能力，每公頃紅萍每年可以捕捉高達60噸的二氧化碳，相當于波音747航行兩小時所排放的碳量。

　　「這些小小蕨類具有驚人的能力，包括碳儲存、固氮以及提高食物生產能力，也不會對地球環境造成損害。」派爾說，「得有人來為下一步的工作開個頭，所以我們決定依靠眾籌的幫助來打開局面。」

　　謎底或將在華大基因揭開

　　派爾的團隊在Experiment.com網站的協助下設立了一個眾籌項目，以期獲得15000美元來為紅萍基因測序。兩周之前，全球最大的基因測序實驗室之一——華大基因決定來幫助Pryer實現夢想。這意味著最少只要一年時間，紅萍如何拯救地球氣候的故事就可能被揭曉。

　　Pryer說他們在籌集資金活動中增加了額外的一輪，將之前已經籌集的資金仍保留在內，同時準備了最好的樣本送到中國進行測序檢測，以使得大家更多獲益。本周這一籌集活動正式結束了。

　　派爾說：「由於有了這額外一輪的籌資，我們將可以準備出最好的紅萍基因樣本送檢。」

　　紅萍傳奇

　　與藍藻菌共同進化了1億年

　　1878年，德國自然學家海因裡希·阿託恩德·巴裡(Heinrich Aton de Bary)用紅萍首次描述了他對共生的定義——兩種不同生物在一起和諧生存。他以紅萍和青苔的共生為例來解釋他的定義，同時他也注意到紅萍這種蕨類體內似乎有一種細菌，這兩者之間更像是共生的案例。紅萍具有一英寸大小的海綿狀裂片葉，漂浮在淡水表面，長長的卷鬚在水下搖曳。在它的葉片中具有一個奇特的微環境，一種叫做藍藻菌的微小細菌與紅萍已共同進化了差不多1億年。

　　隨著時間的發展，藍藻細菌已經失去了離開紅萍獨立生存的能力，但它們的光合作用功能將紅萍的固氮能力提升了12到20倍。這些細菌因其光合作用的能力成了紅萍的能量來源，同時它們也在紅萍葉上獲得了棲息地和食物。

　　裡斯本大學的細胞生物學家和紅萍研究專家弗朗西斯科·卡拉皮克(Francisco Carrapico)說：「這些細菌僅僅存在於紅萍的葉子中，紅萍與細菌的這種共生方式與其它物種相比都不一樣，藍藻細菌通過孢子在紅萍之間傳播，這是一種理想的共生關係。」

　　為什麼出現在北極

　　具有強大的固氮能力也讓紅萍成為不可思議的固碳植物。但是這些還是沒法解釋紅萍為什麼會出現在北極。為此，荷蘭烏得勒支大學成立了一個名為「達爾文紅萍」的研究團隊來研究這個問題，他們匯集了來自全球的各領域科學家，最終提出紅萍在北極出現的一種解釋。

　　布亞克稱：「我們一直處于震驚之中，直到卡拉皮克提出我們也需要在當今的背景下考慮紅萍的碳捕捉能力。」

　　研究人員有充分理由認為這種能力不是紅萍在北極生存的因素。即使有充足的碳和氮，紅萍的大小以及只能生活在淡水中，都讓人覺得它出現在北極就已太過不可思議，更不要說形成可以改變地球整體氣候的規模和能力，將地球從一個差不多像金星一樣炎熱的湮沒之地中拯救出來。

　　什麼原因阻止了這種不屈的植物

　　如同其它大多數有趣的科學故事一樣，一個問題被解決了，另一個新問題馬上就會被提出。

　　如果紅萍曾如此大規模的生長，乃至它對氣候的影響程度很高，那麼是什麼原因阻止了這種不屈的蕨類植物，並導致了氣候的劇變呢？研究者們探究的越深入，他們也越發現紅萍的傳奇故事是那麼的不可思議。

　　發現故事

　　遠古植物和發現它的「女漢子」

　　紅萍的發現歷程也是一次探險。首位完成環球航行的女性珍妮·拜瑞特(Jeanne Baret)應該是第一個發現紅萍的西方人。

　　拜瑞特早先是路易十五麾下自然學家菲利伯特·康姆森(Philibert Commerson)的家庭女僕，在康姆森招募環球航行助手時她也加入了。在航行中她偽裝成男性，幫助康姆森收集了大量植物樣本。她的努力十分不易，因為船上的水手們對她的性別產生了越來越多的懷疑，她必須得時刻都表現得陽剛之氣十足。

　　瓦薩學院的麗莎貝·派拉文森妮·吉伯特(Lizabeth Paravisini-Gebert)在2001年發表的一篇論文中描述道：「航海員們注意到他(拜瑞特)在麥哲倫海峽的大雪和冰山的遠徵途中，一直伴隨他的主人左右，攜帶著武器和植物樣本，充滿了勇氣和力量。」

　　最終，拜瑞特的女性身份還是被發現了，但船員們並沒有因此有太大騷動和小題大做，拜瑞特得以繼續她的工作。1773年在回程途中康姆森在現在的模里西斯去世。拜瑞特選擇留在模里西斯島上，並嫁給了一位前海軍軍士。

　　當這些植物樣本被送回法國，當時另一位著名法國科學家簡·巴奇斯特·拉馬克(Jean-Baptiste Lamarck)見到了這些樣本，但他錯誤的將紅萍分類到開花植物的某個類別中。當然，他沒有機會看到紅萍在大片水域中漂浮著的盛大場景。當拜瑞特於1780年代回到法國，她得到了未曾預料的歡迎。由於船主和康姆森的一些朋友的幫助，她不僅沒有被宮廷制裁，還獲得法國海軍授予的「傑出女性」頭銜，並得到一份津貼。

　　撰文：詹妮弗·赫伊曾(Jennifer Huizen)

　　翻譯：呂薈

　　稿件來源：環球科學(科學美國人中文版)

　　延伸閱讀

　　不妙！地球多項氣候指數均破最高紀錄

　　據國外媒體報導，7月17日，美國氣象學會最新發布2013年全球氣候狀況報告，顯示溫室氣體、海平面、全球氣溫和其它氣候指數在2013年均保持上升趨勢。

　　這份研究報告是由全球57個國家425位科學家共同完成的，提供了全球氣候指標、顯著氣候事件的詳細更新信息，同時包括收集的環境監控狀況，大氣、陸地、海洋和冰川的監控數據。

　　美國國家海洋和大氣局負責人凱薩琳·沙利文(Kathryn Sullivan)說：「這項研究更進一步地強化了科學家數十年來的觀測結果：地球開始變得更加炎熱。該報告提供一些重要的基礎信息，我們需要研製新的工具和服務項目，適用於社會團體、商業領域，同時建造氣候變化影響的恢復力。」

　　氣候學家稱，二氧化碳、甲烷和一氧化二氮等溫室氣體已達到破紀錄水平，這是由於地球大氣層誘捕的熱量導致地球表面變得更加溫暖造成的。

　　該報告指出，2013年燃燒化石燃料已達到歷史最高水平。去年夏威夷莫納羅亞山天文臺觀測的二氧化碳指數首次達到百萬分之400，這一變化不容忽視。去年澳大利亞迎來了歷史紀錄上最炎熱的一年，對於阿根廷和紐西蘭分別是歷史上第二熱年和第三熱年。

　　自1880年開始記錄天氣狀況以來，全球氣溫持續升高，依據不同科學團體的統計方法，2013年被標註為第二熱至第六熱之間。作為太平洋冰川融化和上升氣溫所形成的結果，海平面持續上升，全球海平面持續了過去20多年年均3.2毫米的上升速度。

　　這份報告裡有許多對北極熊生存不利的消息，北極冰川持續融化減少，同時，北極陸地氣溫升高速度快過全球其它地區。此外，還有更多關於2013年全球極端氣候事件的實例，例如：2013年11月，「海燕」超級颱風摧毀了阿拉斯加州東南部地區。