我们呼吸的氧气可能取决于落入海洋的铁尘

在每天日出前的一项任务中，“发现号”科考船（RRS Discovery）上的工作人员将一台传感仪器放入南大西洋海域。

罗格斯大学的海洋科学家正在使用新泽西州研发的工具，测量南大洋浮游植物因缺铁而导致的光合作用效率下降，以及光向氧气转化速度的减缓。

当你下一次呼吸时，请记住：海洋在其中发挥了重要作用。微小的藻类进行光合作用，而在许多海域，这一过程依赖于进入海水的富铁粉尘。

罗格斯大学的一项新研究发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，更深入地探讨了这一关键过程是如何运作的，以及为什么铁如此重要。

铁是海洋浮游植物的重要微量营养素，而浮游植物是海洋食物网的基础。这些铁大部分以沙漠和其他干旱地区吹来的风尘形式进入海洋，也有一部分来自冰川融水。

“你每呼吸两次，就有一次吸入的氧气来自海洋浮游植物的释放。”罗格斯大学新伯朗士威校区本内特·L·史密斯商业与自然资源讲席教授、该研究的合著者保罗·G·法尔科夫斯基（Paul G. Falkowski）说，“我们的研究表明，在海洋的广阔区域，铁是限制浮游植物产氧能力的关键因素。”

当铁含量下降时

当铁含量下降或消失时，光合作用会减慢，甚至完全停止。光合作用——将光能转化为化学能并释放氧气的过程——会变得效率低下，从而限制浮游植物的生长。这也会降低它们利用阳光和从大气中吸收二氧化碳的效率。

法尔科夫斯基说，有证据表明，气候变化正在改变海洋环流，可能会减少进入海洋的铁量。他补充说，人类仍然可以正常呼吸，因为海洋铁含量降低不会导致人类窒息。尽管如此，这种变化可能会对海洋生态系统产生重大影响。

“浮游植物是磷虾的主要食物来源，而磷虾是南大洋几乎所有动物的主要食物，包括企鹅、海豹、海象和鲸鱼。”法尔科夫斯基说，“当铁含量下降、这些上层动物可获得的食物减少时，这些雄伟的生物数量也会随之减少。”

Heshani Pupulewatte 采集水样

罗格斯大学研究生 Heshani Pupulewatte（右侧戴黄色安全帽）在南大西洋的一艘研究船上采集用于测量电导率、温度和深度的水样。

研究人员长期以来一直怀疑铁对光合作用至关重要，但对这一过程在自然环境中如何受到影响知之甚少。以往的研究大多仅在实验室中进行。

为了填补这一空白，在法尔科夫斯基实验室从事研究的化学与化学生物学系研究生助理、该研究的第一作者 Heshani Pupulewatte 于 2023 年和 2024 年在一艘英国研究船上度过了 37 天，航行穿越南大西洋和南大洋，路线从南非海岸一直延伸到威德尔海环流的边缘冰区，然后返回。

实时观察光合作用的衰退

Pupulewatte 使用由库克校区法尔科夫斯基实验室的马克斯·戈尔布诺夫（Max Gorbunov）制造的定制荧光仪，对水样进行荧光测试——荧光是衡量光合作用过程分解时浮游植物重新释放能量的指标。随后，她向沿途采集的水样中添加营养物质，以确定这样做是否能重新启动光合作用。

“我们想知道在自然环境中，浮游植物分子水平上的能量传递过程到底发生了什么。”她说。

她发现，缺铁会导致高达 25% 的捕光蛋白与能量产生中心“解耦”，从而有效降低能量转换效率。当重新供应铁时，浮游植物会重新连接其内部的捕光系统，提高效率和生长潜力。

“我们在海洋中直接展示了缺铁对浮游植物的影响，甚至不需要将样本带回实验室进行分子提取，只需在海上进行荧光测量即可。”她说，“通过这种方式，我们能够证明，当铁受到限制时，更多的能量会以荧光的形式被浪费掉。”

她补充说，理解铁如何在分子水平上影响光合作用，有助于科学家预测未来的海洋生产力和全球碳循环。

参考文献

Pupulewatte H, Gorbunov MY, Moore CM, Selden CR, Ryan-Keogh TJ, Furby J, Hawley R, Lohan MC, Bibby TS, Falkowski PG.

Coupling of excitation energy to photochemistry in natural marine phytoplankton communities under iron stress.

Proc Natl Acad Sci U S A. 2025 Jul 29.

DOI: 10.1073/pnas.2511916122