硅藻:植物世界的小珍宝

作者:汪婕舒 | Jieshu Wang


No man is an island, Entire of itself

Each is a piece of the continent

A part of the main.

——John Donne

看着这张图,你想到了什么呢?这些仪态万千、精雕细琢、艺术品一般的小珠宝,是一种肉眼无法看见、却无处不在的小生物——硅藻。

从海洋到湖泊,从热带暗礁到北极浮冰,从淡水到咸水,硅藻的兄弟姐妹遍布全世界。科学家认为,硅藻是种类最丰富的真核生物,可能有多达20万种。别看它们个子小,硅藻对其他生物却至关重要。甚至,你现在呼吸着的氧气,有1/5都来自它们的光合作用呢。今天就让咱们一起来走进硅藻的神奇世界吧!

 

珠宝,还是珠宝盒?

硅藻是一种体积非常微小的单细胞浮游植物。10个硅藻排排坐,还能塞进一个针尖里。它们虽然变化多端,但是结构都大同小异——像一个小盒子,由上下两个盖子扣在一起组成。上面的盖子直径略大,把稍小的下盖扣合在里面,就像培养皿那样。这个小盒子就是它们的细胞壁,厚度大约只有1/4微米,几乎全部由非晶质的二氧化硅和果胶组成。所以呢,说它们像珠宝,不如说更像珠宝盒。

上下盖扣合在一起的硅藻

 

上下盖分开的硅藻

如此精美为哪般?

硅藻的小盒子上遍布精巧复杂的花纹和孔洞,有的盖子边缘还有一圈小刺,看上去很像人工雕琢的古董首饰盒,但它却是大自然的杰作。

首饰盒一般的硅藻

显微镜让我们可以一窥这些花纹深层的秘密——花纹实际上是由更细微的孔洞排列而成。这些繁复精致的结构,让人惊叹不已,以至于科学家第一次在显微镜下看到硅藻时,以为它们是某种晶体。

硅藻壳的微观结构,孔洞中布满了更加微小的孔洞

面对这样美妙的纹饰,再精巧的手工艺也黯然失色。所以,科学家曾经认为,这些美丽的花纹就是一种浪费。可是,事实果真如此吗?

德国科学家对此进行了研究,并在《自然》杂志上发表了论文。他们尝试用玻璃微针压碎活硅藻,却发现它们坚硬异常,有的甚至能承受每平方米100-700吨的重量。通过有限元分析推算出,如果藻壳变光滑,其强度会减少60%。科学家认为,硅藻似乎在外壳重量和强度之间找到了完美的平衡。它那纹饰繁密的外壳,比中世纪最精良的铠甲还要巧妙得多。如果掠食者不把硅藻弄碎就囫囵吞下去,硅藻有可能完好无损地排出来。

科学家用玻璃微针对硅藻进行压力测试

奇特的生殖——俄罗斯套“藻”

硅藻最主要的繁殖方式是无性繁殖。它们的分裂有点类似俄罗斯套娃。分裂时,硅藻会打开自己的小盒子,将上盖和下盖分开——这两个盖子都将成为子代硅藻稍大的那个“上盖”,在里面会长出一个稍小的下盖,再次扣合在一起,成为两个完整的子代硅藻。这时,其中一个硅藻和原来的一样大,另一个就会稍小一点。

硅藻的分裂

如此这般进行下去,总有一个幸运的硅藻永远保持原来的大小。而总是分到下盖的那个不幸的孩子就会越来越小。直到缩小到最初的1/3时,它们就再也不想缩小了。这时为了恢复到原来的尺寸,它们不再分裂,而是通过硅藻特有的生殖细胞——复大孢子,来进行有性繁殖。两个不愿意再缩小的小硅藻一拍即合,相互靠拢,将它们减数分裂产生的精子和卵子结合,形成一个合子。这个合子包裹在一层薄膜内,逐渐长大,这就是复大孢子。复大孢子慢慢长成一个最大尺寸的硅藻。新的一代诞生,而新一轮的俄罗斯套“藻”游戏又开始了。

硅从哪里来?

硅藻壳里的硅,到底是怎么来的呢?英国布里斯托大学的科学家将假微型海链藻(Thalassiosira pseudonana)体内与硅转运蛋白有关的遗传物质植入酿酒酵母,进行了研究。酵母是一种实验室里常用的微生物,它们可以生产出大量来自其他生物的蛋白质。

研究者发现,这种蛋白质结合了溶解于水中的硅酸,带着它们穿过了细胞膜,进入硅藻体内。他们还发现,根据环境的不同,硅藻还会产生几种亲和性不同的硅转运蛋白。

一旦硅酸进入了硅藻的细胞,就能被转化为特殊形式的二氧化硅。美国佐治亚理工学院的科学家发现,假微型海链藻的蛋白质不仅能将硅酸矿化为二氧化硅,还能形成外壳的骨架,有可能正是硅藻形状如此多变的决定性因素。

来自远古的小客人

硅藻虽小,但拥有非常古老的历史。目前已知最早的硅藻化石来自白垩纪。有报告称,在寒武纪和三叠纪的化石中,也发现了疑似它们的身影。还有一份号称来自侏罗纪的硅藻化石,不过受到了专家的质疑。

大部分硅藻化石都沉积在始新世和中新世的地层中,比如下面这张。这是一个远古硅藻的其中一个盖子,来自中新世的海洋沉积物。

一个中新世的硅藻壳化石。图/加州大学古生物学博物馆

然而,硅藻的起源远远早于化石的记录。有人认为,它们起源于2.5亿年前的晚二叠纪生物大灭绝时期。

硅的循环

它的家在星辰大海?

关于硅藻的起源,还有一个有趣的故事。2013年,英国白金汉大学的天体生物学家钱德勒•维克马辛格(Chandra Wickramasinghe)声称在斯里兰卡发现的一块陨石中包含着一个硅藻化石,认为这是地球生物来自太空的证据。不过这个发现受到了学术界的广泛质疑。有的质疑他的陨石是假的,有的质疑刊登这篇论文的《宇宙学杂志》( Journal of Cosmology)根本不是一本严肃的科学杂志。以《邪恶宇宙》闻名的美国天文学家菲利普•普雷特(Philip Cary Plait)则说:“维克马辛格太狂热了。他认为一切都来自于太空。他认为流感来自外太空,SARS来自外太空……这个表单将会越来越长。我认为这只是他的搞笑表单中的其中一个。”你认为呢?

维克马辛格发现的硅藻化石

“万精油”似的硅藻土

硅藻化石最富集的地方,就是硅藻土。这是古代的硅藻遗骸下沉到海洋或湖泊底部,沉积所形成的一种生物沉积岩。今天,它们被开采出来,应用到十分广泛的领域,例如过滤剂、干燥剂、催化剂载体、吸附剂、抛光剂、环保隔热隔音材料、玻璃钢和橡胶填料、造纸、农业粉剂等等,甚至还可以做杀虫剂。一些牙膏和化妆品中也包含硅藻土。

世界上第一位将硅藻土运用到工业领域的人是诺贝尔。发明了硝化甘油的他,发现硅藻土具有化学惰性,吸水能力也很强,就将其制成了一种容易处理的固体塑胶炸药。它的爆炸力比普通炸药高五倍,而硝化甘油对震动和温度敏感、运输困难等缺点,却被有效的消除了。不过由于当时显微镜技术有限,人们还无法知道硅藻的真实面貌。

在一些季节性的湖泊,硅藻沉积物形成了一层一层的结构,可以让科学家观察到环境在一段时间内的变化,是优良的古代环境指示图。

小小的它,有大大的梦想

硅藻的数量之大,超乎我们的想象。每一个小小的硅藻,都在不停的进行着光合作用,吸收二氧化碳,释放出氧气。数以亿兆的硅藻一起进行这个过程,带来了两个非常重要的结果:组成了全球25%的初级生产力,并生产出大气中20%的氧气——相当于地球上所有热带雨林所产生的氧气。

这巨大的成就,来源于亿万年中,每一个小硅藻不停歇的生命过程。虽然它们小到连肉眼都看不见,但却拥有了改变世界的能力。这生命的奇迹怎能不叫人赞叹!

手绘硅藻

图片来自《自然界的艺术形态》(德国生物学家恩斯特•海克尔(Ernst Haeckel)于1904年出版的平板印刷插画图鉴)

 

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