没有光也能进行光合作用，科学家惊呆了
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撰文 | Asher Elbein
翻译 | 郑添惺
编辑 | 黄雨佳
大多数生命的“引擎”都依赖于阳光。光子穿过大气层，被植物、藻类等依靠光能生存的生物迅速吸收。通过光合作用，这些光子为细胞反应提供动力，产生化学能（以糖的形式），随后在食物网中通过草食动物、捕食者、食腐动物、分解者等各类生物，以复杂的方式不断传递。
阳光明媚的日子里，光子资源极为充足。但在弱光条件下，又会发生什么呢？长期以来，生物学家一直好奇：光合作用究竟可以在多微弱的光照下进行？换句话说，需要多少光子、以多快的速度抵达，才能让细胞的光合作用机制顺利将二氧化碳转化为氧气和能量。计算结果显示，理论上的最低限度约为每平方米每秒0.01微摩尔光子，还不到晴天光照强度的十万分之一。
几十年来，由于在低光条件下研究光合作用极为困难，这项计算一直停留在理论层面。尽管地球上有不少光照几乎无法到达的地方，却无人能在实地验证这一理论。比如在高纬度的北极地区，每年冬季，由于地轴倾斜，太阳会消失数月。数米厚的积雪覆盖在海冰上，阻挡了光线进入，使得冰下的海洋黑暗如墓穴。生物学家因此推测，生活在海水和冰层中的光合微藻会在这个季节进入休眠，等待温暖与阳光归来。
“人们原以为极夜就像沙漠一样，几乎没有生命活动，一切都在沉睡、蛰伏，等待来年春天的到来，”德国阿尔弗雷德·韦格纳研究所（Alfred Wegener Institute）的生物地球化学家克拉拉·霍佩（Clara Hoppe）说，“但实际上，人们从未真正研究过它。”
2020年冬天，霍佩在一艘嵌入浮冰的船上驻留了数月，度过了整个极夜，只为研究黑暗条件下光合作用的极限。他们近期发表于《自然·通讯》（Nature Communications）的一项研究显示，微藻在达到或接近理论下限的低光照条件下，依然能够生长和繁殖，而这一光照水平远低于此前在自然界中所观测到的光照水平。
这项研究表明，即使在地球上最寒冷、最黑暗的地方，生命也能凭借极其微弱的光量生机盎然。加拿大阿利森山大学（Mount Allison University）的水生光合作用专家道格拉斯·坎贝尔（Douglas Campbell，未参与该研究）表示：“至少在某些条件下，有些浮游植物即便是在极低光照下，仍可能维持生命活动。这是一项重要的工作。”
黑暗的力量
科学家传统上认为，北极在一年中的大部分时间里处于停滞状态。冬季来临时，能逃离冰冷海水的生物会纷纷离去，留下来的生物则依靠体内储备的养分维持生命，或陷入沉睡。等到太阳重新升起，这片区域才重新焕发生机。春季，藻类和其他微生物开始大量进行光合作用，启动整个北极生态系统，开启了新一年的生命狂欢。小型甲壳类动物、鱼类、海豹、鸟类、北极熊、鲸鱼等生物也陆续登场。
在霍佩看来，能比竞争对手更早开始活动的浮游植物，可能在夏季过得更为成功。这让她开始思考：这些生物究竟在什么时候能够察觉光照的回归，并对此作出反应？
2015年，霍佩参与了由挪威特罗姆瑟大学（University of Tromsø）研究人员主导的一个项目，这次经历激发了她的研究兴趣。这个跨学科团队在斯瓦尔巴群岛（Svalbard archipelago）附近的冬季海域意外发现了一个繁荣的生态系统，其中一些生物（尤其是蛤类）甚至表现得比夏季更活跃。令所有人惊讶的是，浮游植物也没有休眠：霍佩在海水中测得的叶绿素水平（用于衡量光合作用活跃程度）远高于预期。霍佩发现，许多细胞并没有沉入表层沉积物中“冬眠”，而是在冬季持续保持活跃，细胞功能正常运转。
“如果这些细胞一直是活跃的，”霍佩说，“那问题显然就变成了，它们究竟从什么时候开始对生态系统产生作用？”她开始好奇极地海洋那广袤而冰冷的黑暗。
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2020年初，霍佩登上破冰船RV Polarstern，亲自测试光合作用的极限。这只船被有计划地嵌入浮冰中，人们将它的引擎关闭，让它在极夜期间随冰漂流。这项任务名为“国际北极气候研究多学科漂流观测计划”（MOSAiC），科学家们轮换参与组成探险队，尽可能多地收集关于北极冬季的数据。
霍佩和同事们在极夜的黑暗中作业，周围是一望无际的冰原，寒风刺骨，体感温度低至零下60℃。冰面的裂缝和冰脊不断改变着通往永久冰洞“海洋城”（Ocean City）的道路。他们从那里采集了数百升海水样本，带回船上进行分析。
研究团队进行了两组平行测量。在第一组中，他们将海水和海冰中的微藻带回船上的实验室进行培养，并为其提供碳源（可通过同位素，即原子核中中子数的差异进行追踪）以及微量光照（尽管光强仍显著高于冰下环境）。通过测量细胞的碳吸收速率，他们得以估算这些生物光合作用能力的极限。
研究人员还会定期采集海水样本，追踪浮游植物数量和叶绿素含量随时间的变化。霍佩表示，整个2月里，这两个指标始终保持稳定。然而到了3月底，微藻的碳吸收量显著上升，细胞数量和叶绿素浓度也随之增加，而这些都是表征生长和光合作用的指标。霍佩和团队测试并排除了多种可能的解释，最终发现，这一光合作用的上升正好与春季第一缕阳光的回归相吻合。
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然而，霍佩说，关键证据直到远征的第3年后才出现，而且是由另一个部门的研究人员提供的，他们是负责测量海冰下光照的物理学家。准确测量冰下光照一直是项难题。霍佩说：“你几乎不可能在不干扰测量环境的情况下进行这项工作，因为你得在冰上钻孔、来回走动，而即便是雪地和冰面上的脚步声也会影响光照环境。”
为了解决这一难题，海冰物理学家尼尔斯·富克斯（Niels Fuchs）和研究团队登上了这艘破冰船。他们在冬季节初期就在浮冰周围布设了高精度光传感器，并任其冻结在冰层下，度过整个冬季。就像野生动物学家在森林深处安置的追踪摄像机一样，这些传感器在无人干扰的情况下，连续数月记录了冰下的光照数据。
2月的极夜几乎处于绝对黑暗之中。即使是明亮的月光或短暂的暮色所带来的光子，也无法穿透至下方黑暗的海水中。到了3月下旬，太阳才短暂地出现在地平线上方。在冰层之下，光传感器记录到了极其微弱的光子数量：最高仅为每平方米每秒0.04微摩尔，这一数值已非常接近发生光合作用的理论最小光照量，而实际的光照强度可能还要更低。
“拿我们观测到的光量和一个正常晴天相比，就像在对比一滴水和三升水。”德国汉堡大学的冰层专家、该研究合著者富克斯说。他还补充说，他们的估计是保守的，实际穿透的光子可能更少。由于冰层的某些部分可能会比其他部分透过更多光线，因此研究团队选择了测量光照的上限。“冰层非常不均匀，”他解释说，“最终结果和实际情况会存在一些差异，我们确实想稳妥一些，不想冒险用无法百分百确定的最低光照量作为测量指标。”
将富克斯的光照数据与霍佩的微藻观测结果结合后，研究团队最终确认：在2月底，阳光刚刚回归时，微藻不仅已启动光合作用机制，而且还在持续生长并积累生物量。霍佩团队指出，他们首次在野外记录到了接近理论最低光照水平下的光合作用，其光照强度比此前在自然中观察到的还低一个数量级。
不再沉睡
霍佩对自己在接近维持生命所需的最低光照下观察到光合作用感到非常兴奋。但这一发现也引发了一个问题：这些处于休眠状态的细胞，为何能在春天第一缕阳光刚透过冰层的那一刻就启动光合作用机制？
霍佩团队发现，在极夜最黑暗的时期，微藻的碳吸收并未出现明显上升：它们既不生长，也不进行光合作用。但这些细胞也并非完全休眠，而是维持着低水平的生命活动。到了3月底，一旦光照强度升高到足以支持活跃的碳固定，这些藻类便迅速进入活跃状态。
“这有点像播种育苗或提前接种的过程，”坎贝尔说，“这种能够高效利用极低光照的能力，不仅提高了它们的生存几率，也使它们在阳光回归时能迅速投入光合作用。”
研究人员尚不完全清楚，这些微藻如何在最黑暗的时期仍能维持生命活动、避免休眠。有些藻类，如硅藻，可以直接从水中摄取溶解的有机营养物质。或许它们能够依靠透过冰层裂缝的零星光子，或某些发光生物提供的零散光子来维持生存。又或许，极地藻类已经演化出了独特的机制，能够在极寒环境下维持低水平的新陈代谢，从而在光照初现时迅速活跃起来。
英国普利茅斯海洋实验室（Plymouth Marine Laboratory）的浮游生物专家凯文·弗林（Kevin Flynn，未参与该研究）表示，这种适应性可能对该地区的生态系统具有重要意义，“这些生物可能早已准备好了，并且比我们认为的要早得多。”他认为，这项发现“是一项重要工作，它提醒我们自然界的真实运作方式”。
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不过，他并不完全相信这些细胞在3月底的生长是通过光合作用实现的。他说：“叶绿素的出现并不意味着它们正在依靠光合作用来生长，它们也可能只是通过有机物合成更多叶绿素，为即将开始的光合作用作准备。因为随着季节变化，阳光终将回归，而准备得更早的生物就能更快地生长。”
另一方面，坎贝尔认为，这些藻类开始光合作用的时间可能比霍佩团队提出的还要更早。他表示，霍佩团队对光照水平的估算是保守的，而光合作用可能早在可观测到的生物量积累之前就已经开始。因此，他认为 “这些生物正好处于，甚至低于生化热力学的极限”是完全有可能的。
这些发现描绘出了北极极夜乃至更广泛地区生命的新图景。生命活动可能并不局限于夏季短短几个月；相反，北极海域可能全年都有生产力，或者至少处于活跃状态。霍佩表示，这可能会重新塑造我们对北极生物的生命周期、相互关系以及能量储备的理解。
霍佩也在思考，北极浮游植物在近乎完全黑暗中维持生命的能力，是否也可能出现在深海中那些更寒冷、更黑暗水域中的某些藻类身上。如果她的猜想成立，那么具有生产力的海洋区域可能比人们此前认为的要更深。霍佩推测：“如果极地浮游植物能够演化出这些机制，我相信其他海域的浮游植物也能做到同样的事。”
原文链接：
https://www.quantamagazine.org/how-does-life-happen-when-theres-barely-any-light-20250129/