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史大林:“养海带的” 科学家如何研究海洋酸化?

史大林,厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室教授,2020年科学探索奖天文和地学领域获奖者。获奖理由:肯定他在海洋酸化对初级生产的影响及其效应等方面的成绩,支持他在海洋生物地球化学与全球变化研究领域进行探索 | 图源:科学探索奖
 
编者按
 
年轻人,是科学创新的主力。在科学投入越来越受重视的今天,中国的科学家们中,尤其是年轻一代里,有许多在自己领域里做出了杰出成就,也承载着未来科研的希望。
 
《知识分子》携科学探索奖设立 “探索者” 专栏,为读者速写一群青年科学家的画像,介绍他们所代表的科技前沿。这些青年学者们都不到45岁,但已在各自的领域内做出了重要贡献。
 
谨以此系列文章记下他们拓展人类认知边界的努力,和对于科学、技术与人文的思考。
 
撰文 | 王一苇
 
责编 | 刘楚
 
2011年,史大林和妻子洪海征前后脚回到母校厦门大学任教。夫妻俩是本科同学,一起去了香港又辗转到美国,博士毕业回国后在厦大的近海海洋环境科学国家重点实验室建起一个小小的课题组,研究海洋藻类与全球变化。但在选择研究方向时,两人犹豫了。
 
摆在他们面前的是两条路:做藻类与海洋痕量金属这项国内几乎无人涉足、实现起来困难重重的研究,还是选择更安全稳妥的传统方向,研究其他更易控制的因素对藻类生产力的影响。
 
他们选择了少人行走的那条。
 
今天,我们为什么关心海洋藻类?
 
刚回厦门的时候,史大林开讲座,近海海洋环境科学国家重点实验室的人事科秘书施薇去听,发现这个老师 “挺好玩的”,“逢人必讲我就是养海带的”。后来才知道,史大林为了跟小外甥女解释他的专业,就想了这么个通俗易懂、接地气的切入点,连网名也起的是 “养海带的”。
 
他研究的海洋藻类看不见摸不着。史大林的实验室里,多个恒温藻类培养箱并排立着,打开是一个个方瓶子装着透明无色的液体,瓶子上用黑笔标记着藻种名、实验日期和浓度单位,瓶口连着管子,控制气体的流入。
史大林在实验室 一部分正在实验进行中的藻类在培养箱里,另一部分从海洋中采集的藻类样品则冷冻在零下80度的冰箱里 | 拍摄:王一苇
 
藻类虽然微小,却贡献了地球上70%的氧气 [1]。在阳光下,浮在海面上的藻类吞下空气和海水中的二氧化碳,并通过光合作用将其转化为动物能吸收利用的有机碳。海洋学家们把藻类称为海洋初级生产者,把它们将二氧化碳转变成有机碳的能力称为生产力。影响藻类生产力的因素很多:海水的pH值、温度、海水中各类营养物质的含量等等 [2]。
 
随着全球变暖,海水中二氧化碳的浓度也相应升高,海水平均pH值在过去一个世纪里从8.18降至8.07 [3],换算起来,海水的酸度增加了30%。
 
海水酸度增加,泡在海里的藻类会生长得更快还是更慢?理想状态下,把海藻培养在不同酸度的海水里测一测,就能得到答案。但实际上,海洋中的各种因素和成分和实验室里不尽相同,这个看似简单的问题很难得到回答。
 
一些研究者,比如南加州大学的教授 David Hutchins 在2015年实验发现,在酸化程度高的海水里,一种叫做束毛藻的海洋常见藻类的固氮能力提高了 [4]。
 
从原理上,这似乎很好解释:海水中二氧化碳的浓度升高,藻类用于生长的原材料增加,生产力增加的同时,固氮自然也获益了。虽然二氧化碳溶解于海水会导致pH值下降,藻类的生产能力会受到影响,但根据Hutchins的研究结果,负效应没有超过正效应。
 
但是史大林对这些论文数据感到怀疑。他认为,Hutchins团队之所以得到上升的结论,是因为他们所用的人工海水配方很可能存在污染,混入其中的氨和铜等含量过高,影响了束毛藻的生长,实验中酸化条件下藻类长得更快,是 “一个假象”。
 
“从控制痕量金属的角度,它是一个mess(混乱),一团糟。” 史大林说,早期研究中,为了模拟真实海洋中的环境,一般需要调配人工海水。Hutchins团队用于培养束毛藻的人工海水配方源自1996年的一项研究,它自发表之后便被广泛使用。如果研究者采用不同公司生产的不同纯度的原材料配置人工海水,就可能引入不同的氨浓度和金属铜浓度。
 
铜虽然是藻类必需的金属,但一旦浓度稍微高一些,就可能产生毒性。史大林的团队剖析了人工海水培养液的化学组成,认为在酸化条件下,更多的铜会变成络合态,毒性会下降;同时氨在酸化条件下从NH3变成NH4+,对束毛藻的毒性同样也下降。毒性下降,意味着藻类所处的环境变好了。因此史大林认为,Hutchins实验结果中海水酸化后,束毛藻固氮之所以上升,很可能是这两个毒性下降的反映。
 
史大林团队用同样的人工海水配方做了实验,但增加人工海水中的金属络合物含量,缓冲过多的铜,同时使用高纯度的原材料降低氨浓度,实验结果显示,束毛藻的固氮速率在酸化条件下是下降的。
 
“当我们把实验背景的污染降低、把培养液的金属化学控制好,就会发现正效应没有了,它应该是一个负效应或者是一个轻微的负效应。” 史大林说。
 
2017年,史大林的相关论文 [5] 发表后,两个团队在《科学》杂志上展开 “论战”。Hutchins坚持认为自己的样品未经污染 [6];史大林则回复称,他的实验数据经得起检验,而Hutchins声称其实验环境未经污染这一事实无法检验 [7]。
 
科学 “论战” 并未说服其中任何一方,但无疑,史大林的分析对于海洋生物地球化学研究领域是重要的一笔。
 
建中国最 “干净” 的实验室
 
史大林之所以能敏锐意识到人工海水中的问题,是因为他对海洋中的痕量金属非常敏感。
 
他师从普林斯顿大学教授 François Morel,国际海洋痕量金属研究的权威专家。海洋痕量金属指的是海水中含量等于或小于1μmol/kg(微摩尔/千克)的金属元素,包括铁、锌、铜等。痕量金属在海洋中含量极低,但微量的变化就能对藻类的生产力产生巨大影响。
史大林与导师合影,这张照片贴在他办公室墙上的显眼位置 | 拍摄:王一苇
 
要做痕量金属研究,第一个难题就是建洁净实验室:这个实验室的空气中金属颗粒含量得足够低。
 
海洋藻类领域同行里,想研究痕量金属的人不在少数,但成功先例为数不多。史大林现在实验室的同事曹知勉回忆,2008年左右自己在厦大读研时就曾想过做痕量金属铁的研究,但实验室要求达不到国际标准。“大概做了一年之后放弃了,没办法,真的是硬件达不到。”
 
2011年,博士毕业、刚刚回国任教的史大林和洪海征面临艰难选择。那时候,国内海洋藻类研究领域没有人建过这样的实验室。
 
所有的东西都得是塑料的。塑料实验台,塑料灯罩,这些还好办,但塑料的合叶和螺丝钉,连最好的装修师傅也闻所未闻。
 
此外,实验室需要正压,过滤空气的机器一天24小时全年无休不停运转,将金属颗粒挡在门外,电费投入也很可观。实验中要用到的盐酸需要高纯度,但当时国内的产品质量不稳定,能用的几乎没有。
 
初出茅庐的年轻学者经费捉襟见肘,而选择这个方向意味着需要大量资金投入实验室建设、设备和耗材。
 
史大林和洪海征与国内的同行交流,大多数人劝退,即使投入巨大,产出也难保障,“风险太大了”。
 
“做一个学界的最高标准出来”,也有一些鼓励声音。最终,让史大林夫妇下定决心的,除了这份要做就做最好的心气,更重要的是对自己科研能力的信心。
 
为了塑料建材他们搜遍了各个电商平台,找符合纯度的盐酸供应商又花了小一年,科研经费上精打细算,其他研究 “只花保证研究的钱”。现在,这个达国际最高标准的洁净实验室就藏在厦大翔安校区。
厦门大学翔安校区内的洁净实验室 | 拍摄:王一苇
 
在建成的实验室里,史大林团队逐步提升研究的复杂度,从一个因子对藻类的影响,到更多因子的综合影响。2015年,他和团队成员一篇发表在《湖沼学与海洋学(Limnology and Oceanography)》上的论文探讨了光、二氧化碳、氮营养盐三个因子对硅藻的综合影响。2017年发表在《科学》杂志上的论文则发现海水酸化条件下,束毛藻的生长和固氮都有所降低,且痕量金属铁的缺乏会加剧酸化的负效应。
 
实验室之外,他将出海做现场研究也放在重要的位置,甚至专门改造了一个集装箱,用作海上的洁净实验室。
集装箱实验室外部和内部 出海采样时也需要有洁净实验条件。当时中国的科考船不具备洁净实验室条件。2017年以前史大林出海时,只能用塑料做的洁净操作台构造洁净实验环境。后来,团队买了一个集装箱,改造成洁净实验室,需要时就搬到科考船的甲板上。船航行时,就用一根塑料管道通到海面上采集海水,直接灌入集装箱内部的塑料桶里,避免污染 | 拍摄:王一苇
 
史大林把自己现在的工作总结为两块:一块是在陆地上的实验室里为主做机制研究,通过简化变量,控制因子,观测藻类的生长变化及细胞内部的变化,探究微观机理;一块则是在海洋上观测藻类群落变化的宏观过程,和陆地实验室研究互相印证。他认为,这两部分都不可或缺,且相互促进和补充。
 
由于其在海洋酸化对浮游植物初级生产影响以及生物地球化学效应方面的成果,2020年,史大林成为了第二届“科学探索奖”奖励的50位青年科学家之一。
 
“死抠细节” 和 “不怕放弃”
 
在学生们眼里,史大林是个 “死抠” 细节的人,有严重的“完美主义“倾向,不仅在实验室里要求高,连学生们出去开会作报告时PPT上的,都要求大小一致且严丝合缝地对齐。
 
史大林认为,这样的严谨除了个性使然,更来自日复一日枯燥而扎实的基础科研训练。
 
每次带新的博士生硕士生,他都会把自己在阿拉斯加湾外那趟“糗事”讲给他们听,提醒他们别犯类似的错误。
 
海洋学研究真正的现场是大海。研究人员需要搭乘科考船,从海上采集样品。一趟航程几千海里、几十天的时间、覆盖上百个采样点。
 
2007年,读博的第一个夏天,史大林第一次出海,走一趟42天的航程,去了阿拉斯加湾外面的一个铁限制区。在船上做完实验,他抑制不住地兴奋。
 
“当时下船之前,我觉得我一定有一篇Science(论文发表),毫无疑问。” 他说,利用采集到的天然海水和天然浮游植物,他通过实验证实酸化条件下,藻类对铁的吸收是下降的。
2017年,史大林(左二)和学生们在“嘉庚号”上,照片拍摄当天是史大林40岁的生日 | 图源:受访者提供
 
然而,当他信心满满地将研究成果递交给《科学》杂志,一位审稿人的意见却给他当头浇了一盆冷水。
 
审稿人指出,在开展藻类对铁的吸收测定时,没有经过清洗步骤,没把可能附着在藻细胞表面的颗粒态铁洗掉——对于一个需要测定藻类吸收了多少铁的实验,这些细胞外的铁会影响最终测得的细胞内铁含量。
 
更令人尴尬的是,这个清洗铁步骤的发明者正是史大林的导师。“很难想象这是 François Morel 实验室出来的(工作),他发明了这个方法,你们居然没有用。” 审稿人写道。
 
最终,史大林重新出海采集样本,重走了一遍正确的流程,得到了相同的结果。最终完成的论文发表在2010年1月《科学》杂志上。
 
那之后,史大林每次出海开展研究前,脑子里都有一张详尽的物资和流程表格。比如,每一个装海水的罐子要经历20天多次高纯度盐酸清洗后才能使用,那么就要安排在航程开始日期数十天之前准备。他也要求团队里的学生,“每个细节都要考虑到。”
 
史大林自认为,他的团队论文产量不高,但是 “慢工出细活”。“藻类和全球变化领域出论文相对不难,但大多还是现象描述,能回答背后原因的并不多。” 他希望自己的研究成果能够真正从机理上解释现象、回答问题。
 
不忙的日子,曹知勉是史大林下班后的酒友,啤酒就着烧烤,聊研究的苦闷,也聊生活的乐趣。他形容,史大林身上一直有种 “少年气”。“有时候很有冲劲,有时候又很冲动,” 曹知勉说,“但这不是件坏事情,可能现在平和温柔的人比较多一点,我觉得做研究还是需要有他这样子的人。”
 
对于史大林来说,“放弃” 不是件可怕的事。本科毕业后,当时是史大林女友的洪海征作为班里第一名的 “学霸”,去了香港科技大学深造。一年后,史大林 “为了陪女朋友” 放弃在读的硕士学业,也去了港科大报到。两人双双赴美后,他在一个教授手下读了两年博,已经通过了博士候选资格考试,但因为并不喜欢当前的方向,便放弃了唾手可得的学位,转投另一位导师门下,从头开始读博。
 
在此期间,史大林的研究方向从生物学到环境毒理学,再到淡水重金属研究,最终才迈入痕量金属研究。
 
“我不觉得兴趣是最重要的,” 在厦大门口的海鲜大排档里,他灌了一口啤酒,说道,“任何事都需要钻研,才能了解其中的奥妙。”
 
史大林说,在换专业过程里,他意识到了海洋生物学、生物海洋学和海洋生物地球化学的区别,并开始真正关心海洋学研究。“海洋生物学是在个体层面上做工作,” 他说,“而生物海洋学、海洋生物地球化学探讨的则是一个有机的整体。”
史大林请朋友给课题组设计的Logo,以翻花绳为灵感
 
他被这种整体的复杂性所吸引,一路走到今天。物理、化学、生物,每个领域的知识在海洋学中都非常重要。“如果你不懂化学是什么样的,你就不知道生物为什么会那么变。” 在研究中,他对每个实验的生物、物理和化学要素变化都要捋得清清楚楚。
 
研究机制只是第一步。“最后要回到现实中去,回答一个复杂现象。”
 
现在,他正与做数学模型的同事合作,计算营养盐贫瘠的西北太平洋里藻类的固氮作用和其对碳吸收的贡献,希望能为全球碳中和的整体目标提供一些科学参考。
 
“嘉庚号” 远航科考进行时
 
为了开展海洋现场痕量金属研究,一代又一代的厦大海洋人一直在努力,史大林作为其中的一员,也希望为中国痕量金属海洋生物地球化学研究做出贡献。
 
相比于用人工海水和模式海藻做研究,从海洋中采集表层海水和水中的海藻是一种更接近真实世界的研究方式。
 
海洋广阔,水面相通,但每片海域的差异其实很大。一些区域营养物质的含量比其他区域低很多,浮游生物也少,被称作海洋荒漠。全球有五块这样的荒漠区,占全球海洋面积超过30%。对于研究者而言,这些区域提供了独特的研究条件。
 
此前,由于技术和资金限制,中国一直未能开展太平洋海区的长期监测研究。太平洋虽浩淼,但因为科考航线费用昂贵,,很长一段时间以来全世界仅有美国在夏威夷地区附近开展长期的痕量金属、同位素等参数监测,以及日本在其邻近海域开展零星工作。
 
经过多年的筹划建设, 厦门大学自主研发的科考船 “嘉庚” 号于2017年正式下水。“嘉庚” 号配备了海水洁净采集设备,是国内首个具备痕量金属、洁净海水大体积采集能力的科学考察调查船。
 
截至2021年8月,“嘉庚” 号已航行了11个航次,而在未来全球海洋痕量元素及其同位素研究中,也将担负起举足轻重的支撑作用。
 
“嘉庚” 号也是参与全球GEOTRACES计划的唯一一艘中国科考船。自2010年开始,国际海洋研究科学委员会(SCOR)正式启动了GEOTRACES计划,旨在研究全球海洋痕量元素及其同位素的生物地球化学循环。2019年4月,“嘉庚号” 从厦门出发,搭载来自德国、日本、美国、加拿大和中国的36位研究人员,在西太平洋上执行了中国第一次GEOTRACES观测和采样任务 [8]。
 
中国科学院院士、厦大海洋与地球学院教授戴民汉自2006年起就参与了该计划的筹备,也是该计划的科学指导委员会(SCC)成员。而今年1月,史大林也接棒成为了SCC的成员。
 
GEOTRACES计划的参与者们正在构建一个巨大的海洋数字档案馆,为了 “提高对过去海洋条件的理解”,且 “可以更可靠地预测未来的变化” [9]。这个数据库目前向全球的研究者开放访问,也促进了国际海洋学社区的形成和交流。史大林和厦门大学的研究者们,也在合作改进海洋洁净海水采样的技术,以使获得的数据更加准确。
 
史大林说,地学(注:地球科学,包括海洋学、大气物理、古生物学等)是一个被低估的学科。它不仅实用,更能从一个高屋建瓴的角度去观看这个世界,带给人广阔的视野。好比,他第一次出海时,尽管晕船吐得死去活来,站在甲板上看着深色、平静的海面,感到和大自然相比,人是渺小的。
 
“那种宽阔,整个人一下子放空的感觉,我特别喜欢。”
参考资料
 
[1]https://www.nationalgeographic.org/activity/save-the-plankton-breathe-freely/#:~:text=Prochlorococcus%20and%20other%20ocean%20phytoplankton,the%20warming%20of%20the%20ocean
 
[2]https://www.britannica.com/science/phytoplankton
 
[3]https://royalsociety.org/~/media/royal_society_content/policy/publications/2005/9634.pdf
 
[4]https://www.nature.com/articles/ncomms9155
 
[5]https://science.sciencemag.org/content/356/6337/527
 
[6]https://science.sciencemag.org/content/357/6356/eaao0067?intcmp=trendmd-sci
 
[7]https://science.sciencemag.org/content/357/6356/eaao0428.full
 
[8]https://ships.xmu.edu.cn/info/1181/1806.htm
 
[9]https://www.geotraces.org/challenges-and-benefits/



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