中层原生生物如何推动海洋碳和硅循环，全球研究新见解

海洋是重要的碳汇，在调节全球气候方面发挥着至关重要的作用。近年来，科学家越来越关注控制海洋环境中碳和元素循环的复杂过程。其中一个过程是生物碳泵 (BCP)，它对于将碳从大气转移到深海层至关重要，在那里碳可以被长期封存。

虽然人们非常关注浮游动物和浮游植物在这一过程中的贡献，但最近的一项研究揭示了中层原生生物，尤其是大型根瘤藻类在海洋碳封存中的重要作用，旨在探索大型中层原生生物对海洋碳循环和硅循环的影响以及它们对海洋长期碳储存的贡献，揭示它们影响全球气候的潜力。

中深层带：碳汇

中层带，又称暮光带，位于海平面以下 200 至 1,000 米处。这一层在海洋碳循环中至关重要，因为它是有机碳从海洋表面转移到更深层的通道。中层生物，如浮游动物、细菌和原生生物，在这一过程中发挥着至关重要的作用。

推动该区域碳封存的主要机制之一是从海洋表面输出有机碳，这些物质主要由浮游植物组成，它们通过光合作用捕获二氧化碳，然后在死亡或被其他生物消耗后沉入更深的水域。随着这些有机物质下沉，它们为中层带的多样化生物群落提供食物和能量。

除了下沉的物理过程外，中层生物还有助于将这种有机物质转化为颗粒有机碳 (POC) 或溶解有机碳 (DOC)，这些碳可能被保留在更深的海洋层中或被微生物进一步加工。这种生物碳泵的效率对于调节大气中的二氧化碳水平至关重要，从而影响全球气候。

长期碳封存的作用

长期将碳封存在海洋中是全球碳循环中的关键过程。虽然海洋表面与大气不断交换碳，但深海层是碳的更永久的吸收源。中层原生生物通过其摄食习性和对有机物质下沉的贡献，帮助将碳从海洋表面转移到这些深海层。

一旦碳到达深海，它就可以被储存数百年，甚至数千年，然后通过上升流等过程释放回大气中。中层原生生物帮助将碳输出到这些深海层的效率可以显著影响被封存的碳量，从而影响全球大气中的二氧化碳浓度。

这些生物在碳封存中的作用对减缓气候变化具有重要意义。如果可以优化或增强生物碳泵，它可能提供一种降低大气中二氧化碳水平的自然机制，有助于减轻全球变暖的影响。因此，了解中层原生生物对碳输出贡献背后的机制对于制定应对气候变化的战略至关重要。

硅循环和二氧化硅的作用

除了在碳循环中的作用外，中层原生生物，尤其是 Phaeodaria，对海洋硅循环做出了重大贡献。这些生物构造了复杂的硅基外壳，这对它们的结构和功能至关重要。硅融入这些原生生物的过程是海洋生态系统中更广泛的硅生物地球化学循环的重要组成部分。

随着这些生物死亡或被其他海洋生物吞食，它们的硅壳会促使硅在海洋中向下流动，补充深海中的硅供应。硅是许多海洋生物（尤其是硅藻）的必需营养素，它们依靠硅来构建硅藻壳。因此，硅的循环在维持海洋生产力和支持地表水中浮游植物的生长方面起着至关重要的作用。

巨型中层原生生物的作用

巨型中层原生生物，尤其是来自根藻类群（包括 Phaeodaria）的生物，在中层带的碳和硅循环中发挥着关键作用。这些原生生物通常以体型巨大和复杂的硅基外壳为特征，这使它们成为海洋生态系统的独特贡献者。

许多巨型原生生物，包括 Phaeodaria，都是通量摄食生物，也就是说，它们以海洋表面下沉的有机物颗粒为食。通过消耗这些颗粒，它们可以有效地从上层海洋中捕获碳和其他营养物质。这种行为是生物碳泵不可或缺的一部分，因为这些原生生物有助于将碳输出到更深的水域。

在摄食过程中，这些原生生物不仅封存碳，还在有机物质的转化和循环中发挥着重要作用。作为通量摄食者，它们有助于将颗粒有机碳转化为不同的形式，这些形式要么重新矿化回水柱中，要么封存在更深的层中。这些生物捕获和输出碳的效率对海洋中的长期碳储存做出了重大贡献，这是减轻气候变化影响的关键因素。

这些原生生物体型巨大、寿命长，也使它们成为有效的碳封存剂。通过捕获碳并将其储存在硅壳中，这些生物有助于产生更有效地沉入深海层的颗粒。这些颗粒一旦进入深海，就可以在那里停留数百年，有效地从大气中去除碳，并有助于稳定全球气候。

最新的研究发现

最新的一项研究，旨在量化巨型中层原生生物的全球意义。研究人员对中层原生生物生物量进行全球调查，使用原位成像技术评估它们在海洋中的丰度和分布情况，通过对收集的数据进行分析，以确定这些原生生物对海洋碳和硅循环的贡献。

研究发现，以 Phaeodaria 为主的根瘤藻占海洋上层 500 米中型浮游动物碳生物量的 1.7% 。它们的生物量对全球碳循环至关重要，其碳需求量达到0.46 Pg C y⁻¹，占重力碳通量的3.8% 至 9.2%。这些原生生物在碳和硅循环中都发挥着重要作用。它们的通量供给行为和对海洋碳储量的贡献凸显了它们的生态重要性。

该研究强调了原生生物群落丰富度和类型的区域差异，表明温度和营养物质的可用性等环境因素影响它们的分布。

研究结果表明，巨型中层原生生物，尤其是根瘤藻类，在海洋碳和硅循环中发挥着至关重要的作用。它们的摄食行为有助于将碳从海洋表面输送到深海，在那里可以长期封存，从而减轻气候变化的影响。这些生物还为硅循环做出了重大贡献，支持了海洋的生产力。

思考

海洋温度上升和酸化将如何影响中层原生生物的摄食行为、生物量和效率，特别是在碳和硅的封存方面？中层原生生物对碳输出的贡献在不同海洋区域有何不同，哪些因素导致了这种变异性（例如深度、营养物质的可用性）？巨型中层原生生物如何与其他浮游生物和微生物群落相互作用，以及这些相互作用如何影响它们在碳和硅循环中的作用？哪些机制通过中层原生生物控制深海中的长期碳储存，这些过程与其他碳封存途径相比如何？

参考文献：Manon Laget, Laetitia Drago, Thelma Panaïotis, Rainer Kiko, Lars Stemmann, Andreas Rogge, Natalia Llopis-Monferrer, Aude Leynaert, Jean-Olivier Irisson & Tristan Biard ，Global census of the significance of giant mesopelagic protists to the marine carbon and silicon cycles.  Nature Communications volume 15, Article number: 3341 (2024) ，doi.s41467-024-47651-4

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