地球上的大多數生命，都需要依賴氧氣才能生存。但最重要的氧氣生產者卻不是我們熟悉的樹木，而是那些水中的微小生物，其中最重要的類群之一就是矽藻。矽藻是一種極小的單細胞藻類，大多只有幾微米到幾十微米長，一根針尖上就能放下好幾顆。但如果你用顯微鏡觀察這些小生物，一定會為它們精緻的外形所震驚——事實上，你看到的這些精美結構是矽藻的細胞壁，也被稱為它的「矽製殼」。

1500 倍顯微鏡下的矽藻殼體（圖片來源：Massimo brizzi/Wikipedia）

與植物或動物不同，矽藻的細胞壁是二氧化矽製成的，準確來說是水合二氧化矽，和歐泊（一種寶石）的成分一樣。而且與歐泊類似，矽藻的細胞壁也會呈現出綏爛的結構色。

歐泊表面的變彩（圖片來源：Dpulitzer）

這樣的堅硬外殼讓矽藻成為了地球上的絕對贏家，已知的矽藻種類就已經超過了2 萬種，它們盡情分佈在全球各處的海洋、河流、湖泊中，你甚至能在溫泉或者南大洋裡找到矽藻的身影。

如此廣泛的分佈也帶來了巨大的生產力。根據估計，在你呼吸的每一口空氣中，平均20%~30% 的氧氣都是由矽藻生產的。這個數字甚至遠遠超過了被譽為「地球之肺」的熱帶雨林。

「矽藻是海洋中最重要的浮游生物之一」GEOMAR亥姆霍茲海洋研究中心的海洋生物學家揚·陶赫爾（Jan Taucher）這樣解釋自己對矽藻的濃厚興趣，「它們的任何變化都可能導致海洋食物網發生重大轉變，甚至會改變海洋作為碳匯吸收二氧化碳的能力。

海水氧化

我們都知道，氣候變遷正威脅著海洋生態。大氣中的二氧化碳溶解到海水中，會增加海水的酸度。對於那些擁有碳酸鹽殼體（主要是碳酸鈣）的海洋生物來說，這幾乎等於滅頂之災：如果海水酸化加劇，它們的碳酸鹽殼體可能會被溶解——這正是許多地區的珊瑚和貝類正在經歷的災難。

隨著海水酸化加劇，許多海洋生物的碳酸鹽殼體正受到威脅（圖片來源：NOAA）

然而，對於矽藻來說，氣候變遷的故事要複雜得多。許多研究認為，矽藻理論上擁有抵禦海水酸化的能力，甚至還有可能從氣候變遷中獲得好處。一方面，作為一種能進行光合作用的微生物，當海水中溶解的二氧化碳增多，矽藻就更容易吸收二氧化碳，提高光合作用的速率。另一方面，酸性環境能降低二氧化矽的溶解速率，因此矽藻能更省力地搭建起自己的「矽制小屋」。

問題在於，這些都只是理論上的推測。最近，陶赫爾和同事發現，以往對矽藻的討論往往遺漏了一個關鍵因素，而這一點很可能會威脅到矽藻的生存。

供不應求的矽

對海洋中的許多浮游生物來說，主要營養物質（如氮或鐵）的濃度決定了它們的分佈。但矽藻更「重視」海水中的矽。

海水中的矽酸鹽通常處於不飽和狀態，因此矽藻的殼體其實很容易被海水侵蝕、溶解。在矽藻活著的時候，會在殼體外分泌一層有機塗層，提供保護。然而當矽藻死亡後，這層保護塗層會被細菌降解掉。在殼體順著重力下落到海洋深處的過程中，殼體中的矽也釋放到「沿途」的海水中，這在一定程度上也彌補了表層海水中被矽藻消耗掉的矽。

就這樣，矽藻本身就起到了「生物泵」的作用，像泵一樣將海水中的矽從表層運到深層，再由全球海洋環流輸送回海洋表面，供給下一批矽藻使用。

顯微鏡下的矽藻像寶石一樣閃耀（圖片來源：Watson & Sons）

為了模擬氣候變遷下海洋環境的變化，陶赫爾的研究團隊採取了圍隔實驗的方法：他們在5 片海洋中分別隔出一塊海水，透過人工泵入泵出來維持正常的海水循環。這就像是在海洋中截取了5 個巨大的試管，研究者可以向試管中輸入不同濃度的二氧化碳，模擬不同程度的海洋酸化情境。結果顯示，海洋沉積物中矽與氮的比值平均增加了17%。也就是說，在更酸的海水中，有更多的矽質殼體落到了沉積物中，而不會溶解到海水裡。

矽藻的骨牌

進一步的模型研究帶來了更大的憂慮。在海水嚴重酸化的情境下，殼體的溶解速度減慢，更多的矽藻死後殼體會直接沉入海底，並長期沉積在那裡。海洋環流顯然補不上這份空缺，那麼之後生長的矽藻就無法獲得足夠的矽來製造自己的外殼。

海水酸化會導致表層海水中的矽酸鹽濃度大幅減少（紅色代表增加，藍色代表減少，圖片來源：原始論文）

模擬結果顯示，在高排放情境下，2200 年海洋表層中的矽酸鹽濃度將下降約27%，這會直接導致矽藻的數量降低26%。如果失去瞭如此大量的初級生產者，地球上的其他生命也將受到巨大的影響。

在論文中，研究者更擔心的是“生態系統功能和碳循環的相關後果更難以評估”，目前的數據也沒有討論對生物鏈上其他消費者的多米諾骨牌效應。

圖片來源：Howard Lynk

但無論如何，這項研究結果在警告我們，地球系統中那些沒有被注意到的回饋機制，會如何改變我們對環境和生物變化的預測——我們仍然不夠了解我們的星球和其中的生命形式是如何相互作用的。

對陶赫爾來說，這個發現是一項令人心酸的驚喜：“這種驚喜一再提醒我們，如果我們不迅速果斷地應對氣候變化，將面臨無法估量的風險。”