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Geology:揭秘硅藻地球扩散之谜

来源:新浪科技 2013-12-11 22:14

新西兰北岛陶波火山的超级喷发将大量的硅藻带到了同温层

这张假彩色图片上的硅藻来自新西兰陶波火山的古老火山灰,已有25000年的历史

近日一项研究称,硅藻不仅能被火山灰云带到同温层并存活下来,之后它们还会飘落到距离遥远的岛屿上。研究作者亚历克斯·范·伊顿(Alexa Van Eaton)说:“一边是精致的、有硅质外壳的生物体,另一边是地球历史上最强烈的喷发活动之一,二者之间的对比何其之大。”她同时在华盛顿州喀斯卡特火山观测台和亚利桑那州立大学开展博士后研究。

这些硅藻是被25000年前新西兰北岛的陶波火山超级喷发带到空中的。范·伊顿在9月6日的《地质学》(Geology)杂志中称,有超过6亿立方米的硅藻被从一个湖泊“吹”到了空中。如果这些硅藻团在一起,其体积将与夏威夷久负盛名的钻石头山(夏威夷瓦胡岛的一座死火山)相当。

一些硅藻甚至飘到了新西兰以东850公里处的查塔姆群岛。“它们是坐上了顺风车,”范·伊顿说,“如果它们在那里存活下来,就意味着微型生物能通过这种方式长途旅行并彼此相遇。”查塔姆群岛上原始的硅藻壳体表明,这些硅藻能够通过大气气流传播并占据新的生态位。

硅藻的世界

硅藻统治着地球的各种水域。从南极的冰湖到酸性的温泉,再到普通家庭中的水族箱,硅藻无处不在。美国德州大学的硅藻专家兼进化生物学家爱德华·塞里奥特(Edward Theriot)说,这其实是一件好事,这些微小的生物提供了地球50%的氧气。塞里奥特并没有参与这项研究。

不同物种的硅藻外形各异,有的像小型的培养皿,有的像足球。它们一生都随着水流漂浮。硅藻并不会游泳,它们是如何扩张并占据新领地的,依然是一个谜题。硅藻的扩张速度极快。14000年前,当怀俄明州的黄石湖刚刚从上公里厚的冰层中冒出来时,硅藻很快就出现在湖水中。塞里奥特说:“它们或者是被某种机制吹到了这里,或者由水鸟携带而来。”

硅藻特别喜爱火山湖泊,因为它们是唯一能长出硅质外壳的生物(玻璃海绵虽然也能长出硅质骨针,但并不能形成坚硬的外壳)。富含硅质的岩浆常常引起火山喷发,留下日后被湖水填充的火山口。硅是硅藻形成外壳的关键元素。塞里奥特称,黄石湖就坐落在一个由超级喷发所形成的巨火山口中,湖水中硅藻数量之大,使得湖底沉积物大部分由硅藻外壳组成(占重量的85%)。

完好保存

陶波火山的超级喷发穿透了一个填满裂谷的深水湖泊——与东非大裂谷中那些狭长的湖泊类似。水和火山灰的结合形成了恐怖的雷暴,云层厚且风力极大。范·伊顿说,爆炸使火山灰和藻类以超过400公里每小时的速度向上喷出。火山冰雹(被称为团积火山砾)击打着方圆数公里以内的地面。

范·伊顿是在对火山冰雹做电子显微镜扫描时发现这些硅藻的。“我第一次见到它们时,是在观察一些火山灰团块,突然间,这些美妙的、对称的外壳出现了,”她说,“它们的外壳被完好地保存下来。”

范·伊顿很快就确认出在火山灰内发现的3种硅藻中,有一种只出现在新西兰的北岛。这意味着,她有了一个独一无二的生物标记,来追踪南太平洋周围25000年前的火山灰层的来源。结果发现,北岛独有的这种硅藻出现在了查塔姆群岛上的火山灰中。事实上,这些硅藻到达查塔姆群岛的路程远比地图上看起来长得多。范·伊顿及其同事推测,当时盛行西向的风,因此这些硅藻在南半球盘旋许久后才落到了查塔姆群岛上。

有些硅藻依然保持着当初的颜色,无论是在靠近火山口的火山灰中,还是在查塔姆群岛上。范·伊顿说,这些颜色表明它们并没有在火山喷发的过程中经历过极端的高温。

孢子飘浮的天空

尽管这些硅藻十分原始,但塞里奥特怀疑硅藻是否能在火山喷发中存活下来。他推测使硅藻的休眠孢子借助大气气流进行长途旅行,然后落下并占据新的生态系统。正是利用孢子,硅藻才能躲过恶劣的环境变化。两年前,丹麦科学家成功使当地峡湾渣土中休眠了上百年的孢子复活。科学家在云层中也发现了休眠的孢子。塞里奥特说,火山喷发很可能将湖底的孢子“发射”到了天空中。

“我和其他许多人都曾经开玩笑说,黄石的火山又一次将黄石湖底部的硅藻土炸到了空中,并四散传播,”塞里奥特说,“在这类现象中,(黄石湖)是研究得最透彻,也记录得最为详细的例子。因此我们真的可以将火山列入(硅藻如何传播)的可能性列表中。而且火山是特别高效的。”

范·伊顿希望这一发现能够促使其他科学家在“潮湿喷发”(wet eruptions)——即岩浆与水碰撞的地方——中搜寻微型生命。“这是一个确定火山灰沉积来自何方的潜在工具,”范·伊顿说,“如果能够鉴定出某些微生物是某个地区独有的,那你就可以为火山沉积物确定一个生物指纹。同样的原理也可能存在于现代的火山喷发中,但没有人花时间来寻找它们。”

火山灰常常能扩散到数百公里以外,但一旦远离了最初的源头,要确定少量的火山灰来自哪座火山就变得非常困难。特别是在南太平洋,这里的火山一直都在喷发。塞里奥特同样怀疑硅藻是否能有效地追踪火山灰。硅藻是全球广泛分布的生物类群,我们很难找到某个地区特有的硅藻种类。“如果你在俄亥俄州的一处泥潭中发现了含有硅藻的火山灰沉积物,你很难确定这些硅藻是来自黄石,还是来自那个泥潭,”塞里奥特说,“这需要有一系列非同寻常的环境,如新西兰的这种与当地种类格格不入的硅藻,才能使人确信它们确实是随着火山灰飘过来的。”(生物谷Bioon.com)

生物谷推荐的英文摘要

Geology               doi: 10.1130/G34829.1

High-flying diatoms: Widespread dispersal of microorganisms in an explosive volcanic eruption

Alexa R. Van Eaton*, Margaret A. Harper and Colin J.N. Wilson

Explosive eruptions create a transient bridge between the solid Earth and atmosphere, frequently injecting volcanic aerosols to stratospheric levels. Although known to disrupt terrestrial and aquatic ecosystems at the surface, the role of explosive volcanism in airborne transport of microscopic organisms has never been characterized. This study documents abundant freshwater diatoms (microskeletons of siliceous algae) in widespread tephra from the 25.4 ka Oruanui eruption of Taupo volcano, New Zealand. By matching the tephra-hosted species assemblages to those in coerupted clasts of lacustrine sediment, we demonstrate that ~0.6 km3 of diatom remains were incorporated during magma-water interaction with a lake system overlying the vents, and were dispersed along with fine ash particles hundreds of kilometers downwind. One of the dominant species, Cyclostephanos novaezeelandiae, is endemic to New Zealand’s North Island and serves as a unique identifier of the eruptive source region. Our results suggest that dispersal of microorganisms may be an overlooked feature of a number of ancient and modern eruptions, and indicate a novel pathway of microbe transport in airborne volcanic plumes. We conclude that the biogenic signatures contained within distal tephras have potential application in the characterization of eruption dynamics, location, and environmental settings of volcanic source areas.

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