史大林：“養(yǎng)海帶的” 科學(xué)家如何研究海洋酸化？|
史大林，廈門大學(xué)近海海洋環(huán)境科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授，2020年科學(xué)探索獎(jiǎng)天文和地學(xué)領(lǐng)域獲獎(jiǎng)?wù)摺?/span>獲獎(jiǎng)理由：肯定他在海洋酸化對(duì)初級(jí)生產(chǎn)的影響及其效應(yīng)等方面的成績(jī)，支持他在海洋生物地球化學(xué)與全球變化研究領(lǐng)域進(jìn)行探索 | 圖源：科學(xué)探索獎(jiǎng)
《知識(shí)分子》攜科學(xué)探索獎(jiǎng)設(shè)立 “探索者” 專欄，為讀者速寫一群青年科學(xué)家的畫像，介紹他們所代表的科技前沿。這些青年學(xué)者們都不到45歲，但已在各自的領(lǐng)域內(nèi)做出了重要貢獻(xiàn)。
謹(jǐn)以此系列文章記下他們拓展人類認(rèn)知邊界的努力，和對(duì)于科學(xué)、技術(shù)與人文的思考。
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2011年，史大林和妻子洪海征前后腳回到母校廈門大學(xué)任教。夫妻倆是本科同學(xué)，一起去了香港又輾轉(zhuǎn)到美國(guó)，博士畢業(yè)回國(guó)后在廈大的近海海洋環(huán)境科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建起一個(gè)小小的課題組，研究海洋藻類與全球變化。但在選擇研究方向時(shí)，兩人猶豫了。
擺在他們面前的是兩條路：做藻類與海洋痕量金屬這項(xiàng)國(guó)內(nèi)幾乎無人涉足、實(shí)現(xiàn)起來困難重重的研究，還是選擇更安全穩(wěn)妥的傳統(tǒng)方向，研究其他更易控制的因素對(duì)藻類生產(chǎn)力的影響。
他們選擇了少人行走的那條。
剛回廈門的時(shí)候，史大林開講座，近海海洋環(huán)境科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的人事科秘書施薇去聽，發(fā)現(xiàn)這個(gè)老師 “挺好玩的”，“逢人必講我就是養(yǎng)海帶的”。后來才知道，史大林為了跟小外甥女解釋他的專業(yè)，就想了這么個(gè)通俗易懂、接地氣的切入點(diǎn)，連網(wǎng)名也起的是 “養(yǎng)海帶的”。
他研究的海洋藻類看不見摸不著。史大林的實(shí)驗(yàn)室里，多個(gè)恒溫藻類培養(yǎng)箱并排立著，打開是一個(gè)個(gè)方瓶子裝著透明無色的液體，瓶子上用黑筆標(biāo)記著藻種名、實(shí)驗(yàn)日期和濃度單位，瓶口連著管子，控制氣體的流入。
史大林在實(shí)驗(yàn)室 一部分正在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中的藻類在培養(yǎng)箱里，另一部分從海洋中采集的藻類樣品則冷凍在零下80度的冰箱里 | 拍攝：王一葦
藻類雖然微小，卻貢獻(xiàn)了地球上70%的氧氣 [1]。在陽光下，浮在海面上的藻類吞下空氣和海水中的二氧化碳，并通過光合作用將其轉(zhuǎn)化為動(dòng)物能吸收利用的有機(jī)碳。海洋學(xué)家們把藻類稱為海洋初級(jí)生產(chǎn)者，把它們將二氧化碳轉(zhuǎn)變成有機(jī)碳的能力稱為生產(chǎn)力。影響藻類生產(chǎn)力的因素很多：海水的pH值、溫度、海水中各類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量等等 [2]。
隨著全球變暖，海水中二氧化碳的濃度也相應(yīng)升高，海水平均pH值在過去一個(gè)世紀(jì)里從8.18降至8.07 [3]，換算起來，海水的酸度增加了30%。
海水酸度增加，泡在海里的藻類會(huì)生長(zhǎng)得更快還是更慢？理想狀態(tài)下，把海藻培養(yǎng)在不同酸度的海水里測(cè)一測(cè)，就能得到答案。但實(shí)際上，海洋中的各種因素和成分和實(shí)驗(yàn)室里不盡相同，這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問題很難得到回答。
一些研究者，比如南加州大學(xué)的教授 David Hutchins 在2015年實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在酸化程度高的海水里，一種叫做束毛藻的海洋常見藻類的固氮能力提高了 [4]。
從原理上，這似乎很好解釋：海水中二氧化碳的濃度升高，藻類用于生長(zhǎng)的原材料增加，生產(chǎn)力增加的同時(shí)，固氮自然也獲益了。雖然二氧化碳溶解于海水會(huì)導(dǎo)致pH值下降，藻類的生產(chǎn)能力會(huì)受到影響，但根據(jù)Hutchins的研究結(jié)果，負(fù)效應(yīng)沒有超過正效應(yīng)。
但是史大林對(duì)這些論文數(shù)據(jù)感到懷疑。他認(rèn)為，Hutchins團(tuán)隊(duì)之所以得到上升的結(jié)論，是因?yàn)樗麄兯玫娜斯ずＫ浞胶芸赡艽嬖谖廴?，混入其中的氨和銅等含量過高，影響了束毛藻的生長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)中酸化條件下藻類長(zhǎng)得更快，是 “一個(gè)假象”。
“從控制痕量金屬的角度，它是一個(gè)mess（混亂），一團(tuán)糟?！?史大林說，早期研究中，為了模擬真實(shí)海洋中的環(huán)境，一般需要調(diào)配人工海水。Hutchins團(tuán)隊(duì)用于培養(yǎng)束毛藻的人工海水配方源自1996年的一項(xiàng)研究，它自發(fā)表之后便被廣泛使用。如果研究者采用不同公司生產(chǎn)的不同純度的原材料配置人工海水，就可能引入不同的氨濃度和金屬銅濃度。
銅雖然是藻類必需的金屬，但一旦濃度稍微高一些，就可能產(chǎn)生毒性。史大林的團(tuán)隊(duì)剖析了人工海水培養(yǎng)液的化學(xué)組成，認(rèn)為在酸化條件下，更多的銅會(huì)變成絡(luò)合態(tài)，毒性會(huì)下降；同時(shí)氨在酸化條件下從NH3變成NH4+，對(duì)束毛藻的毒性同樣也下降。毒性下降，意味著藻類所處的環(huán)境變好了。因此史大林認(rèn)為，Hutchins實(shí)驗(yàn)結(jié)果中海水酸化后，束毛藻固氮之所以上升，很可能是這兩個(gè)毒性下降的反映。
史大林團(tuán)隊(duì)用同樣的人工海水配方做了實(shí)驗(yàn)，但增加人工海水中的金屬絡(luò)合物含量，緩沖過多的銅，同時(shí)使用高純度的原材料降低氨濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，束毛藻的固氮速率在酸化條件下是下降的。
“當(dāng)我們把實(shí)驗(yàn)背景的污染降低、把培養(yǎng)液的金屬化學(xué)控制好，就會(huì)發(fā)現(xiàn)正效應(yīng)沒有了，它應(yīng)該是一個(gè)負(fù)效應(yīng)或者是一個(gè)輕微的負(fù)效應(yīng)?！?史大林說。
2017年，史大林的相關(guān)論文 [5] 發(fā)表后，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志上展開 “論戰(zhàn)”。Hutchins堅(jiān)持認(rèn)為自己的樣品未經(jīng)污染 [6]；史大林則回復(fù)稱，他的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)得起檢驗(yàn)，而Hutchins聲稱其實(shí)驗(yàn)環(huán)境未經(jīng)污染這一事實(shí)無法檢驗(yàn) [7]。
科學(xué) “論戰(zhàn)” 并未說服其中任何一方，但無疑，史大林的分析對(duì)于海洋生物地球化學(xué)研究領(lǐng)域是重要的一筆。
史大林之所以能敏銳意識(shí)到人工海水中的問題，是因?yàn)樗麑?duì)海洋中的痕量金屬非常敏感。
他師從普林斯頓大學(xué)教授 Fran?ois Morel，國(guó)際海洋痕量金屬研究的權(quán)威專家。海洋痕量金屬指的是海水中含量等于或小于1μmol/kg（微摩爾/千克）的金屬元素，包括鐵、鋅、銅等。痕量金屬在海洋中含量極低，但微量的變化就能對(duì)藻類的生產(chǎn)力產(chǎn)生巨大影響。
史大林與導(dǎo)師合影，這張照片貼在他辦公室墻上的顯眼位置 | 拍攝：王一葦
要做痕量金屬研究，第一個(gè)難題就是建潔凈實(shí)驗(yàn)室：這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的空氣中金屬顆粒含量得足夠低。
海洋藻類領(lǐng)域同行里，想研究痕量金屬的人不在少數(shù)，但成功先例為數(shù)不多。史大林現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室的同事曹知勉回憶，2008年左右自己在廈大讀研時(shí)就曾想過做痕量金屬鐵的研究，但實(shí)驗(yàn)室要求達(dá)不到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)?！按蟾抛隽艘荒曛蠓艞壛耍瑳]辦法，真的是硬件達(dá)不到。”
2011年，博士畢業(yè)、剛剛回國(guó)任教的史大林和洪海征面臨艱難選擇。那時(shí)候，國(guó)內(nèi)海洋藻類研究領(lǐng)域沒有人建過這樣的實(shí)驗(yàn)室。
所有的東西都得是塑料的。塑料實(shí)驗(yàn)臺(tái)，塑料燈罩，這些還好辦，但塑料的合葉和螺絲釘，連最好的裝修師傅也聞所未聞。
此外，實(shí)驗(yàn)室需要正壓，過濾空氣的機(jī)器一天24小時(shí)全年無休不停運(yùn)轉(zhuǎn)，將金屬顆粒擋在門外，電費(fèi)投入也很可觀。實(shí)驗(yàn)中要用到的鹽酸需要高純度，但當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，能用的幾乎沒有。
初出茅廬的年輕學(xué)者經(jīng)費(fèi)捉襟見肘，而選擇這個(gè)方向意味著需要大量資金投入實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、設(shè)備和耗材。
史大林和洪海征與國(guó)內(nèi)的同行交流，大多數(shù)人勸退，即使投入巨大，產(chǎn)出也難保障，“風(fēng)險(xiǎn)太大了”。
“做一個(gè)學(xué)界的最高標(biāo)準(zhǔn)出來”，也有一些鼓勵(lì)聲音。最終，讓史大林夫婦下定決心的，除了這份要做就做最好的心氣，更重要的是對(duì)自己科研能力的信心。
為了塑料建材他們搜遍了各個(gè)電商平臺(tái)，找符合純度的鹽酸供應(yīng)商又花了小一年，科研經(jīng)費(fèi)上精打細(xì)算，其他研究 “只花保證研究的錢”。現(xiàn)在，這個(gè)達(dá)國(guó)際最高標(biāo)準(zhǔn)的潔凈實(shí)驗(yàn)室就藏在廈大翔安校區(qū)。
在建成的實(shí)驗(yàn)室里，史大林團(tuán)隊(duì)逐步提升研究的復(fù)雜度，從一個(gè)因子對(duì)藻類的影響，到更多因子的綜合影響。2015年，他和團(tuán)隊(duì)成員一篇發(fā)表在《湖沼學(xué)與海洋學(xué)（Limnology and Oceanography）》上的論文探討了光、二氧化碳、氮營(yíng)養(yǎng)鹽三個(gè)因子對(duì)硅藻的綜合影響。2017年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的論文則發(fā)現(xiàn)海水酸化條件下，束毛藻的生長(zhǎng)和固氮都有所降低，且痕量金屬鐵的缺乏會(huì)加劇酸化的負(fù)效應(yīng)。
實(shí)驗(yàn)室之外，他將出海做現(xiàn)場(chǎng)研究也放在重要的位置，甚至專門改造了一個(gè)集裝箱，用作海上的潔凈實(shí)驗(yàn)室。
史大林把自己現(xiàn)在的工作總結(jié)為兩塊：一塊是在陸地上的實(shí)驗(yàn)室里為主做機(jī)制研究，通過簡(jiǎn)化變量，控制因子，觀測(cè)藻類的生長(zhǎng)變化及細(xì)胞內(nèi)部的變化，探究微觀機(jī)理；一塊則是在海洋上觀測(cè)藻類群落變化的宏觀過程，和陸地實(shí)驗(yàn)室研究互相印證。他認(rèn)為，這兩部分都不可或缺，且相互促進(jìn)和補(bǔ)充。
由于其在海洋酸化對(duì)浮游植物初級(jí)生產(chǎn)影響以及生物地球化學(xué)效應(yīng)方面的成果，2020年，史大林成為了第二屆“科學(xué)探索獎(jiǎng)”獎(jiǎng)勵(lì)的50位青年科學(xué)家之一。
在學(xué)生們眼里，史大林是個(gè) “死摳” 細(xì)節(jié)的人，有嚴(yán)重的“完美主義“傾向，不僅在實(shí)驗(yàn)室里要求高，連學(xué)生們出去開會(huì)作報(bào)告時(shí)PPT上的圖片，都要求大小一致且嚴(yán)絲合縫地對(duì)齊。
史大林認(rèn)為，這樣的嚴(yán)謹(jǐn)除了個(gè)性使然，更來自日復(fù)一日枯燥而扎實(shí)的基礎(chǔ)科研訓(xùn)練。
每次帶新的博士生碩士生，他都會(huì)把自己在阿拉斯加灣外那趟“糗事”講給他們聽，提醒他們別犯類似的錯(cuò)誤。
海洋學(xué)研究真正的現(xiàn)場(chǎng)是大海。研究人員需要搭乘科考船，從海上采集樣品。一趟航程幾千海里、幾十天的時(shí)間、覆蓋上百個(gè)采樣點(diǎn)。
2007年，讀博的第一個(gè)夏天，史大林第一次出海，走一趟42天的航程，去了阿拉斯加灣外面的一個(gè)鐵限制區(qū)。在船上做完實(shí)驗(yàn)，他抑制不住地興奮。
“當(dāng)時(shí)下船之前，我覺得我一定有一篇Science（論文發(fā)表），毫無疑問。” 他說，利用采集到的天然海水和天然浮游植物，他通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)酸化條件下，藻類對(duì)鐵的吸收是下降的。
2017年，史大林（左二）和學(xué)生們?cè)凇凹胃?hào)”上，照片拍攝當(dāng)天是史大林40歲的生日 | 圖源：受訪者提供
然而，當(dāng)他信心滿滿地將研究成果遞交給《科學(xué)》雜志，一位審稿人的意見卻給他當(dāng)頭澆了一盆冷水。
審稿人指出，在開展藻類對(duì)鐵的吸收測(cè)定時(shí)，沒有經(jīng)過清洗步驟，沒把可能附著在藻細(xì)胞表面的顆粒態(tài)鐵洗掉——對(duì)于一個(gè)需要測(cè)定藻類吸收了多少鐵的實(shí)驗(yàn)，這些細(xì)胞外的鐵會(huì)影響最終測(cè)得的細(xì)胞內(nèi)鐵含量。
更令人尷尬的是，這個(gè)清洗鐵步驟的發(fā)明者正是史大林的導(dǎo)師?！昂茈y想象這是 Fran?ois Morel 實(shí)驗(yàn)室出來的（工作），他發(fā)明了這個(gè)方法，你們居然沒有用?！?審稿人寫道。
最終，史大林重新出海采集樣本，重走了一遍正確的流程，得到了相同的結(jié)果。最終完成的論文發(fā)表在2010年1月《科學(xué)》雜志上。
那之后，史大林每次出海開展研究前，腦子里都有一張?jiān)敱M的物資和流程表格。比如，每一個(gè)裝海水的罐子要經(jīng)歷20天多次高純度鹽酸清洗后才能使用，那么就要安排在航程開始日期數(shù)十天之前準(zhǔn)備。他也要求團(tuán)隊(duì)里的學(xué)生，“每個(gè)細(xì)節(jié)都要考慮到。”
史大林自認(rèn)為，他的團(tuán)隊(duì)論文產(chǎn)量不高，但是 “慢工出細(xì)活”?！霸孱惡腿蜃兓I(lǐng)域出論文相對(duì)不難，但大多還是現(xiàn)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夠真正從機(jī)理上解釋現(xiàn)象、回答問題。
不忙的日子，曹知勉是史大林下班后的酒友，啤酒就著燒烤，聊研究的苦悶，也聊生活的樂趣。他形容，史大林身上一直有種 “少年氣”。“有時(shí)候很有沖勁，有時(shí)候又很沖動(dòng)，” 曹知勉說，“但這不是件壞事情，可能現(xiàn)在平和溫柔的人比較多一點(diǎn)，我覺得做研究還是需要有他這樣子的人?！?/span>
對(duì)于史大林來說，“放棄” 不是件可怕的事。本科畢業(yè)后，當(dāng)時(shí)是史大林女友的洪海征作為班里第一名的 “學(xué)霸”，去了香港科技大學(xué)深造。一年后，史大林 “為了陪女朋友” 放棄在讀的碩士學(xué)業(yè)，也去了港科大報(bào)到。兩人雙雙赴美后，他在一個(gè)教授手下讀了兩年博，已經(jīng)通過了博士候選資格考試，但因?yàn)椴⒉幌矚g當(dāng)前的方向，便放棄了唾手可得的學(xué)位，轉(zhuǎn)投另一位導(dǎo)師門下，從頭開始讀博。
在此期間，史大林的研究方向從生物學(xué)到環(huán)境毒理學(xué)，再到淡水重金屬研究，最終才邁入痕量金屬研究。
“我不覺得興趣是最重要的，” 在廈大門口的海鮮大排檔里，他灌了一口啤酒，說道，“任何事都需要鉆研，才能了解其中的奧妙?！?/span>
史大林說，在換專業(yè)過程里，他意識(shí)到了海洋生物學(xué)、生物海洋學(xué)和海洋生物地球化學(xué)的區(qū)別，并開始真正關(guān)心海洋學(xué)研究。“海洋生物學(xué)是在個(gè)體層面上做工作，” 他說，“而生物海洋學(xué)、海洋生物地球化學(xué)探討的則是一個(gè)有機(jī)的整體?！?/span>
史大林請(qǐng)朋友給課題組設(shè)計(jì)的Logo，以翻花繩為靈感
他被這種整體的復(fù)雜性所吸引，一路走到今天。物理、化學(xué)、生物，每個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)在海洋學(xué)中都非常重要?！叭绻悴欢瘜W(xué)是什么樣的，你就不知道生物為什么會(huì)那么變。” 在研究中，他對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)的生物、物理和化學(xué)要素變化都要捋得清清楚楚。
研究機(jī)制只是第一步。“最后要回到現(xiàn)實(shí)中去，回答一個(gè)復(fù)雜現(xiàn)象?！?/span>
現(xiàn)在，他正與做數(shù)學(xué)模型的同事合作，計(jì)算營(yíng)養(yǎng)鹽貧瘠的西北太平洋里藻類的固氮作用和其對(duì)碳吸收的貢獻(xiàn)，希望能為全球碳中和的整體目標(biāo)提供一些科學(xué)參考。
為了開展海洋現(xiàn)場(chǎng)痕量金屬研究，一代又一代的廈大海洋人一直在努力，史大林作為其中的一員，也希望為中國(guó)痕量金屬海洋生物地球化學(xué)研究做出貢獻(xiàn)。
相比于用人工海水和模式海藻做研究，從海洋中采集表層海水和水中的海藻是一種更接近真實(shí)世界的研究方式。
海洋廣闊，水面相通，但每片海域的差異其實(shí)很大。一些區(qū)域營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量比其他區(qū)域低很多，浮游生物也少，被稱作海洋荒漠。全球有五塊這樣的荒漠區(qū)，占全球海洋面積超過30%。對(duì)于研究者而言，這些區(qū)域提供了獨(dú)特的研究條件。
此前，由于技術(shù)和資金限制，中國(guó)一直未能開展太平洋海區(qū)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)研究。太平洋雖浩淼，但因?yàn)榭瓶己骄€費(fèi)用昂貴，，很長(zhǎng)一段時(shí)間以來全世界僅有美國(guó)在夏威夷地區(qū)附近開展長(zhǎng)期的痕量金屬、同位素等參數(shù)監(jiān)測(cè)，以及日本在其鄰近海域開展零星工作。
經(jīng)過多年的籌劃建設(shè)， 廈門大學(xué)自主研發(fā)的科考船 “嘉庚” 號(hào)于2017年正式下水。“嘉庚” 號(hào)配備了海水潔凈采集設(shè)備，是國(guó)內(nèi)首個(gè)具備痕量金屬、潔凈海水大體積采集能力的科學(xué)考察調(diào)查船。
截至2021年8月，“嘉庚” 號(hào)已航行了11個(gè)航次，而在未來全球海洋痕量元素及其同位素研究中，也將擔(dān)負(fù)起舉足輕重的支撐作用。
“嘉庚” 號(hào)也是參與全球GEOTRACES計(jì)劃的唯一一艘中國(guó)科考船。自2010年開始，國(guó)際海洋研究科學(xué)委員會(huì)（SCOR）正式啟動(dòng)了GEOTRACES計(jì)劃，旨在研究全球海洋痕量元素及其同位素的生物地球化學(xué)循環(huán)。2019年4月，“嘉庚號(hào)” 從廈門出發(fā)，搭載來自德國(guó)、日本、美國(guó)、加拿大和中國(guó)的36位研究人員，在西太平洋上執(zhí)行了中國(guó)第一次GEOTRACES觀測(cè)和采樣任務(wù) [8]。
中國(guó)科學(xué)院院士、廈大海洋與地球?qū)W院教授戴民漢自2006年起就參與了該計(jì)劃的籌備，也是該計(jì)劃的科學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)（SCC）成員。而今年1月，史大林也接棒成為了SCC的成員。
GEOTRACES計(jì)劃的參與者們正在構(gòu)建一個(gè)巨大的海洋數(shù)字檔案館，為了 “提高對(duì)過去海洋條件的理解”，且 “可以更可靠地預(yù)測(cè)未來的變化” [9]。這個(gè)數(shù)據(jù)庫目前向全球的研究者開放訪問，也促進(jìn)了國(guó)際海洋學(xué)社區(qū)的形成和交流。史大林和廈門大學(xué)的研究者們，也在合作改進(jìn)海洋潔凈海水采樣的技術(shù)，以使獲得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。
史大林說，地學(xué)（注：地球科學(xué)，包括海洋學(xué)、大氣物理、古生物學(xué)等）是一個(gè)被低估的學(xué)科。它不僅實(shí)用，更能從一個(gè)高屋建瓴的角度去觀看這個(gè)世界，帶給人廣闊的視野。好比，他第一次出海時(shí)，盡管暈船吐得死去活來，站在甲板上看著深色、平靜的海面，感到和大自然相比，人是渺小的。
“那種寬闊，整個(gè)人一下子放空的感覺，我特別喜歡?！?nbsp;
制版編輯 | 盧卡斯
