Clara Hoppe · 2025-02-01

北极极夜下的光合作用：生命如何在微光中生存

摘要

本文报道了德国海洋生物学家Clara Hoppe团队在北极极夜期间的突破性研究发现。通过2020年RV Polarstern科考船的实地研究，团队发现北极微藻能够在每平方米每秒仅0.04微摩尔光子的极低光照水平下进行光合作用，这一数值接近光合作用的理论最低极限。这一发现改写了科学界对北极冬季生态系统处于完全休眠状态的传统认知，揭示了海洋生物在极端环境下的惊人适应能力。

内容框架与概述

光合作用是将光能转化为化学能的核心生命过程，支撑着地球上绝大多数生命系统。传统认知认为，光合作用需要充足的光照条件，科学家计算出的理论最低光照水平约为每平方米每秒0.01微摩尔光子，相当于晴天光照强度的十万分之一。然而，北极冬季会经历数月的极夜期，海冰覆盖海域，阳光完全缺失，这使光合作用生物的生存状态成为科学界的重要谜题。

2015年，德国阿尔弗雷德·韦格纳研究所的海洋生物学家Clara Hoppe在挪威特罗姆瑟大学的研究项目中首次发现，北极冬季的生态系统比预期更为活跃。这一发现挑战了极夜是生命"荒漠"的传统观点。为了深入探究这一现象，Hoppe团队于2020年参与了德国"极星号"（RV Polarstern）的北极科考任务，在船体被冻结在海冰中随冰漂移的极端条件下，进行了为期数月的实地观测。

研究团队通过冰洞采集海水样本，在船载实验室中添加微量碳和光，通过测量碳吸收率来精确估算光合作用的极限。同时，物理学家Niels Fuchs团队在冰层下安装了高精度光传感器，记录了整个冬季的光照水平数据。实验结果令人震惊：微藻在极夜结束时，随着微弱阳光的回归，能够在仅0.04微摩尔光子的光照水平下迅速启动光合作用并开始生长。

这一发现对理解北极生态系统具有革命性意义。它表明北极生态系统在极夜期间并非完全休眠，而是处于一种"待机"状态，微藻保持低水平的代谢活动，随时准备利用最微弱的阳光重新启动光合作用。Hoppe进一步推测，这种适应机制可能也存在于深海藻类中，这意味着海洋中可能存在比我们想象中更广泛的光合作用区域，对全球碳循环和海洋生态系统研究具有重要启示。

核心概念及解读

理论最低光照水平：科学家计算出的光合作用能够维持的理论最低光照阈值，约为每平方米每秒0.01微摩尔光子。这一数值相当于晴天光照强度的十万分之一，被认为是光合作用的能量底线。Hoppe团队的发现显示，实际观测到的0.04微摩尔光子水平已经非常接近这一理论极限，展现了生命系统在能量利用方面的极致优化。

极夜生态系统的待机状态：传统观点认为北极极夜期间生态系统完全休眠，但新的研究发现微藻在这一时期保持低水平的代谢活动，处于"待机"而非完全休眠状态。这种策略使它们能够在阳光回归的瞬间迅速启动光合作用，抢占春季生长的先机，这体现了生物在极端环境下的进化智慧。

北极碳循环的季节性动态：这项研究揭示了北极碳循环比此前认知的更为复杂和活跃。如果微藻能够在极夜末期迅速开始光合作用，那么北极海洋在春季早期的碳固定能力可能被严重低估。这对理解北极生态系统对气候变化的响应，以及全球碳循环模型都具有重要的修正意义。