史大林,厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室教授,2020年科学探索奖天文和地学领域获奖者。获奖理由:肯定他在海洋酸化对初级生产的影响及其效应等方面的成绩,支持他在海洋生物地球化学与全球变化研究领域进行探索。
年轻人,是科学创新的主力。在科学投入越来越受重视的今天,中国的科学家们中,尤其是年轻一代里,有许多在自己领域里做出了杰出成就,也承载着未来科研的希望。《知识分子》携科学探索奖设立“探索者”专栏,为读者速写一群青年科学家的画像,介绍他们所代表的科技前沿。这些青年学者们都不到45岁,但已在各自的领域内做出了重要贡献。
2011年,史大林和妻子洪海征前后脚回到母校厦门大学任教。
夫妻俩是本科同学,一起去了香港又辗转到美国,博士毕业回国后在厦大的近海海洋环境科学国家重点实验室建起一个小小的课题组,研究海洋藻类与全球变化。但在选择研究方向时,两人犹豫了。摆在他们面前的是两条路:做藻类与海洋痕量金属这项国内几乎无人涉足、实现起来困难重重的研究,还是选择更安全稳妥的传统方向,研究其他更易控制的因素对藻类生产力的影响。他们选择了少人行走的那条。
刚回厦门的时候,史大林开讲座,近海海洋环境科学国家重点实验室的学术秘书施薇去听,发现这个老师“挺好玩的”,“逢人必讲我就是养海带的”。后来才知道,史大林为了跟小外甥女解释他的专业,就想了这么个通俗易懂、接地气的切入点,连网名也起的是“养海带的”。他研究的海洋藻类看不见摸不着。
史大林的实验室里,多个恒温藻类培养箱并排立着,打开是一个个方瓶子装着透明无色的液体,瓶子上用黑笔标记着藻种名、实验日期和浓度单位,瓶口连着管子,控制气体的流入。
藻类虽然微小,却贡献了地球上70%的氧气。在阳光下,浮在海面上的藻类吞下空气和海水中的二氧化碳,并通过光合作用将其转化为动物能吸收利用的有机碳。海洋学家们把藻类称为海洋初级生产者,把它们将二氧化碳转变成有机碳的能力称为生产力。
影响藻类生产力的因素很多:海水的pH值、温度、海水中各类营养物质的含量等等。随着全球变暖,海水中二氧化碳的浓度也相应升高,海水平均pH值在过去一个世纪里从8.18降至8.07,换算起来,海水的酸度增加了30%。
海水酸度增加,泡在海里的藻类会生长得更快还是更慢?理想状态下,把海藻培养在不同酸度的海水里测一测,就能得到答案。
但实际上,海洋中的各种因素和成分和实验室里不尽相同,这个看似简单的问题很难得到回答。一些研究者,比如南加州大学的教授David Hutchins在2015年实验发现,在酸化程度高的海水里,一种叫做束毛藻的海洋常见藻类的固氮能力提高了。从原理上,这似乎很好解释:海水中二氧化碳的浓度升高,藻类用于生长的原材料增加,生产力增加的同时,固氮自然也获益了。
虽然二氧化碳溶解于海水会导致pH值下降,藻类的生产能力会受到影响,但根据Hutchins的研究结果,负效应没有超过正效应。
史大林之所以能敏锐意识到人工海水中的问题,是因为他对海洋中的痕量金属非常敏感。他师从普林斯顿大学教授François Morel,国际海洋痕量金属研究的权威专家。海洋痕量金属指的是海水中含量等于或小于1μmol/kg(微摩尔/千克)的金属元素,包括铁、锌、铜等。
痕量金属在海洋中含量极低,但微量的变化就能对藻类的生产力产生巨大影响。要做痕量金属研究,第一个难题就是建洁净实验室:这个实验室的空气中金属颗粒含量得足够低。
史大林和洪海征与国内的同行交流,大多数人劝退,即使投入巨大,产出也难保障,“风险太大了”。“做一个学界的最高标准出来”,也有一些鼓励声音。最终,让史大林夫妇下定决心的,除了这份要做就做最好的心气,更重要的是对自己科研能力的信心。
为了塑料建材他们搜遍了各个电商平台,找符合纯度的盐酸供应商又花了小一年,科研经费上精打细算,其他研究“只花保证研究的钱”。现在,这个达国际最高标准的洁净实验室就藏在厦大翔安校区。
史大林把自己现在的工作总结为两块:一块是在陆地上的实验室里为主做机制研究,通过简化变量,控制因子,观测藻类的生长变化及细胞内部的变化,探究微观机理;一块则是在海洋上观测藻类群落变化的宏观过程,和陆地实验室研究互相印证。
他认为,这两部分都不可或缺,且相互促进和补充。由于其在海洋酸化对浮游植物初级生产影响以及生物地球化学效应方面的成果,2020年,史大林成为了第二届“科学探索奖”奖励的50位青年科学家之一。
在学生们眼里,史大林是个“死抠”细节的人,有严重的“完美主义”倾向,不仅在实验室里要求高,连学生们出去开会作报告时PPT上的图片,都要求大小一致且严丝合缝地对齐。
史大林认为,这样的严谨除了个性使然,更来自日复一日枯燥而扎实的基础科研训练。每次带新的博士生硕士生,他都会把自己在阿拉斯加湾外那趟“糗事”讲给他们听,提醒他们别犯类似的错误。海洋学研究真正的现场是大海。研究人员需要搭乘科考船,从海上采集样品。一趟航程几千海里、几十天的时间、覆盖上百个采样点。
史大林说,在换专业过程里,他意识到了海洋生物学、生物海洋学和海洋生物地球化学的区别,并开始真正关心海洋学研究。“海洋生物学是在个体层面上做工作,”他说,“而生物海洋学、海洋生物地球化学探讨的则是一个有机的整体。”他被这种整体的复杂性所吸引,一路走到今天。物理、化学、生物,每个领域的知识在海洋学中都非常重要。“如果你不懂化学是什么样的,你就不知道生物为什么会那么变。
”在研究中,他对每个实验的生物、物理和化学要素变化都要捋得清清楚楚。
为了开展海洋现场痕量金属研究,一代又一代的厦大海洋人一直在努力,史大林作为其中的一员,也希望为中国痕量金属海洋生物地球化学研究做出贡献。相比于用人工海水和模式海藻做研究,从海洋中采集表层海水和水中的海藻是一种更接近真实世界的研究方式。海洋广阔,水面相通,但每片海域的差异其实很大。
一些区域营养物质的含量比其他区域低很多,浮游生物也少,被称作海洋荒漠。全球有五块这样的荒漠区,占全球海洋面积超过30%。对于研究者而言,这些区域提供了独特的研究条件。
厦门大学自主研发的科考船“嘉庚”号于2017年正式下水。“嘉庚”号配备了海水洁净采集设备,是国内首个具备痕量金属、洁净海水大体积采集能力的科学考察调查船。
截至2021年8月,“嘉庚”号已航行了32个航次,而在未来全球海洋痕量元素及其同位素研究中,也将担负起举足轻重的支撑作用。“嘉庚”号也是参与全球GEOTRACES计划的唯一一艘中国科考船。自2010年开始,国际海洋研究科学委员会(SCOR)正式启动了GEOTRACES计划,旨在研究全球海洋痕量元素及其同位素的生物地球化学循环。
2019年4月,“嘉庚号”从厦门出发,搭载来自德国、日本、美国、加拿大和中国的36位研究人员,在西太平洋上执行了中国第一次GEOTRACES观测和采样任务。
史大林说,地学(注:地球科学,包括海洋学、大气物理、古生物学等)是一个被低估的学科。它不仅实用,更能从一个高屋建瓴的角度去观看这个世界,带给人广阔的视野。好比,他第一次出海时,尽管晕船吐得死去活来,站在甲板上看着深色、平静的海面,感到和大自然相比,人是渺小的。“那种宽阔,整个人一下子放空的感觉,我特别喜欢。”