本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
編者按：記者兼船員凱瑟琳·艾登特和科學家傑里米·雅克科特正在亞特蘭蒂斯號研究船上進行為期一個月的航行，以取樣和研究東熱帶太平洋的固氮作用，以及其他研究專案。這是詳細介紹本次為ScientificAmerican.com進行的持續發現之旅的第四篇博文。
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亞特蘭蒂斯號主甲板——在地球上容易獲得的金屬中，鐵是最豐富的金屬之一。我們每天都在以某種形式接觸鐵——無論是在我們呼吸的空氣中，還是在我們工具、建築物和車輛中使用的金屬中。它甚至存在於我們的身體中。
世界海洋的大部分鐵供應來自沙漠。風將來自非洲荒野和中東沙丘的塵埃帶到廣闊的水域，為光合作用播撒這種必需的營養物質。但是，正如科學家們正在瞭解的那樣，風只能將塵埃帶到那麼遠，東南太平洋的部分地區實際上是鐵的死區。
這種缺鐵現象迫使亞特蘭蒂斯號研究船上的科學家提出問題：缺鐵是否會影響固氮作用？使這個問題更難回答的是，他們正在取樣的東熱帶南太平洋水域也缺氮，這可能意味著這裡根本沒有固氮生物。
“我們正在努力瞭解哪些營養物質控制著該地區的固氮作用，”研究各種營養物質對固氮生物影響的海洋生物地球化學家索菲·博內特說。“我感覺如果這裡有一些營養物質，它們[固氮生物]可能會以更高的速率固氮。”
鐵對於海洋固氮生物至關重要，這些絲狀和單細胞生物將氮氣轉化為更可用的形式，如硝酸鹽或銨鹽。博內特說，在進行轉化時，這些生物體使用的鐵可能是僅需鐵進行光合作用的生物的10到100倍，博內特來自法國馬賽的研究所。
博內特與馬賽大學的博士生朱利安·德凱澤馬克一起建立了一個精細的水過濾和培養系統，對數十個水樣進行加標（新增測量量的不同營養物質），以刺激光合作用和固氮作用，並在稍後測量結果。
在每個站點，博內特和德凱澤馬克都設定了泵，將水從船的龍骨下方 30 英尺處抽到船上。他們與詹姆斯·莫菲特博士（南加州大學）合作，使用他專門設計的痕量金屬無電導率、溫度和深度 (CTD) 玫瑰花結，這是一種可以從水柱中不同深度採集水的儀器。
在留出一組瓶子作為對照後，他們然後新增不同量的鐵、磷甚至葡萄糖，以檢視哪種營養物質組合生物體可能反應最強烈，並讓它們培養 24 小時。
“我們用鐵給它們[一些瓶子]施肥，以嘗試模擬塵埃的濃度，”博內特說。“在其中一些瓶子中，我們新增營養物質以嘗試瞭解……當不再缺鐵時，下一個限制因素是什麼？是更多的氮嗎？是更多的磷嗎？”
然後他們新增示蹤劑（在本例中為不同形式的氮），並將樣品再培養 24 小時。最後，他們將水過濾到小的玻璃纖維濾膜上，這將記錄這段時間內發生的任何變化。博內特說，總共，他們在每個站點使用 60 個瓶子，加起來有數百個樣品。
他們的實驗也必須非常小心。由於鐵是一種如此豐富的物質——尤其是在金屬船上——博內特和德凱澤馬克必須確保他們的實驗的任何部分，從採集水、裝瓶、加標、過濾到儲存，都不會被痕量鐵汙染。
這意味著他們不能使用任何可能接觸過鐵的東西，例如金屬儀器，甚至不能將樣品暴露在空氣中。他們在他們開玩笑地稱之為“氣泡”的地方工作：一個帶有高度過濾空氣的塑膠外殼，他們只使用專門設計的塑膠工具和瓶子。博內特說，在進入這個空間之前，他們脫掉鞋子，穿上實驗服和手套，以確保他們沒有將鐵痕跡帶入其中。
這項工作以及他們與本次航行中的許多科學家的合作，最終將使他們能夠測量各種引數，並與本次航行中的許多科學家合作。他們將測量每個瓶子中消耗了多少營養物質，計算固氮率，評估生物量是否增加，並確定哪些型別的生物體對實驗做出反應。
“誰最喜歡鐵？”博內特說。“瞭解誰對此感到高興很有幫助。”
傳統上，對固氮作用感興趣的科學家一直關注最著名的固氮生物之一——道格·卡彭首席科學家是這方面的專家——束毛藻。這種多細胞生物，形狀像細絲或一縷頭髮，漂浮在表面，呈可見的棕色斑塊。但是這些生物需要特定的條件，例如大量的鐵、高水溫和低氧水平才能固氮，博內特說。
“當它們在這裡時，它們確實固定了很多氮，”她說。“但是它們非常複雜。”
博內特認為還有其他生物也利用氮來繁衍生息。例如，小得多的單細胞生物，如微微浮游植物和納浮游植物，以及一些細菌，可能會在水柱深處固定氮，這就是為什麼他們使用 CTD 投放進行取樣的原因，她說。
“我的感覺是，在這些水域中，我們將遇到更多這些小傢伙，而不是束毛藻，”她說。“我們現在意識到，這些小型固氮生物佔全球海洋固氮作用的很大一部分。”
對於所有小心地收集、加標和測量樣品的辛勤工作，博內特和德凱澤馬克甚至在回到實驗室處理資料之前都不知道他們的實驗是否有效。
“我不知道這裡是否有任何固氮生物，儘管我們有它們存在的間接證據。如果有，它們是較小的固氮生物，”她說。“但即便如此，那也可能非常有趣。”
但是，如果亞特蘭蒂斯號研究船上的 28 位科學家確實發現了固氮作用，他們將為彙編有關該地區這一過程的首批開創性資料做出貢獻。
“這就是我們測量的原因，”她說。“只是想看看，只是想看看。”