气候变化威胁到极地海洋丰满食物网的基地

发布时间:2022-04-28
  寒冷的极地海洋产生了地球上一些大的食物网。他们的碱基是微观的光合作用藻类。但一项新的研究表明,人类引起的气候变化正在用适应温暖的藻类取代这些重要的冷水藻群落,这一趋势可能会破坏脆弱的海洋食物网的稳定,并改变我们所知道的海洋。

  在海洋食物网的底部是被称为浮游植物的微观光合作用生物(来自希腊语植物意为“植物”,浮游者为“流浪者”)。但全球海洋的差异很大。包括热带在内的温暖水域的浮游植物群落往往以原核生物(没有明确核的微生物)为主。

  然而,靠近两极的较冷的水域往往有利于真核生物(具有细胞核的微生物)。这些光合作用真核生物或藻类构成了寒冷但繁殖的极地水域生产性食物网的基础。

  该研究的高级作者、东英吉利大学(英国UEA)海洋微生物学家ThomasMock说,我们的许多食物来自北大西洋、北太平洋和南太平洋渔业,因为真核浮游植物,而不是原核生物。原核生物无法产生真核生物所拥有的所有多汁蛋白质和脂质。

  但根据2021年9月16日在NatureCommunications上发表的一项新研究,温暖的水域和以原核生物为主的社区可能比之前怀疑的更容易取代真核生物。

  Mock说,这将对整个食物网造成重大影响,因此也会影响我们所有人都依赖的生态系统服务。

  Mock和其他顶尖科学家已经开始了这项研究——这是由UEA领导的八个机构合作的,包括美国。能源部(DOE)联合基因组研究所(JGI)是位于劳伦斯伯克利国家实验室的能源部科学办公室用户设施,希望了解真核浮游植物群落如何随纬度变化的细微差别和分级。

  看不见的边界

  该团队开始了刘易斯和克拉克式的探险,以探索、收集和编目样本,并寻找藻类群落的模式,包括影响藻类多样性和基因表达的藻类相关微生物群落。在四次研究巡航中,他们从极点航行到极点,将自闭容器浸入海水中,沿北冰洋、北大西洋、南大西洋和南大洋的横断面对藻类群落进行采样。

  在过滤器上分离藻类群落后,他们对DNA“标记”基因序列进行测序,以识别微生物。为了确定藻类表达的基因,该团队对RNA转录物进行了测序。所有测序都是通过JGI社区科学计划完成的。

  该团队使用一种名为β多样性的生态指标,观察到藻类群落在全球海洋中没有逐渐变化。相反,它们被尖锐地划分为两个大地理群体:较冷的极地水域和较温暖的非极性水域。

  换句话说,有些人喜欢它很热,有些人不喜欢。

  我们可以天真地将海洋视为一种同质的媒介。研究合著者、JGI真菌和藻类项目负责人IgorGrigoriev说:“实际上,营养素、温度和其他物理化学性质都有变化。”但是,海洋中仍然没有边界。然而,这里发现的是,藻类群落存在这种无形的分裂。”

  该团队发现,这些藻类群落之间的边界或生物多样性“断点”发生在平均表面温度约为58华氏度的温和水域——这是海洋极端温度约为28度和97华氏度的凉爽中间体。

  “研究作者指出了这种对冷热微生物网络的基本观察,以及它们之间的生物地理边界是多么清晰和严酷。在这方面,数据有点漂亮,”加州大学圣地亚哥分校和斯克里普斯海洋学研究所的生物海洋学家AndyAllen说,他与这项研究无关。

  他补充说,但调查结果也表明,我们可能没有意识到一定程度的脆弱性。如果系统受到干扰,可能很难回到基线。

  事实上,气候变化正在严重影响极地气候的海冰和水温度,使这些极地群落处于危险之中。

  与KaraMartin合作研究的联合作者KatrinSchmidt说,我们对这些藻类群落知之甚少;它们可能有有益的发现,如抗生素、药物和在低温下起作用的新型酶。但这些生态系统真的正在融化。

  在气候变化的驱动下

  该小组使用政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告中的模型来预测14摄氏度边界的移动位置和速度。

  “这是由气候驱动的:温水正在取代冷水社区。这改变了一切,”Mock说。

  施密特说,温暖的水域向极的稳步前进可能会对这些食物网中的海洋生物产生可怕的后果。几种鲸鱼,包括灰鲸和座头鲸,在极地地区迁徙觅食。虾在粘附在海冰底的藻类上用餐。

  一种可能受到水位变暖和藻类群落变化影响的重要食藻动物是磷虾——一种在南大洋茁壮成长的生物,看起来像虾,是鲸鱼、企鹅和海豹等大型生物的食物。Mock说,磷虾的生物量至少等于地球上所有人类的生物量。这让你了解了这些生物体有多重要。现在,想象一下,生态系统的基础正在从冷水、真核浮游植物群落转变为温水、原核浮游植物群落。”

  底座的变化会在整个食物网中产生反响,就像把大锤带到大教堂的地基上一样。此外,由于浮游植物(真核生物和原核生物结合)估计占世界固定碳的50%,改变真核生物群落和原核生物群落的平衡可能会改变全球碳循环,即全球碳固定和代谢的速度。

  Mock说,不仅如此,气候变化带来的这些变化还可能威胁到沿海和岛屿国家(如英国)依赖的海洋食品工业和其他生态系统服务,如旅游业和娱乐。

  Mock说,我认为这份文件将用于建议决策者减轻气候变化对生态系统的影响,因为我们现在对变暖如何影响这些海洋社区有了新的视角。燃烧化石燃料产生的温室气体二氧化碳(CO2)是导致海洋表面温度上升的原因。需要做的是减少二氧化碳的产量——这是我们需要做的首要也是重要的事情。

  这项研究还涉及以下机构的研究人员:厄勒姆研究所(英国)、埃克塞特大学(英国)、阿尔弗雷德·韦格纳极地和海洋研究所(德国)、杜伊斯堡-埃森大学(德国)、荷兰皇家海洋研究所(荷兰)、格罗宁根大学(荷兰)。

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