作者:唐凤 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2019/11/17 17:11:33
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窥探海洋微生物的世界

 

图片来源:《细胞》
 
“大多数浮游生物种群沿纬度呈多样性梯度分布,最靠近两极的生物多样性最低。”
“微生物多样性及其基因表达在海洋微生物群落对不同地理环境变化的响应中发挥着不同的作用。”
近日,发表在《细胞》上的两篇论文利用塔拉海洋考察期间收集的样本和数据,分析了目前地球上的海洋生命多样性,为更好地了解气候变化对海洋未来的影响提供了基础。
目前,近30亿人依靠海洋和沿海生物多样性维持生计,海洋对减少气候变化产生了很大的影响。然而,科学还未能充分评估人类活动对海洋产生的影响,包括污染、海水变暖和酸化带来的威胁。
“每一滴海水都充满了微生物,它们在与地球生命相关的许多过程中发挥着核心作用。”瑞士苏黎世联邦理工学院微生物研究所的资深作者Shinichi Sunagawa指出,“了解决定这些生物多样性、组成和活动的生态因素对于更好地模拟和预测未来走势是至关重要的,特别是在气候变化的情况下。”
海洋中存在一个神奇的微生物世界。“这些微生物帮助产生了地球上50%的氧气,它们能固定大气中的二氧化碳并将其储存到海底,也是海洋食物网的基础。”未参与这些研究的美国俄亥俄州立大学的Ann Gregory告诉《中国科学报》。
此外,一篇观点文章讨论了迄今为止阻碍海洋可持续性政策变化的各种障碍,并提出利用联合国“海洋科学促进可持续发展十年”克服这些挑战的战略建议。
 
联合探索海洋
 
为了扭转世界海洋健康状况下降的趋势,联合国宣布2021至2030年为“海洋科学促进可持续发展十年”。
联合国教科文组织表示,“海洋科学促进可持续发展十年”将有利于相关国家和机构更好地协调研究方案、观测系统、能力建设、海洋空间规划和减少海上风险,以改善对海洋和沿海地区资源的管理,同时鼓励和动员科学界、决策者、企业、民间社会在海洋研究方面的协调合作。
海洋研究需要昂贵的设备以及成千上万的科学家对数据进行收集和分析。因此,“海洋科学促进可持续发展十年”的优先事项之一是使资金来源更多样化,其重要工作之一是收集全球海洋状况数据。
2009年至2013年间,跨国跨领域企业的塔拉海洋考察从全球各大洋采集了3.5万份样本。
研究人员驾驶一艘名为塔拉的帆船进行了海上考察,从世界各地近80个地点收集海水样本,范围从海面到4000米深水。参与了该项目的Gregory提到,这些样本被用来代表不同的海洋盆地、海洋深度、纬度以及受气候变化严重影响的海洋区域。
“这次考察历时3年多,环绕全球海洋,数百名科学家在船上收集和处理样本。这是一次巨大的努力。样本被依次过滤,以收集不同的有机组分,而我们则在实验室分析了其中的最小‘成员’——病毒。”她说。相关研究今年4月刊登于《细胞》。
上述两篇论文也是利用塔拉海洋考察期间收集的样本和数据分析整个地球上浮游生物多样性的最新成果。一项研究侧重于地球海洋浮游生物的多样性,另一项研究则评估了微生物群落的基因表达,以此预测这些群落如何适应不断变化的环境条件。
 
不同纵深 不同多样
 
“海洋中的一切都是相互联系的,这使得在全球范围内组装一切变得非常重要。深入分析也让我们能够捕捉到生物圈中的稀有生物。”其中一项研究的通讯作者、法国巴黎高等师范学院(IBENS)生物学家Chris Bowler说。
 “我们的研究聚焦于浮游生物,因为它是海洋生态系统生物量、丰富度和多样性的主要贡献者。”IBENS的共同高级作者Lucie Zinger说,“所有类型的生命都以浮游生物为代表——细菌、古生菌、原生生物、动植物以及病毒。但这种多样性的绝大部分是肉眼看不到的。”
Bowler等人发现,从巨大的病毒到小动物,浮游生物群体的绝大多数都沿纬度呈多样性梯度,最靠近两极的多样性最低。
“海洋温度是造成这种模式的主要原因。”Zinger告诉《中国科学报》,“气候变化导致的海洋变暖可能会带来温带和极地水域的浮游生物多样性‘热带化’或增加。其后果尚不清楚,但我们知道,这些地理区域目前对不同的生态系统服务非常重要,包括渔业和碳封存。”
这项研究的一个创新之处在于其结合了成像和DNA技术评估浮游生物的多样性。“我们知道如何处理来自DNA序列的信息,但图像要复杂得多。我们观察到这些生物有许多不同的形态和行为,还有许多新生物及其相互作用有待发现。”Bowler说。
转录组研究结合了元基因组和元转录组数据,使研究小组能够分析在海洋微生物群落中跨深度和纬度存在哪些基因。以前对海洋微生物多样性的研究主要集中在基因组上,这是第一次在全球范围内研究转录组。
“观察转录组不仅对确定哪些微生物存在很重要,对了解它们在光合作用和营养吸收等方面的实际活动也很重要。”Sunagawa告诉《中国科学报》,“我们的目标之一是了解微生物群落能否适应环境和温度的变化,即它们的组成间的变化,或者这些群落内基因表达模式的变化。”
研究人员发现,在分类学、基因组学和转录组组成方面,地表水和深水、极地水和非极地水间存在明显的生态界限。研究人员还惊讶地发现,在北极深水区有一种固氮细菌的基因组和转录组证据。
“具体来说,我们发现极地群落的差异主要是由生物组成的变化决定的,而在非极地水域,这种差异主要是由基因表达的变化决定的。”Sunagawa说。
不过,塔拉项目数据的一个局限性是,这些样本的收集时间相对较短,不到4年。这很难观察到当今海洋中与气候变化有关的任何可测量的趋势。研究人员说,需要更长期的研究以解释酸化、脱氧和污染等因素的变化。
 
气候变化呼吁加大研究
 
研究人员还分析了迄今为止阻碍海洋可持续性政策变化的障碍,并提出克服这些挑战的策略。相关观点文章刊登于《一个地球》期刊。
“《政府间科学政策平台:生物多样性和生态系统服务全球评估》和《政府间气候变化专门委员会海洋与冰冻圈特别报告》均于2019年发布,现在已经到了迫切需要采取可持续方案的时刻了。”通讯作者、法国科学研究中心Joachim Claudet说。
研究人员表示,目前海洋可持续性的主要威胁是对鱼类、贝类和其他生物的过度捕捞,陆基和海基污染,土地/海洋利用的变化(包括基础设施和水产养殖的沿海开发),以及气候变化。
“我们需要科学证据更好地为各方提供信息,推动政策制定,并实施可行的解决方案,采取可操作和变革性的行动,从地方到全球范围影响社会。”Claudet说。
塔拉项目使人们能够在海洋尺度上收集自然、化学和物理的原位数据。这些数据可以用于基础研究和应用研究。该项目也可以推动人们改变对海洋的看法,使人们认识到海洋的价值和脆弱性。
“这条路的每一步都充满了挑战。”美国俄亥俄州立大学微生物学家Matthew Sullivan告诉《中国科学报》。 
相关论文信息:
https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.008 
https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.014 
https://doi.org/10.1016/j.oneear.2019.10.012 
https://doi.org /10.1016/j.cell.2019.03.040

 

 
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