寒冷的极地海洋产生了地球上一些最大的食物网。它们的底部是微小的光合藻类。但是，一项新的研究表明，人为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类群落，这一趋势有可能破坏脆弱的海洋食物网的稳定，并改变我们所知的海洋。
在海洋食物网的底部是称为浮游植物的微型光合作用生物(来自希腊语植物的“植物”和浮游生物的“流浪者”)。但它们在全球海洋中各不相同。温暖水域中的浮游植物群落，包括热带地区，往往以原核生物(没有明确细胞核的微生物)为主。
寒冷的水域靠近两极，然而，倾向于真核生物(微生物与核)。这些进行光合作用的真核生物或藻类构成了在寒冷但肥沃的极地水域中多产食物网的基础。
“我们的很多食物来自北大西洋、北太平洋和南太平洋的渔业，因为浮游植物是真核生物，而不是原核生物，”东英吉利大学(英国 UEA)海洋微生物学家、该研究的资深作者 Thomas Mock 说。研究。“原核生物无法产生真核生物所具有的所有多汁蛋白质和脂质。”
但根据 2021 年 9 月 16 日发表在Nature Communications上的一项新研究，温暖的水域和由原核生物主导的社区可以比以前怀疑的更容易取代真核生物。
“这将对整个食物网造成重大影响，因此我们都依赖的生态系统服务，”莫克说。
Mock 和其他首席科学家开始了这项研究——由 UEA 领导的八家机构的合作，包括美国能源部 (DOE) 联合基因组研究所 (JGI)，位于劳伦斯伯克利国家实验室的美国能源部科学用户设施办公室实验室——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层次。
看不见的边界
该团队开始了类似 Lewis-and-Clark 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组。在四次研究巡航中从一个极点航行到另一个极点，他们将自闭式容器浸入海水中，以沿北冰洋、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。
在过滤器上分离出藻类群落后，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，该团队对它们的 RNA 转录本进行了测序。所有测序均通过 JGI 社区科学计划完成。
该团队使用一种称为 Beta 多样性的生态指标，观察到藻类群落并未在全球海洋中逐渐发生变化。取而代之的是，他们将地理区域划分为两大类：较冷的极地水域和较温暖的非极地水域。
换句话说，有些人喜欢热;有些没有。
“我们可以天真地将海洋视为一种同质介质。实际上，它不是——养分、温度和其他物理化学特性存在变化，”研究合著者、JGI 真菌和藻类的 Igor Grigoriev 说计划负责人。“但是，海洋中仍然没有边界。然而，在这里发现的是藻类群落的这种无形的划分。”
研究小组发现，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 华氏度的温和水域中——这是海洋极端温度约 28 和 97 华氏度之间的凉爽中间。
“研究作者指出了对冷暖微生物网络的这一基本观察，以及它们之间的生物地理边界是多么清晰和鲜明。在这方面的数据有些漂亮，”加州大学生物海洋学家安迪艾伦说，圣地亚哥和斯克里普斯海洋学研究所，谁不隶属于该研究。
“但调查结果也表明我们可能没有意识到某种程度的脆弱性，”他补充道。“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中的海冰和水温，将这些极地社区置于危险之中。
“我们对这些藻类群落知之甚少;它们可能有有益的发现，例如抗生素、药物和在低温下起作用的新型酶。”该研究的共同主要作者 Katrin Schmidt 与 Kara Martin 说。“但这些生态系统实际上正在消失。”
受气候变化驱动
该团队使用政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 第 5 次评估报告中的模型来预测 14 摄氏度边界移动的位置和速度。
“这是由气候驱动的：温水正在取代冷水社区。这改变了一切，”莫克说。
施密特说，温暖的海水向两极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。包括灰鲸和座头鲸在内的几种鲸鱼迁徙到极地地区觅食。虾以附着在海冰下面的藻类为食。
一种可能受到变暖水域和藻类群落变化影响的重要藻类食者是磷虾——一种在南大洋繁衍生息的生物，看起来像虾，是鲸鱼、企鹅和海豹等大型生物的食物。“磷虾的生物量至少等于地球上所有人类的生物量，”莫克说。“这让您了解这些生物的重要性。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，就像将手提钻带到大教堂的地基一样。更重要的是，由于浮游植物(真核和原核生物的结合)约占世界固定碳的 50%，改变真核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。
不仅如此，这些由气候变化带来的变化可能会威胁到海洋食品工业和其他生态系统服务，如旅游和娱乐，而英国等沿海和岛国则依赖这些服务，莫克说。
“我认为这篇论文将用于建议政策制定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认识，”莫克说。化石燃料燃烧产生的温室气体二氧化碳 (CO2) 是导致海洋表面温度升高的原因。“需要做的是减少 CO2 的产生——这是我们需要做的第一件事，也是最重要的事情。”
该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·韦格纳极地与海洋研究所(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)。
