气候变化如何影响全球海洋中的藻类

根据东安格利亚大学和厄勒姆研究所的研究，全球变暖很可能导致重要藻类群落的突然变化，因为海洋中生物多样性断裂点的边界发生了变化。

今天发表在《自然通讯》杂志上的一项新研究发现，随着气候变化延伸到暖半球，这些边界预计将在未来100年内向两极移动。

研究人员认为，温度升高不会导致微生物多样性的逐渐变化，相反，这种变化会在他们所谓的“突变点”发生得更为突然，即每年平均海洋上层温度在15度左右，将冷水和温水分开的地方。

英国是最有可能受到严重影响的地区之一，而且比以前想象的更突然。但是研究小组说，如果我们迅速采取行动阻止气候变化，这些变化是可以阻止的。

UEA环境科学学院的托马斯·莫克教授说：“藻类对于维持健康的生态系统以平衡海洋生物至关重要。通过吸收阳光、二氧化碳和水的能量，它们产生有机化合物，使海洋生物得以生存。

“这些生物支撑着地球上一些最大的食物网，推动着全球生物地球化学循环。

“温度变化至少占全球年碳固定量的20%，它可能对我们的海洋系统、渔业和海洋生物多样性所依赖的藻类产生重大影响。

“我们想更好地了解气候危机如何影响从北极到南极的全球藻类。”

这项研究由UEA的科学家与美国能源部（DOE）联合基因组研究所（JGI，美国）和厄勒姆研究所（英国）合作领导。

这项主要研究由32个研究人员组成的国际团队进行了10多年，来自英国埃克塞特大学和德国艾尔弗雷德极地和海洋研究所等机构。

这是第一次对藻类（真核浮游植物）及其表达基因在海洋中的地理分布进行极对极分析。因此，研究小组研究了它们的基因活动是如何随着上层海洋环境条件的变化而从极到极变化的。

由于二氧化碳水平上升，上层海洋已经经历了显著的变暖，研究人员根据间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告中的模型估计了这些藻类群落的分布可能如何变化。

藻类群落的多样性和基因活性是通过与微观单细胞生物或原核生物（作为复杂微生物组的一部分）的相互作用形成的。

研究人员发现，这些全球群落可分为两大类，即主要生活在极地寒冷水域和非极地温暖水域的生物。

地理格局的最佳解释是由温度纬度梯度引起的上层海洋水的物理结构差异（例如，季节性混合冷水与永久分层热水）。

对在北冰洋、北大西洋、南大西洋和南大洋的四次研究航行中采集的样本进行核酸提取、DNA和mRNA测序，对这些生物进行分析。

莫克教授说：“重大的国际努力使人们深入了解了是什么推动了这些生物的多样性以及它们在全球海洋中的全球生物地理学。然而，人们对环境条件的了解仍然有限，这些环境条件导致了从极地到极地的大规模当地物种群落之间的差异。

“我们的研究结果为环境条件的变化如何与受大规模环境波动和干扰影响的生物多样性变化相关提供了新的见解。这些知识对于预测全球变暖的后果至关重要，因此可以指导环境管理。

“我们可以预计，英国和这个纬度上其他国家的海洋系统将受到严重影响，而且比以前想象的更突然。

“当英国各地的海洋微藻群落及其伴生细菌被温水替代时，将发生最大的生态系统变化。

“这可能是由于生态系统边界向两极移动或两个群落之间的‘生物多样性断点’造成的。要做到这一点，每年的平均上层海洋温度必须高于15摄氏度。

“如果我们能够阻止全球变暖，这并不是不可逆转的，”他补充道。

Earlham研究所的合作者Richard Leggett博士补充说：“这项研究还表明DNA测序技术的进步在理解海洋生态系统方面发挥了重要作用，并在这方面帮助研究人员阐明和应对地球面临的一些最大的环境挑战。”

这项工作是由来自UEA环境科学和计算科学学院的两位前博士生Kara Martin博士（同样位于厄勒姆研究所）和Katrin Schmidt博士领导的。

马丁博士说：“这些结果表明，上层海洋最重要的生态边界将两个半球的极性和非极性藻类微生物区分开，这不仅改变了藻类微生物区的空间尺度，而且由于全球变暖，藻类微生物区系向极地移动。

“我们预测，由于气候变暖，微生物多样性的“断点”将明显向两极移动，特别是在不列颠群岛周围，由人类引起的气候变化导致藻类微生物群的突然变化。

“这是一次美妙的经历，也是一次与优秀团队合作的绝佳机会。我们一起分析了一个惊人的数据集，它扩大了我们微生物海洋研究的范围，使我们能够深入了解不断变化的海洋。”

施密特博士说：“在我们的研究巡游中，我们已经注意到从温暖到寒冷的水域中存在着完全不同的藻类群落。这一初步发现得到了我们研究结果的支持，我们的研究结果表明，上层海洋最重要的生态边界将两个半球的极地和非极地藻类微生物区分开。更重要的是，这一边界不仅改变了藻类微生物群落的空间尺度，而且还因全球变暖而向两极移动。”

来自埃克塞特大学的Tim Lenton教授说：“随着海洋世纪气候变化的升温，我们预测冷、极微藻群落和温暖、非极微藻群落之间的‘断裂点’将向北绕不列颠群岛周围的海洋移动。

“由于微藻是食物链基础的关键，我们可以预期海洋生态系统的其他部分将发生重大变化，这将对渔业和海洋保护产生影响。

“海洋从大气中吸收二氧化碳的‘生物碳泵’将随着微藻群落的这种转变而改变，这种转变很可能变得不那么有效，而这反过来又会加剧全球变暖。”

测序是在JGI进行的，作为社区科学项目“变化之海：北冰洋真核浮游植物群落”的一部分。

2021年9月16日《自然通讯》上发表了《从极地到极地的上层海洋藻类微生物群落的生物地理分化》。