“塔拉海洋”项目展示了从赤道至两极浮游生物的多样性及其活动的变化

© François Aurat / Fondation Tara Océan

    由塔拉海洋基金会与法国国家科学研究中心、欧洲分子生物学实验室、法国原子能委员会、巴黎索邦大学和巴黎文理研究大学自2009年至2013年合作发起的“塔拉海洋”项目最新结果表明,全球海洋中浮游生物的多样性和功能正伴随其纬度,发生着巨大变化。

    2009至2013年“塔拉海洋”航行的首批成果通过描述浮游生物的多样性及其在温带和热带地区的相互作用为科学界奠定了坚实的基础。“塔拉海洋”科学联盟进行的两项新科学研究(一项由露西·辛格和克里斯·包勒于法国国家研究中心和高等师范学校:巴黎文理研究大学负责;另一项由砂川慎一于苏黎世联邦理工学院负责)通过吸收2013年北极航行的新数据,使项目又跨出了一步。此类全球范围内的测序和影像数据组已在基因观察中心(法国原子能协会)、罗斯科夫生物中心和法国海滨自由城的海洋天文台(法国国家科学研究中心和巴黎索邦大学)得到开发。

     

    上述成果于1114日发表于《细胞》杂志,表明浮游生物物种分布不均,且可能对赤道和两极之间环境条件的适应情况不尽相同。若海洋温度超过某个阈值,则此类成果将可能对生态、环境和经济产生重要影响。

    政府间气候变化专门委员会最新发表的《关于海洋和低温层的特别报告》使该成果在气候变化对海洋生物多样性的影响方面带来更多启示。如克劳德特等人所言(请参考今日发表的《一个地球》一文),科学必须为政治决策提供基础,以快速实施地区性和全球性可持续发展模式所需的具体运营方案及社会变革。该目标应为201912月联合国气候大会的目标和联合国海洋科学促进可持续发展的未来十年目标。

     

    浮游生物从赤道至两极多样性及活动梯度的发现

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    CDTD 入水 © François Aurat / 塔拉海洋基金会

    我们通常认为海洋是地球上唯一连续的生态系统和地球整体健康的基础之一。伴随水流移动的病毒、微生物和小型动物(统称为“浮游生物”)在这方面起着至关重要的作用:它们构成了海洋食物链的底层,可以吸收大气中绝大部分的二氧化碳并通过光合作用释放氧气。

    由高等师范学校:巴黎文理研究大学助理教授露西·辛格和巴黎国家科学研究中心研究总监克里斯·包勒带领的第一小组在“塔拉海洋”航行期间,对分布在世界各地的189个采样站收集的数据进行了分析。其目标是确定主要浮游生物种群多样性的驱动力,进而绘制全球分布图并获取其对气候变化应对机制的相关信息。科学家将新的遗传数据与已发表的遗传数据相结合,用于确定样品中的物种,并进行高级成像分析来对各个物种进行定量评估。

    “我们的研究成果清楚地表明,赤道周围的浮游生物种类更加丰富,并向两极递减”,露西·辛格解释说道,“此种纬向多样性梯度的存在已在大多数陆地生物中得到充分证实,200年前,亚历山大·冯·洪堡对其加以阐述。无独有偶,在该理论诞生250周年的今天,我们也可证明多样性梯度同样适用于囊括巨型病毒至小型后生生物的全球海洋中大部分浮游生物群。”

    同时,由苏黎世(瑞士)联邦理工学院的助理教授砂川慎一带领的小组对法国原子能协会:基因观察中心生成和公开的大型“塔拉海洋”项目的脱氧核糖核酸和核糖核酸测序数据组进行研究,以建立一个囊括4 700万海洋微生物基因的全球目录,未来可扩展至两极。

    研究小组通过测试基因组的转录产物(称为元转录组),并使用此类数据来对微生物群落的活动加以分析。换句话说,他们通过分析在微生物基因组中表现活跃的基因来了解微生物适应环境变化的能力。砂川慎一指出:“此类分析使我们不仅可以研究海洋微生物的能力,还可以研究它们在全球范围内的作用。我们已表明,影响细菌和古细菌群落转录组的机制及其对新环境条件的适应在赤道和两极之间存在很大不同。”

     

    海洋中的温度、微生物的分布及其活动的重要参数

    细菌物种的多样性梯度和功能不会随着纬度的增加而逐渐改变。微生物的活动和多样性在赤道和纬度40度(北纬或南纬)之间保持稳定,然后伴随纬度的升高迅速变化,纬度约为60度(北纬或南纬)时,继续保持稳定状态。

    两个生态界线(一个在赤道以北,一个在赤道以南)对应地表水域的精确理化变化,尤其对应温度的显著下降。生态界线两侧微生物种类的组成和数量差异很大。露西·辛格及其团队创建的新浮游生物多样性图示表明,该界线存在于所有浮游生物物种,从细菌到大多数病毒,包括古细菌、原生生物和浮游动物,无一例外。温度亦是解释该趋势的主要因素,资源的可用性紧随其后。

     

    温带和极地海洋地区走向“热带化”

    underwater bongo net_MG_0450 ©David Sauveur _ Fondation Tara Ocean
    水下邦戈网 © David Sauveur / 塔拉海洋基金会

    在当前气候变化的背景下,温度对浮游生物分布的重要影响带来了显著问题。露西·辛格生物团队和高等师范学校:巴黎文理研究大学研究总监洛朗·保普基于政府间气候变化专门委员会最新最准确的模式,合作预测了浮游生物多样性的可能演变。尽管其预测需进一步完善和验证,但仍清楚地表明,较高的海洋温度可能导致温带和极地海洋地区“热带化”,进而使水温更高,浮游生物多样性更加丰富。

    由于环境和经济等多种原因,温带水域和极地水域非常重要:它们对大气中碳的吸收及其在海洋中的存储起着至关重要的作用;它们构成了活跃的捕渔区,可控制大量的经济活动,其中大部分水域受到保护,可为濒临灭绝的物种提供避难所。这些区域将发生露西·辛格团队预测的最主要的多样性变化,进而改变相关生态系统并给全球带来严重后果。

    从热带水域到极地水域有哪些响应机制?

    Tara and Plankton ©Christian &Noé Sardet _ Fondation Tara Ocean塔拉和浮游生物 © Christian and Noé Sardet / 塔拉海洋基金会

    当前的模式无法准确预测海洋生态系统将如何适应气候变化。但砂川慎一及其团队所做的研究至少为浮游细菌和古细菌在相关机制方面提供了线索。全球的微生物群落可通过两种方式适应环境变化:第一,通过调整其新陈代谢和基因表达谱来最大程度地利用这些新的环境条件;第二,将适应性最差的物种替换为适应性更好的新物种。

    热带水域(北纬40度和南纬40度之间)微生物种群的多样性更加丰富,且具有强大的遗传特征,如果需要适应新的特征,可激活或关闭这些遗传特征。物种因此可调整其新陈代谢并继续繁衍。

    相反,在极地水域,微生物物种和基因的多样性受到更多限制,浮游生物通过更新物种而非差异基因表达来更好地适应环境。这表明浮游生物的生态位受到更多限制,其中某些物种可能无法使其新陈代谢适应海洋气候变暖。此类物种最终可能消失,并被热带水域中的新物种所取代。

    因此,热带和寒带水域似乎是两个完全不同的生态系统,具有针对其微生物种群的适应机制。该结果表明,在我们海洋的不同区域,对气候变化的反应可能存在着极大差异。

     

    应记住:

     

    ·浮游生物的多样性随纬度而变化。

    ·浮游生物多样性的预测变化可能对生物地球化学和经济产生重大影响。

    ·浮游生物对气候变化的适应机制在热带和寒带水域中不尽相同。

    ·与热带水域中的浮游细菌相比,极地水域中的浮游细菌更适应其生态环境。因此,它们对未来全球变暖的适应能力下降。

     

    [塔拉海洋]浮游生物的生物多样性从一极到另一极的变化,《细胞》,2019年11月14日

     

    文章

     

    F. M.Ibarbalz等.,生命王国中海洋浮游生物多样性的全球趋势,《细胞》(2019)https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.008

     

    1. Salazar等.,基因表达的变化和群落更新差异影响全球海洋转录组,《细胞》(2019),https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.014

     

    1. Claudet等.,为支持科学,政策和行动而利用联合国海洋科学十年促进可持续发展路线图,《一个地球》(2019)https://doi.org/10.1016/j.oneear.2019.10.012

     

    有关

    塔拉海洋基金会

    塔拉海洋基金会是法国第一个公认的致力于海洋事业的公共事业基金会。它与国际优秀的实验室合作开发了高级海洋科学,用于探索、理解和预测气候变化和环境风险。它的两个主要任务是探索和分享。为承担起海洋共同责任和保护海洋,塔拉海洋基金会关注和教育年轻一代,进而保护这一至关重要的生态系统。

    20192013塔拉海洋项目

    “塔拉海洋”项目自2009年9月开始,为期四年,在此期间,塔拉科学号建造了200多个浮游生物采样站。其目的是从气候变化的角度研究浮游生物生态系统。120名国际科学家参加了这次14万公里的旅程,收集了35 000个样本,从中发现了200 000种新微生物,其中“95%仍未知”,塔拉海洋联盟科学总监,法国国家科学研究中心/欧洲分子生物学实验室埃里克·卡尔桑迪解释道,“本次研究的最初成果超出了我们所有的期望,“塔拉海洋”航行加深了我们对目前仍在分析中的大量数据的了解。目前的工作包括公开发布重要的新数据组,后者通过基因组学成为迄今为止全球最大的单一生物群落描述”。塔拉号是历史上向北航行最远的船(北纬88.6度,除破冰船外),并且是第一条同年穿越东北和西北通道的船舶。

     

     

     

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      • 迪士尼的海洋 Oceans by Disney