气候变化如何影响全球海洋中的藻类

根据东英吉利大学和厄勒姆研究所的研究，由于海洋中生物多样性“断点”边界的变化，全球变暖可能会导致重要的藻类群落发生突然变化。

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

研究人员表示，并非由于变暖导致微生物多样性逐渐发生变化，而是在他们所谓的“断点”处发生得更突然——只要上层海洋温度每年平均在 15 度左右，冷暖水域分开。

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。但该团队表示，如果我们迅速采取行动阻止气候变化，这些变化就可以停止。

来自 UEA 环境科学学院的 Thomas Mock 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、二氧化碳和水中的能量，它们产生有机化合物供海洋生物生存。

“这些生物支撑着地球上一些最大的食物网，并推动全球生物地球化学循环。

“负责至少 20% 的全球年度碳固定，温度变化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。”

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

这项主要研究由来自英国埃克塞特大学和德国阿尔弗雷德韦格纳极地与海洋研究所等机构的 32 名研究人员组成的国际团队进行了 10 多年。

它涉及对藻类(真核浮游植物)及其表达的基因如何在海洋中的地理分布进行第一次极对极分析。因此，该团队研究了他们的基因活动如何因上层海洋的环境条件而发生变化。

由于 CO 2水平上升，上层海洋已经经历了显着变暖，研究人员根据政府间气候变化专门委员会 (IPCC)第5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动是由与作为复杂微生物组的一部分的微观单细胞生物或原核生物的相互作用形成的。

研究人员发现，这些全球社区可以分为两个主要集群——主要生活在寒冷的极地和温暖的非极地水域的生物。

地理模式最好通过温度纬度梯度引起的上层海洋水的物理结构差异(例如，季节性混合的冷水与永久分层的暖水)的差异来解释。

通过对在北冰洋、北大西洋、南大西洋和南大洋的四次研究巡航期间收集的样本进行核酸提取和 DNA 和 mRNA 测序，对这些生物进行了分析。

莫克教授说：“重大的国际努力已经为推动这些生物多样性及其在全球海洋中的全球生物地理学提供了见解，但是，对导致当地物种群落之间大规模差异的环境条件的了解仍然有限。极对极。

“我们的研究结果提供了关于不断变化的环境条件如何与受到大规模环境波动和干扰的生物多样性变化相关的新见解。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，英国和该纬度其他国家的海洋系统将受到严重影响，而且比以前想象的要突然。

“当英国各地的海洋微藻群落及其相关细菌被它们的温水对应物所取代时，将发生最大的生态系统变化。

“这预计是由向两极移动的生态系统边界或分隔两个社区的‘生物多样性断点’造成的。为此，年平均上层海洋温度需要高于 15 摄氏度。

在北大西洋温带地区的 Polarstern 采样船的一侧，藻类 Phaeocystis 为水着色。信用：卡特琳施密特

“不过，如果我们能够阻止全球变暖，这并非不可逆转，”他补充道。

厄勒姆研究所的合著者 Richard Leggett 博士补充说：“这项研究还表明 DNA 测序技术的进步在了解海洋生态系统方面发挥了重要作用，并在此过程中帮助研究人员阐明并应对地球面临的一些最大的环境挑战。”

这项工作由两位前博士领导。来自 UEA 环境科学和计算科学学院的学生，Kara Martin 博士(也在厄勒姆研究所工作)和 Katrin Schmidt 博士。

Martin 博士说：“这些结果表明，上层海洋最重要的生态边界将两半球的极地与非极地藻类微生物群分开，这不仅改变了藻类微生物群的空间尺度，而且由于全球变暖。

“我们预测，由于变暖，尤其是在不列颠群岛周围，微生物多样性的‘断点’将显着向两极移动，人类引起的气候变化引起藻类微生物群的突然变化。

“这是一次美妙的经历，也是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从极地到极地不断变化的海洋。”

施密特博士说：“在我们的研究航行中，我们已经注意到从温暖到冷水的藻类群落完全不同。这一初步发现得到了我们的结果的支持，表明上层海洋最重要的生态边界将极地与非极地藻类微生物群分开在两个半球。更重要的是，这个边界不仅改变了藻类微生物群的空间尺度，而且由于全球变暖而向两极移动。”

埃克塞特大学的蒂姆·伦顿教授说：“随着本世纪海洋随着气候变化而变暖，我们预测寒冷的极地微藻群落和温暖的非极地微藻群落之间的‘断点’将通过海洋向北移动不列颠群岛周围。

“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，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发生变化——很可能会变得不那么有效——这反过来可能会反馈加剧全球变暖。”

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

“从极地到极地的上层海洋中藻类微生物群的生物地理学分化”于2021 年 9 月 16 日发表在《自然通讯》上。

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