研究人员发现，微小的海洋生物被称为侵入流的洋流运送到更深的水域，在海洋生态系统中发挥着重要作用。这些发现挑战了碳传输的传统观点，揭示了这些侵入流不仅传输碳，还传输以碳为食的微生物。 在亚热带海洋中常年观测到的这一过程也可能影响未来气候变化对海洋碳储存的影响。

研究人员对生物群落进行了采样，发现入侵对碳输出的贡献很大。 图片来源：Kara Perilli，WHOI 创意工作室

洋流与微生物迁移

浮游植物和细菌等微小生物被暗流从阳光照射的海面卷入更深、更暗的海洋深处，在影响海洋化学和生态系统方面发挥着重要作用。

这是发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上的最新研究成果，该研究于2017年至2019年期间在地中海亚热带地区进行了三次考察航行。 研究发现，一些微小的单细胞生物由于浮力过大而无法沉入大约100米以外的水域，它们被带到了更深的水域，那里缺少阳光，它们无法进行生长、生活和进食所需的光合作用。

Alliance 号科考船放下 CTD 罗盘，对海面下的生物群落进行采样。 背景是研究船 SOCIB。 图片来源：Kausalya Mahadevan

布朗大学应用数学系和地球、环境与行星科学系助理教授玛拉-弗雷里奇（Mara Freilich）说："我们发现，由于这些生物非常小，它们会被洋流卷起，然后被带到比它们生长的地方更深的地方，对这些生物来说，这通常是一次单程旅行，但通过这次旅行，它们在连接海洋的不同部分方面发挥了至关重要的作用。"她是麻省理工学院和伍兹霍尔海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）联合项目的一名博士生。

弗赖利奇在攻读博士学位期间，与伍兹霍尔的资深科学家阿马拉-马哈德万（Amala Mahadevan）一起，与海洋生物实验室的资深科学家亚历山德拉-沃顿（Alexandra Z. Worden）及其团队密切合作，开展了这项研究。

碳传输和海洋入侵

研究小组发现的洋流被称为侵入流，通过卷起微小的生物，它们有助于改变海洋深层的食物种类，同时还能从水面输送大量的碳。 这有助于为海洋食物链中的其他生物提供食物，增加深层生态系统的复杂性，影响水下生命和化学的运作方式。

总之，这项研究挑战了人们对碳如何被输送到深海的传统认识，碳是通过光合作用在海洋的阳光层转化为有机物的。

"大部分光合作用--通过光合作用将光转化为有机碳--生物体的食物来源--都发生在海洋的上层 50 米处，因此问题一直存在： 通过光合作用固定的碳是如何进入深海的？ "弗赖利希说。"富碳颗粒的下沉一直被认为是这个问题的唯一答案。 但我们发现，微小的单细胞生物会被卷入洋流，形成侵入体......这种侵入体是亚热带海洋的重要特征--它们在横向延伸数十公里的同时，也在纵向下降数百米，带来细胞和碳。 这种机制在以前的碳传输估算中一直未被考虑在内。"

研究人员发现，入侵全年都会发生，而且源于生物量丰富的区域，包括植物类生物最密集的地方。 以前，人们认为洋流只是季节性地将碳带入深海。 研究人员认为，这些侵入点广泛存在于世界亚热带海洋中。 它们为碳和氧化物从阳光照射的海洋向深海的持续输送提供了通道。

深海微生物动态

"我们观察到的微生物群落与 200 米以下的表层微生物群落一模一样，"弗赖利奇说。"在其他地区，我们认为这可能更深。 令我们惊讶的是，我们发现侵入层中的大部分微生物都是以光合作用细胞固定的碳为食的细菌。 这表明，从阳光层中运来的生物质大部分是非光合微生物。"

作为美国、西班牙和意大利之间的合作项目，科学家们三次前往亚热带地中海进行研究。 他们使用特殊工具测量水温、盐度和不同深度的微小生物数量等特性。 这些分析是与海洋生物实验室的微生物生态学家亚历山德拉-沃顿（Alexandra Worden）合作进行的，有助于显示入侵样本与背景水域之间的差异。 看到较深的入侵样本中的微生物群落与地表微生物群落相似，表明它们被带到了深海。 研究人员还使用计算机模型模拟洋流，以揭示微小植物和细菌群落如何在水中移动。

Worden说："地中海的有力数据证明，这种三维导管过程是将表层微生物带入温暖水域暗海的一种机制，因此我们能够在主要的开阔洋区域看到类似的输出痕迹。"

除了强调侵入点在塑造海洋生物多样性方面的生态重要性之外，这项研究还涉及到侵入点如何受到气候变化的影响。 人们认为，随着地球海洋变暖，微小细胞中的碳比例会增加，而侵入体中的传输可能不会像其他将碳带入深海的机制那样受到影响。 入侵改变了我们对碳如何在海洋中移动的理解，并有助于调节深海的碳储存和微生物动态。

对未来气候研究的影响

弗赖利奇说："既然我们已经发现了这一点，那么还有很多东西需要探索。接下来我们要做的就是利用我们在这里学到的知识，确定我们是否可以利用这些知识来预测微生物群落组成的变化会如何影响碳的运输以及气候变化下的全球碳循环。"

编译自/SciTechDaily

DOI: 10.1073/pnas.2319937121