研究发现对于微生物来说洋流是通向更深层的高速公路

新研究表明，一些海洋中最小的生物会被卷入水下洋流，这些洋流就像一条管道，将它们从阳光充足的表面运送到更深、更暗的深海，在那里它们对海洋化学和生态系统产生巨大影响。

该研究发表在《国家科学院院刊》上，基于 2017 年至 2019 年三次研究航行中的实地考察， 重点研究地中海亚热带地区。研究发现，一些微小的单细胞生物太轻，无法下沉到 100 米左右以下，例如浮游植物和细菌，最终会进入更深的海洋，那里没有足够的阳光供这些光合生物生长、生活和进食。

“我们发现，由于这些生物体型非常小，它们可以被洋流卷走，然后带到比它们生长的地方更深的地方，”布朗大学应用数学系和地球、环境和行星科学系助理教授 Mara Freilich 说道，她在攻读博士学位期间启动了这项工作，这是麻省理工学院和伍兹霍尔海洋研究所的联合项目。“对于这些生物来说，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关键作用。”

弗雷利希在攻读博士学位期间与伍兹霍尔高级科学家阿玛拉·马哈德万(Amala Mahadevan)一起进行了这项研究，并与海洋生物实验室高级科学家亚历山德拉·Z·沃登(Alexandra Z. Worden)及其团队密切合作。

研究小组发现的洋流被称为入侵洋流，它们通过卷走微生物，帮助改变了深海食物种类，同时也从水面输送了大量碳。这有助于为海洋食物链中的其他生物提供食物，并增加了深海生态系统的复杂性，影响水下生命和化学的运作方式。

总而言之，这项研究挑战了人们对碳如何通过海洋阳光层的光合作用转化为有机物并运输到深海的传统认识。

“大部分光合作用(将光转化为有机碳，作为生物的食物来源)发生在海洋上层 50 米处，因此问题一直是：通过光合作用固定的碳是如何进入深海的?”Freilich 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，微小的单细胞生物被海洋流捕获，形成入侵物……此类入侵物是亚热带海洋的重要特征——它们横向延伸数十公里，同时在垂直方向上下降数百米，携带细胞和碳。这种机制在之前的碳运输估计中没有得到解释。”

研究人员发现，这些入侵现象全年都会发生，而且起源于生物量丰富的地区，包括植物类生物最密集的地方。以前，人们认为洋流只会季节性地将碳输送到深海。研究人员认为，这些入侵现象在世界亚热带海洋中广泛存在。它们为碳和氧气从阳光照射的海洋持续输送到深海提供了渠道。

“我们观察到的微生物群落看起来就像 200 米深处的表面微生物群落，”Freilich 说道。“在其他地区，我们认为这可能要深得多。令我们惊讶的是，我们发现入侵物中的大多数微生物都是以光合作用细胞固定的碳为食的细菌。这表明从阳光照射层运输的大部分生物质由非光合作用微生物组成。”

作为美国、西班牙和意大利的合作，科学家们三次前往地中海亚热带海域进行研究。他们使用特殊工具测量水温、盐度和不同深度微生物丰度等特性。与海洋生物实验室的微生物生态学家亚历山德拉·沃登合作进行的分析有助于显示入侵样本和背景水之间的差异。看到较深的入侵样本中的微生物群落与表面微生物群落相似，表明它们正在被运送到深处。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在水中的移动方式。

沃尔登说：“来自地中海的有力数据证实了这种三维管道过程是将表面微生物带到温暖水域的海洋的一种机制，我们已经能够在主要的公海地区看到类似输出的痕迹。”

除了强调入侵生物在塑造海洋生物多样性方面的生态重要性之外，这项研究还涉及入侵生物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将会增加，而入侵生物的运输可能不会像将碳输送到深海的其他机制那样受到影响。入侵生物改变了我们对碳如何在海洋中移动的理解，并可能有助于调节深海中的碳储存和微生物动态。

“既然我们已经发现了这一点，那么还有更多的内容需要探索，”弗雷利希说。“接下来我们要做的就是利用我们在这里学到的知识，确定我们是否可以用它来预测微生物群落组成的变化将如何影响气候变化中的碳运输和全球碳循环。”

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