“大多數浮游生物種群沿緯度呈多樣性梯度分布，最靠近兩極的生物多樣性最低。”
“微生物多樣性及其基因表達在海洋微生物群落對不同地理環境變化的響應中發揮著不同的作用。”
近日，發表在《細胞》上的兩篇論文利用塔拉海洋考察期間收集的樣本和數據，分析了目前地球上的海洋生命多樣性，為更好地了解氣候變化對海洋未來的影響提供了基礎。
目前，近30億人依靠海洋和沿海生物多樣性維持生計，海洋對減少氣候變化產生了很大的影響。然而，科學還未能充分評估人類活動對海洋產生的影響，包括污染、海水變暖和酸化帶來的威脅。
“每一滴海水都充滿了微生物，它們在與地球生命相關的許多過程中發揮著核心作用。”瑞士蘇黎世聯邦理工學院微生物研究所的資深作者Shinichi Sunagawa指出，“了解決定這些生物多樣性、組成和活動的生態因素對于更好地模擬和預測未來走勢是至關重要的，特別是在氣候變化的情況下。”
海洋中存在一個神奇的微生物世界。“這些微生物幫助產生了地球上50%的氧氣，它們能固定大氣中的二氧化碳并將其儲存到海底，也是海洋食物網的基礎。”未參與這些研究的美國俄亥俄州立大學的Ann Gregory告訴《中國科學報》。
此外，一篇觀點文章討論了迄今為止阻礙海洋可持續性政策變化的各種障礙，并提出利用聯合國“海洋科學促進可持續發展十年”克服這些挑戰的戰略建議。
聯合探索海洋
為了扭轉世界海洋健康狀況下降的趨勢，聯合國宣布2021至2030年為“海洋科學促進可持續發展十年”。
聯合國教科文組織表示，“海洋科學促進可持續發展十年”將有利于相關國家和機構更好地協調研究方案、觀測系統、能力建設、海洋空間規劃和減少海上風險，以改善對海洋和沿海地區資源的管理，同時鼓勵和動員科學界、決策者、企業、民間社會在海洋研究方面的協調合作。
海洋研究需要昂貴的設備以及成千上萬的科學家對數據進行收集和分析。因此，“海洋科學促進可持續發展十年”的優先事項之一是使資金來源更多樣化，其重要工作之一是收集全球海洋狀況數據。
2009年至2013年間，跨國跨領域企業的塔拉海洋考察從全球各大洋采集了3.5萬份樣本。
研究人員駕駛一艘名為塔拉的帆船進行了海上考察，從世界各地近80個地點收集海水樣本，范圍從海面到4000米深水。參與了該項目的Gregory提到，這些樣本被用來代表不同的海洋盆地、海洋深度、緯度以及受氣候變化嚴重影響的海洋區域。
“這次考察歷時3年多，環繞全球海洋，數百名科學家在船上收集和處理樣本。這是一次巨大的努力。樣本被依次過濾，以收集不同的有機組分，而我們則在實驗室分析了其中的最小‘成員’——病毒。”她說。相關研究今年4月刊登于《細胞》。
上述兩篇論文也是利用塔拉海洋考察期間收集的樣本和數據分析整個地球上浮游生物多樣性的最新成果。一項研究側重于地球海洋浮游生物的多樣性，另一項研究則評估了微生物群落的基因表達，以此預測這些群落如何適應不斷變化的環境條件。
不同縱深 不同多樣
“海洋中的一切都是相互聯系的，這使得在全球范圍內組裝一切變得非常重要。深入分析也讓我們能夠捕捉到生物圈中的稀有生物。”其中一項研究的通訊作者、法國巴黎高等師范學院（IBENS）生物學家Chris Bowler說。
“我們的研究聚焦于浮游生物，因為它是海洋生態系統生物量、豐富度和多樣性的主要貢獻者。”IBENS的共同高級作者Lucie Zinger說，“所有類型的生命都以浮游生物為代表——細菌、古生菌、原生生物、動植物以及病毒。但這種多樣性的絕大部分是肉眼看不到的。”
Bowler等人發現，從巨大的病毒到小動物，浮游生物群體的絕大多數都沿緯度呈多樣性梯度，最靠近兩極的多樣性最低。
“海洋溫度是造成這種模式的主要原因。”Zinger告訴《中國科學報》，“氣候變化導致的海洋變暖可能會帶來溫帶和極地水域的浮游生物多樣性‘熱帶化’或增加。其后果尚不清楚，但我們知道，這些地理區域目前對不同的生態系統服務非常重要，包括漁業和碳封存。”
這項研究的一個創新之處在于其結合了成像和DNA技術評估浮游生物的多樣性。“我們知道如何處理來自DNA序列的信息，但圖像要復雜得多。我們觀察到這些生物有許多不同的形態和行為，還有許多新生物及其相互作用有待發現。”Bowler說。
轉錄組研究結合了元基因組和元轉錄組數據，使研究小組能夠分析在海洋微生物群落中跨深度和緯度存在哪些基因。以前對海洋微生物多樣性的研究主要集中在基因組上，這是第一次在全球范圍內研究轉錄組。
“觀察轉錄組不僅對確定哪些微生物存在很重要，對了解它們在光合作用和營養吸收等方面的實際活動也很重要。”Sunagawa告訴《中國科學報》，“我們的目標之一是了解微生物群落能否適應環境和溫度的變化，即它們的組成間的變化，或者這些群落內基因表達模式的變化。”
研究人員發現，在分類學、基因組學和轉錄組組成方面，地表水和深水、極地水和非極地水間存在明顯的生態界限。研究人員還驚訝地發現，在北極深水區有一種固氮細菌的基因組和轉錄組證據。
“具體來說，我們發現極地群落的差異主要是由生物組成的變化決定的，而在非極地水域，這種差異主要是由基因表達的變化決定的。”Sunagawa說。
不過，塔拉項目數據的一個局限性是，這些樣本的收集時間相對較短，不到4年。這很難觀察到當今海洋中與氣候變化有關的任何可測量的趨勢。研究人員說，需要更長期的研究以解釋酸化、脫氧和污染等因素的變化。
氣候變化呼吁加大研究
研究人員還分析了迄今為止阻礙海洋可持續性政策變化的障礙，并提出克服這些挑戰的策略。相關觀點文章刊登于《一個地球》期刊。
“《政府間科學政策平臺：生物多樣性和生態系統服務全球評估》和《政府間氣候變化專門委員會海洋與冰凍圈特別報告》均于2019年發布，現在已經到了迫切需要采取可持續方案的時刻了。”通訊作者、法國科學研究中心Joachim Claudet說。
研究人員表示，目前海洋可持續性的主要威脅是對魚類、貝類和其他生物的過度捕撈，陸基和海基污染，土地/海洋利用的變化（包括基礎設施和水產養殖的沿海開發），以及氣候變化。
“我們需要科學證據更好地為各方提供信息，推動政策制定，并實施可行的解決方案，采取可操作和變革性的行動，從地方到全球范圍影響社會。”Claudet說。
塔拉項目使人們能夠在海洋尺度上收集自然、化學和物理的原位數據。這些數據可以用于基礎研究和應用研究。該項目也可以推動人們改變對海洋的看法，使人們認識到海洋的價值和脆弱性。
“這條路的每一步都充滿了挑戰。”美國俄亥俄州立大學微生物學家Matthew Sullivan告訴《中國科學報》。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.008
https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.014
https://doi.org/10.1016/j.oneear.2019.10.012
https://doi.org /10.1016/j.cell.2019.03.040