Nature：從酵母到鱈魚，科學家用新方法預警漁業危機

該圖顯示了1992年北大西洋鱈魚捕撈業的崩潰。

　　1990年，北大西洋的漁民們捕撈到了超過20萬噸的鱈魚；在1992年，他們卻幾乎一無所獲。鱈魚捕撈的崩潰造成成千上萬的加拿大漁民和工人失去了工作，而北方鱈魚漁業也就此一蹶不振。現在，物理學家通過研究實驗室酵母發現了一種新方法以預知這樣的衰退再次逼近的時間。研究人員希望他們發出的警報信號能夠幫助漁業和野生動物管理人員及時采取行動以拯救備受壓力的物種種群。

　　美國麥迪遜市威斯康星大學生態學家Stephen Carpenter認為，該研究小組的報告是“一篇非常好的文章”，它“可能引發一些新的見解”。 Carpenter曾經在湖區研究過類似的早期預警信號。

　　防止物種種群崩潰的關鍵是發現問題的早期跡象。一個公認的警告信號就是，相比健康的系統，不健康的系統往往需要更長的時間從干擾中恢復過來。科學家稱之為“臨界慢化”。例如，Carpenter和同事就發現：當他們在湖中加入捕食性魚類——大嘴鱸魚時，藻類會放緩恢復到正常水平的速度。然而，測量自然界中的這種慢化進程可能會需要多年研究所獲得的數據——而這對于許多漁業工作人員和野生動物管理者而言是可望而不可即的。

　　再來說說釀酒酵母（俗稱啤酒酵母）。2012年6月，劍橋市麻省理工學院的物理學家Jeff Gore和同事報告稱，他們成功地從在實驗室中培養的這些單細胞的菌類種群中誘導出了“臨界慢化”現象。啤酒酵母細胞在其環境中將不可食用的糖分解成為可食用的糖，這意味著鄰居的工作推動了這些個體的工作——特別是在高密度的條件下是這樣。因此，科學家能夠通過對它們進行稀釋從而給其種群造成壓力。研究人員發現，在密度較低的條件下，當生長過程中的種群受到一定劑量的鹽的沖擊后，該種群需要花更長的時間以回到先前的水平，而這個劑量的鹽可以傷害或殺死酵母。但是一個孤立的實驗室種群是一個高度人工的系統。在真正的生態系統中生物會在其生活的環境中從一處移動到另一處。

　　所以，在他們新的研究中，Gore和同事將多個酵母種群用遷移的方式連接了起來。研究人員在多個塑料托盤中培養了一排排成組的、小的、圓形井狀的酵母菌落——想象一下就像是小型蛋盒的下半部分被分隔成8行而不是兩行。每天早上，科學家會將每一個種群中1/4的酵母轉移到緊鄰該種群的菌落當中，從而模擬魚兒從一個湖區游到另一個湖區的自然傳播過程。之后，研究小組對每組菌落中的一個“培養井”中的細胞進行稀釋直至一個極低的密度,從而產生了被他們稱為“壞區”的區域。研究者在接下來的一個星期里測量了每個種群的規模后發現，緊鄰“壞區”中受到壓力的酵母種群的菌落也出現了衰退的情況。但是與受到壓力的區域隔著兩個或兩個以上“培養井”的種群仍保持著健康的狀態。

　　科學家隨后對酵母種群展開了致命的打擊。他們開始稀釋其余“培養井”中的酵母細胞，從而使整個集體接近崩潰的狀態。他們發現在壞區與距離壞區最近的健康“培養井”之間隔著的“培養井”數目從兩個增加到了3個或3個以上。Gore和同事稱這種距離為“復蘇長度”，他們認為在實際環境中該“復蘇長度”也可以在具有不同健康程度的棲息地中被觀察到。例如，管理人員可以監控漁場附近海洋保護區中魚類的數量，如果發現漁場的邊緣與最近的健康魚類種群之間的距離加大了的話，那么管理人員就可以對捕魚活動加以限制。“復蘇長度”是一個“新的指示工具，這一工具目前還未被建議使用”。Gore說。他的研究小組將研究結果于近日發表在《自然》雜志網絡版上。

　　Carpenter說：“最酷的是,這一研究成果可以應用到現實的情景當中。”他設想著生態學家可以通過研究牧場或其他生態系統的衛星圖像來尋找增加了的“復蘇長度”。Carpenter同時指出，雖然“現實的生態系統要遠比一維梯度的培養酵母菌落復雜得多”，但Gore在實驗室中的實驗給像他們所做的這種整體生態系統研究增添了通常是該類研究做不到的方面：即實驗易于復制且易于控制。Carpenter在一份郵件中寫道：“酵母實驗讓我們思考問題又多了一個角度。”

　　對于Gore來說，下一步的工作是去聯系那些可能會受益于他的實驗結果的人。最近，他開始與其他的科學家合作，這些科學家致力于研究具有經濟和生態重要意義的系統，例如漁場系統和蜜蜂種群系統。他承認：“人們未必想要拯救我實驗室里的這些瀕臨崩潰的酵母，我們真正想拯救的是野生的物種種群。”