蛟龙号深潜6699米拍摄到狮子鱼，谈谈这些海洋底栖生物生态学热点 - 深海生物多样性研究

- _/ I0 z. t9 b: c; T

5月30日“蛟龙”号载人潜水器在世界最深处的马里亚纳海沟6699米处，近距离拍摄到两条狮子鱼在深渊海底的游弋影像，这有助深渊鱼类起源研究。本文借此为您分享当今底栖生物生态学的研究热点。

狮子鱼是深渊特征的生物物种，它们通常生活在6000米至8000多米的深渊区。中国科学院深渊科考队曾在马里亚纳海沟和雅浦海沟通过深渊着陆器获取过7000多米海底的多个狮子鱼样本。对它们的研究有助于了解深渊鱼类的起源、演化及环境适应机制。

—— 彭晓彤

+ w8 t; ]- p% [/ `4 A

中国大洋38航次第三航段首席科学家

全球变化对海洋生态系统结构与功能的影响

6 V1 X2 M8 H* R! O, f- ]8 V0 m

全球变化对海洋生态系统结构与功能的影响主要表现在不同时空尺度的海上观测、现场实验和实验室模拟实现对生态系统结构和功能的深入了解。关键种的生态动力学，特别是对顶级捕食者的动态及生活史的研究，海洋增温和酸化对关键种群、群落、生物多样性和生态系统的影响。

/ Z5 D% }6 W, p D Q/ d

海洋生态系统对全球变化的响应

$ `( H+ ?# A4 E# Z% O

开展区域尺度乃至全球尺度的状态转换（regim shifts）研究，实施大尺度长期的关键种群与非生物因子的监测、鉴别并检验两者的相关及耦合程度及实施有效的管理决策。

海洋生态系统在结构和功能上，从一种局域的稳态向另一种局域稳态的突然转变称为状态转移（regime shifts）。驱动状态转移有三种过程：①非生物过程，如全球变暖（温度升高）及大气和海洋大尺度的振荡（oscillation）；②生物过程由过度捕捞导致的食物网重建和关键种的动态变化，如上升流系统、沙丁鱼和鳀鱼种群的更替；③生境结构的改变，可由自然的非生物事件引起，如飓风，或由人类活动导致，如珊瑚礁的炸鱼及由于红树林的破坏导致育幼场的丢失，外来种的引入是人类活动影响的另外一个例子。

以上三种驱动过程往往综合在一起，难以分开。以上过程及其响应的空间尺度依生态系统类型不同而异。可从几千米（如珊瑚礁）到几千千米的海盆尺度（如北太平洋），然而，以上三种驱动过程和响应过程的时间尺度从数年到跨越数个年代际。当今，国际上已确定的状态转移，大多集中在鱼类、浮游动物和浮游植物。大型底栖动物的状态转移研究历史尚短，小型底栖动物的状态转移研究则刚刚起步。

S5 l* h+ Z7 C6 S: x# v6 }% ^

状态转移的研究需要多学科交叉和大数据支持，特别是长时间系列数据（至少跨越4 个年代际）的支持，为了探测系统内部的机制，往往需要跨越几个营养级。借助多元统计分析和多种模型，探测诊断已经出现的状态转移，并预测未来可能发生的状态转移，为生态系统健康评估和管理提供科学依据是当今全球变化和生态响应热点之一。

. Z% u8 S% W! T! }' G2 M

海洋生物多样性-生态功能的考虑

2 `2 x0 t' h* v+ o

必须考虑时、空尺度及生物结构尺度，即从基因到生物系统；与生态学过程（如生产力过程、竞争与摄食过程）紧密联系，开展多学科交叉，特别是与生物地化循环相联系。从功能多样性的角度，应考虑海洋生物多样性在生物地球化学循环中的作用，生态系统生产力和食物网结构。

. w# Q2 V, ]; G2 X# _+ T

海洋生物多样性与陆地生物多样性最大的区别在于，它与生态学过程紧密联系在一起，这是基于海洋的三维立体空间，物种的生命周期短，周转率高，微型生物驱动的初级生产力和物质的分解过程，高的门类多样性以及立界分明的沿岸系统生态学过程、离岸的生物海洋学过程和野外的实验生态学。在海洋生物多样性的研究中，既要考虑水层系统的多样性，又需考虑底栖生态系统，包括沉积物环境的多样性。因为两者是借助能流、物质循环和生活史紧密联系在一起的。

除了时间尺度和空间尺度，还应考虑生物结构的尺度，即从基因一直到生态系统。生物多样性的计算不应只停留在一个营养级上，应开展多个营养级功能多样性的比较。海洋生物多样性的生态功能考虑已成为当今海洋生物多样性和生物海洋学的另外一个研究热点（Heip et al.，2003）。

! t3 D+ r9 M" H0 |4 d' {, S

深海或极端条件下化能合成生态系统（ChEss）

ChEss 包括热液、冷泉、鲸骨，以及其他高度还原生境形成的生态系统，是当今国际海洋生物普查计划的现场研究项目之一。由于对极端条件高压、低温、缺氧或无氧环境的适应，该生态系统的研究对全球生物地理学、物种形成、深海资源开发和生命起源探索，具有重大理论意义和潜在的应用价值。

3 O; I1 t, }- D* M, g" `( C6 {

自1977 年热液生物群落被发现后，在全球海洋系统中100 多个热液口生物群落中已发现超过550 种大型底栖动物，其特点是生物量非常高，但生物多样性很低且具有极高比例的地方种。

& U! a: n, s1 i8 E

2010 年在比利时根特大学召开的ChEss 研讨会，搭建了一个研究还原条件与小型底栖生物的平台RoMeio，以总结和推动这一年轻的科学领域。已有的成果显示，大型和小型底栖动物的数量与热液排出量呈负相关，小型动物与大型动物的数量呈负相关，暗示与摄食有关。深海自由生活海洋线虫已报道近700 种，而严格意义的ChEss 生境中记载的线虫不足100 种，线虫丰度往往超过邻近正常海底区，但往往单一种占优势，属的丰度与热液和冷渗的溢出呈负相关；冷渗中出现的线虫种和属，类似于栖息在深水处的浅水种，而非典型的深海类群，热液口线虫区系与邻近海底有高度的相似性，说明是对极端条件适应的结果。当前，除了进行小型底栖生物的分类，还应联系特定环境条件开展还原生态系统的整体研究，以及活动性和非活动性化能合成系统之间的过渡带（ecotone）的研究（Vanreusel et al.，2010）。

7 i( I1 C& G; P. j7 Y3 G& q7 t$ V

大尺度的水层-底栖耦合过程的研究

底栖生态系统（底栖生物及沉积环境）作为碳的“汇”对生物泵和全球碳循环的贡献；生物沉降与自然沉降的共同作用对碳循环的作用；有机物质的降解过程及营养盐的再生过程，生物扰动过程及沉积物再悬浮过程；底栖食物网内的各类摄食过程；水层和底栖食物网的top-down 和bottom-up 控制过程；与生物地化循环相关的微生物过程。

. A$ \7 d+ g3 k, L2 g: H# `

海洋底栖动物的DNA 条形编码和分子生物多样性

$ ~ k( R: b$ S, P

得益于分子生物学技术（特别是DNA 和基因组测序技术）和生物信息学的进步，DNA 条形码经过十年的发展为生物科学带来了一场深刻的变革，影响到生物多样性的研究方法并改变了我们对生态系统的认识。

5 }. B* u9 T) d1 W; J5 f; [

本文摘编自《渤海底栖生物次级生产力与生物多样性》（张志南等著. 责任编辑：万峰. 北京：科学出版社, 2017.1）一书“第1章 绪论”。标题为编者所加。

6 a) _& O k. u& ]3 p- W1 o

ISBN 978-7-03-051557-5

《渤海底栖生物次级生产力与生物多样性》以水层-底栖耦合的学术思考和研究思路贯穿始终，全书共分12章。以绪论和渤海的自然环境作为开头两章，4~9 章是本书的核心，即生物生产力和生物多样性，既显示了大型底栖动物和小型底栖动物的同步观测和综合分析，将粒径谱应用于次级生产力，也体现了传统生物多样性与现代分子多样性的交叉和融合。第3 章和最后3 章生源要素的底-水交换过程、摄食过程、生物扰动过程以及水层-底栖耦合模式的建立，展示了多学科交叉，属于水层-底栖耦合的关键生态学过程。本书对于渤海生态系统健康评估和管理及生物多样性保护和可持续利用具有重要的理论意义和实践价值。

) \8 \, Y4 W8 C9 ?4 N# v( A6 n+ U 7 [! J/ c' _( q& F7 \9 h 7 U+ |8 E. i% ^5 \( s% B+ ^( [4 z7 S " e: g( a3 Q7 G: y) F