藻类之间的竞争如何改变缅因湾

随着温带地区的海洋变暖，海藻林正在崩溃，草坪藻类物种正在接管。这种从茂密的高海藻到低洼的草皮藻类的转变正在推动生物多样性的丧失，并改变了通过珊瑚礁生态系统的能量和营养物质的流动。

它也从根本上改变了沿海生态系统的化学生态。

由毕格罗海洋科学实验室的研究人员领导的《科学》杂志的一项新研究首次揭示了草坪藻类如何释放可以杀死年轻海藻的化学物质。这就形成了一个反馈循环，更多的草皮藻类意味着更多的有害化学物质，这进一步抑制了恢复，加剧了海带林的崩溃。

这种化学介导的相互作用，科学家称之为化感作用，或者作者更直白地称之为化学战，揭示了气候变化正在重塑海洋生态系统的一种间接方式，使缅因州迅速变暖的海岸沿线的海藻林恢复复杂。

这项研究还包括来自缅因大学、加州大学河滨分校、蒂宾根大学、佩里海洋科学研究所和哈佛大学的研究人员，他们共同合作，将广泛的实地调查、先进的化学分析和新颖的实验室实验结合起来。

“这就是为什么这项研究如此强大，”毕格罗实验室高级研究科学家、该研究的资深作者Doug Rasher说。

“它从描述自然界中的一种模式（海藻林缺乏恢复）到揭示海藻林和草皮礁的化学景观存在根本差异，再到指出草皮藻类及其分泌的化学物质会阻止海藻的补充，这是合乎逻辑的。”

世界各地的温带生态系统都充分记录了海藻林崩溃和草皮藻类替代的影响。

“从海带到草皮的这种转变类似于陆地森林向草原的转变，”该研究的主要作者、Rasher研究小组的UMaine博士生Shane Farrell说。“随着海藻林的消失，我们看到生物多样性、生产力以及它们为人类提供的生态系统服务都在减少。”

之前的研究表明，一旦草皮藻类建立起来，它们就会通过占据珊瑚礁上的空间或庇护吃小海藻的小型食草动物来抑制海藻的恢复。

在热带生态系统中，如热带雨林和珊瑚礁，科学家们之前已经表明，化学环境的变化也在将生态系统锁定在退化状态并阻止基础物种的恢复方面发挥了作用。但没有研究考虑过这种化学变化是否会在温带海藻林中发挥作用。

为了回答这个问题，研究人员在缅因湾完成了三年的实地调查，记录了一种新海藻在缅因州海岸南部森林崩溃地区挣扎求生的模式。在这些调查中，该团队收集了水和海藻样本进行化学分析。

他们没有专注于已知物质，而是与加州大学河滨分校的Daniel Petras研究小组合作，利用非靶向代谢组学分析来了解样本中的不同化学成分。

这种方法涉及分析系统内的所有小分子，这使研究人员能够在海藻和草皮藻类为主的地点广泛识别水中、海藻和珊瑚礁本身的独特化学特征。

与超过100000名依赖Phys.org获取日常见解的订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展。

为了表征存在的一系列水性化学物质，这些方法依赖于分离分子并将其分解成片段，然后将其与参考库进行匹配，就像从指纹中识别一个人一样。

但是，正如Farrell指出的那样，研究人员在这种环境中发现的化学特征中只有不到2%是以前描述过的。

为了填补这些空白，研究小组转向了新的计算工具，这些工具使用化学裂解模式来预测化合物身份、分子式，甚至化学结构。这些预测使研究人员能够将未知化合物分为广泛的化学家族，突显了海带林的化学环境与以草皮为主的珊瑚礁有多么不同。Petras说：“看到我们的非靶向代谢组学工具如何为不断变化的环境（如入侵藻类）引起的迷人的化学复杂性提供新的见解，真是太棒了。”。“当我们将化学数据与海藻存活率等功能信息相结合时，这一点变得尤为强大。”在一系列实验室实验中，研究人员测试了草皮主导的珊瑚礁周围的所有水性化学物质以及五种最丰富的草皮藻类释放的特定化学物质对配子体（海藻的早期生命阶段）的影响。

实验表明，当暴露于草皮藻类释放的化学物质时，配子体的存活率急剧下降，在某些情况下高达500%，这证实了新的化学环境是导致海带死亡的直接原因。“我们的研究首次揭示了化学战可以支撑冷水海带林的反弹潜力。令人惊讶的是，我们在草皮礁上发现的一些相同类型的分子也参与了热带珊瑚礁的恢复动态，”Rasher说。

“这表明我们对温带珊瑚礁上的化学战、所涉及的生物和分子以及这一过程在全球范围内的变化有很多需要了解的地方。”

Rasher研究小组之前的工作证实，海洋变暖是缅因湾海带林减少的主要驱动因素。但这些新发现表明，草皮藻类如何将生态系统锁定在退化状态，这将使促进海带林恢复变得更加具有挑战性。Farrell说：“一旦草皮藻类建立起来，仅仅控制全球碳排放和扭转海洋变暖并不能让缅因州的海藻林恢复过来。”。“由于这些反馈机制，我们需要在海藻真正恢复之前进行局部干预，以清除草皮藻类。”