英國(guó)南安普頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究揭示了為什么珊瑚礁能夠在看似營(yíng)養(yǎng)貧乏的水中茁壯成長(zhǎng)，這一現(xiàn)象自查爾斯·達(dá)爾文以來(lái)一直讓科學(xué)家們著迷。
研究表明，珊瑚以光合共生體(生活在珊瑚細(xì)胞內(nèi)的微小藻類(lèi))為食。這種素食使珊瑚能夠吸收以前被認(rèn)為無(wú)法獲得的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。實(shí)際上，它們正在吃一些共生藻類(lèi)來(lái)獲取生存所需的營(yíng)養(yǎng)。
領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的南安普頓大學(xué)珊瑚礁實(shí)驗(yàn)室主任 Jörg Wiedenmann 教授評(píng)論道：“珊瑚礁為何在營(yíng)養(yǎng)貧乏的海洋中繁衍生息的問(wèn)題被稱(chēng)為達(dá)爾文珊瑚礁悖論，啟發(fā)了幾個(gè)有助于解釋這一現(xiàn)象的重要過(guò)程的發(fā)現(xiàn)。我們現(xiàn)在可以添加拼圖中缺失的部分，并幫助解決這個(gè)長(zhǎng)期存在的謎團(tuán)。”
他繼續(xù)說(shuō)道：“當(dāng)查爾斯·達(dá)爾文 (Charles Darwin) 乘坐英國(guó)皇家海軍貝格爾號(hào) (HMS Beagle) 起航時(shí)，他認(rèn)為自己是一名地質(zhì)學(xué)家，在穿越熱帶海洋的過(guò)程中，他很快對(duì)珊瑚礁形成的地點(diǎn)和原因產(chǎn)生了興趣。達(dá)爾文正確地預(yù)測(cè)了地殼的沉降和珊瑚的穩(wěn)定向上生長(zhǎng)如何相互作用形成巨大的珊瑚礁結(jié)構(gòu)。然而，這種蓬勃增長(zhǎng)背后的生物學(xué)機(jī)制仍未得到研究。”
一起生存的
石珊瑚是軟體生物，對(duì)某些人來(lái)說(shuō)可能看起來(lái)像植物，但實(shí)際上是動(dòng)物。這些生物體由許多單獨(dú)的息肉組成，它們作為一個(gè)群體生活在一起，還有秘密的石灰?guī)r骨骼，形成了我們稱(chēng)為“珊瑚礁”的三維框架。
珊瑚礁是重要的水下生態(tài)系統(tǒng)，使許多人類(lèi)社區(qū)受益。它們?yōu)闊o(wú)數(shù)生物提供了家園和覓食地，維持著全球約 25% 的海洋生物多樣性。因此，它們?yōu)榈厍蛏洗蠹s五億人提供了食物和收入。
珊瑚動(dòng)物依賴(lài)于“共生”，即與生活在其細(xì)胞內(nèi)的微小藻類(lèi)的互利關(guān)系。光合藻類(lèi)產(chǎn)生大量富含碳的化合物，例如糖，它們將其轉(zhuǎn)移到宿主珊瑚中以產(chǎn)生能量。
共生藻類(lèi)在吸收海水中溶解的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(例如硝酸鹽和磷酸鹽)方面也非常有效。即使在營(yíng)養(yǎng)貧乏的海洋中，這些化合物也可以作為附近生物體(例如海綿)的排泄產(chǎn)物被發(fā)現(xiàn)。它們也可以通過(guò)洋流轉(zhuǎn)移到珊瑚礁。
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了什么
與它們的共生體相反，珊瑚宿主不能直接吸收或使用溶解的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，到目前為止，還不清楚這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如何促進(jìn)珊瑚的生長(zhǎng)。然而，南安普頓大學(xué)的科學(xué)家與包括英國(guó)蘭卡斯特大學(xué)、特拉維夫大學(xué)和以色列耶路撒冷大學(xué)在內(nèi)的合作者團(tuán)隊(duì)合作，已經(jīng)確定了將這些必需的生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移到珊瑚動(dòng)物體內(nèi)的機(jī)制。 。
他們的研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上。
通過(guò)在南安普頓大學(xué)珊瑚礁實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一系列長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們證明，珊瑚實(shí)際上會(huì)消化一些共生體種群，以獲取共生體從水中吸收的氮和磷。當(dāng)水中有足夠的溶解無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，這種機(jī)制可以使珊瑚快速生長(zhǎng)，即使它們沒(méi)有接受任何額外的食物。印度洋偏遠(yuǎn)珊瑚礁環(huán)礁的實(shí)地考察結(jié)果支持了實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，表明這種機(jī)制在生態(tài)系統(tǒng)層面促進(jìn)了野生珊瑚的生長(zhǎng)。
主要作者之一、南安普頓珊瑚生物學(xué)副教授 Cecilia D'Angelo 博士評(píng)論道：“多年來(lái)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)性水族館系統(tǒng)中繁殖共生珊瑚，我們觀察到它們即使在沒(méi)有吃飽。目前的知識(shí)水平無(wú)法解釋共生體的兩個(gè)伙伴如何交換營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此我們認(rèn)為我們遺漏了很大一部分，并開(kāi)始系統(tǒng)地分析這個(gè)過(guò)程。”
進(jìn)行了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)的珊瑚礁實(shí)驗(yàn)室研究員洛雷托·馬爾多內(nèi)斯-維洛佐博士補(bǔ)充道：“人們預(yù)計(jì)動(dòng)物如果不吃東西就會(huì)死亡或停止生長(zhǎng)。然而，如果我們將珊瑚放在溶解無(wú)機(jī)養(yǎng)分含量較高的水中，它們看起來(lái)會(huì)非?？鞓?lè)并且生長(zhǎng)得很快。”
研究結(jié)果背后的科學(xué)研究
人員使用一種專(zhuān)門(mén)標(biāo)記的化合物來(lái)追蹤共生伙伴之間必需營(yíng)養(yǎng)氮的移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中使用的化學(xué)形式的氮只能通過(guò)共生體整合到它們的細(xì)胞中，而不能通過(guò)珊瑚宿主整合到細(xì)胞中。
南安普頓大學(xué)穩(wěn)定同位素質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理巴斯蒂安·漢巴赫 (Bastian Hambach) 解釋說(shuō)：“我們使用同位素標(biāo)記，用比正常情況下更重的氮原子來(lái)‘增加’供應(yīng)給珊瑚的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。這些同位素使我們能夠使用超靈敏的檢測(cè)方法追蹤珊瑚對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的使用。”
南安普頓大學(xué)古海洋學(xué)家保羅·威爾遜教授補(bǔ)充道：“通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，我們可以明確地證明，維持珊瑚組織生長(zhǎng)的氮原子來(lái)自于實(shí)驗(yàn)中向共生體提供的溶解的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。 ”
南安普頓大學(xué)的 Jörg Wiedenmann 教授補(bǔ)充道：“我們使用 10 種不同的珊瑚物種來(lái)量化共生體種群如何與其宿主一起生長(zhǎng)。利用共生體生長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型，我們可以證明珊瑚會(huì)消化共生體種群中多余的部分，以獲取生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)。我們的數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)共生珊瑚都可以通過(guò)這樣的‘素食’來(lái)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)。”
科學(xué)家們還分析了印度洋島嶼周?chē)L(zhǎng)的珊瑚，有些珊瑚上有海鳥(niǎo)，有些沒(méi)有，以表明??珊瑚有潛力在野外生長(zhǎng)并以共生體為食。
蘭卡斯特大學(xué)海洋生態(tài)學(xué)家尼克·格雷厄姆教授解釋說(shuō)：“其中一些島嶼周?chē)纳汉鹘斧@得了大量來(lái)自‘鳥(niǎo)糞’的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，鳥(niǎo)糞是在島嶼上筑巢的海鳥(niǎo)的排泄物。在其他島嶼上，海鳥(niǎo)棲息地已被入侵的老鼠摧毀。因此，相關(guān)的珊瑚礁接收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較少。我們測(cè)量了有或沒(méi)有密集海鳥(niǎo)種群的島嶼周?chē)菇巧汉魅郝涞纳L(zhǎng)情況，發(fā)現(xiàn)有海鳥(niǎo)營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的珊瑚礁的生長(zhǎng)速度是其兩倍多。
“我們計(jì)算出，來(lái)自有海鳥(niǎo)的島嶼的珊瑚動(dòng)物組織中大約一半的氮分子可以追溯到共生體的吸收以及隨后轉(zhuǎn)移到宿主。”
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