来源：麻省理工学院                                                        发布时间：2022 年1 月3 日

麻省理工学院的一项研究发现，与细菌（紫色）和共同捕食者（橙色）的关系实际上决定了微生物的生存范围。图片：麻省理工学院

       原绿球藻是地球上最小、最丰富的光合生物体。单个原绿球藻细胞与人类的红细胞相比像小不点，但在全球范围内，原绿球藻的数量却达到了千兆，并且在将阳光转化为能量的过程中，产生了世界上大部分的氧气。

       原绿球藻可以在海洋温暖的表层水域中找到，在靠近两极的地区它们的数量急剧下降。科学家们假设，与许多海洋物种一样，原绿球藻的生存范围是由温度决定的：水温越低，微生物生存的可能性就越小。但麻省理工学院的研究人员发现，微生物的栖息地并非主要由温度决定。虽然原绿球藻种群在较冷水域中确实会减少，但决定微生物分布范围的是与共同捕食者的关系，而不是温度。这些发现发表在《美国国家科学院院刊》杂志上，可以帮助科学家预测微生物种群将如何随着气候变化而变化。

       研究团队注意到数据中存在一种奇怪的不一致现象。研究团队分析了2003年、2016年和2017年在东北太平洋航行的几艘科考船的观测结果。每艘船都穿越了不同的纬度，连续地对水域进行采样，并测量各种细菌和浮游植物（包括原绿球藻）的浓度。研究团队利用公开存档的巡航数据，绘制出原绿球藻明显减少或骤降的位置，以及每个位置的海洋温度。令人惊讶的是，他们发现原绿球藻的骤降发生在温度变化很大的地区，从13摄氏度到18摄氏度不等。奇怪的是，该范围的上限已在实验室实验中显示为原绿球藻生长和繁殖的合适条件。因此，研究人员认为温度本身无法解释这些原绿球藻下降现象。

       研究人员提出可以从原绿球藻和营养供应关系之间寻找线索。原绿球藻光合作用中会产生碳水化合物，这些化合物是异养细菌的必需营养物质。异养细菌是不进行光合作用，但以浮游植物产生的有机物为生的单细胞生物。研究人员猜想，如果异样细菌的食物因为其他产生碳水化合物的浮游植物的增加而增加，那么原绿球藻和异样细菌的平衡将如何改变? 研究团队还想知道：如果异样细菌和原绿球藻大小相同，那么这两种细菌很可能具有相同的捕食者。异养微生物此时的种群如何随着碳水化合物供应的变化而变化?

       为了验证这一想法，研究人员模拟了海洋环流和海洋生态系统的相互作用。该团队运行环流模型（MITgcm），模拟了世界各地的洋流和上升流区域。并建立了一个生物地球化学模型，模拟营养物质在海洋中的重新分配方式。为此，研究人员将一个复杂的生态系统模型联系起来，该模型模拟了许多不同种类的细菌和浮游植物（包括原绿球藻）之间的相互作用。

       当没有加入细菌的情况下进行模拟时，研究人员发现原绿球藻一直存在于两极，这与理论和观察结果相反。当他们加入描述微生物、细菌和共同捕食者之间关系的方程式时，原绿球藻的活动范围偏离了两极，这与最初的科考船的观测结果相吻合。特别是，研究团队观察到原绿球藻在营养水平非常低的水域中大量繁殖，且原绿球藻是细菌的主要食物来源。这些水域也恰好是温暖的，原绿球藻和异养生物，以及它们共同的捕食者，在平衡中生存。但在营养更丰富的环境中，如极地地区，冷水和营养物质从深海上涌而出，更多种类的浮游植物可以茁壮成长。然后异养生物可以享用和生长更多的食物来源，反过来喂养和生长更多的共同捕食者。而无法满足异养生物消耗量的原绿球藻，迅速被消灭。

       该研究结果表明，原绿球藻的生存范围是与共同捕食者的关系决定的，而不是温度。将这一机制纳入模型对于预测微生物——可能还有其他海洋物种——将如何随着气候变化而变化至关重要。

原文链接：https://news.mit.edu/2022/prochlorococcus-location-predators-0103

编译：刘晓琳