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探索深海生物多样性特点,阐释近海生态环境长期演变规律
发表时间 2017-10-23 14:57 来源 本站原创

  导读:我们生活的地球,海洋面积占了总面积的三分之二,海洋是生命的发源地。广阔的海洋给了我们丰富的海洋生物资源,其生物多样性远远超过陆生生物。人们可以利用它们做食品、药物工业原料等。所以我们更要了解关于海洋生物学的发展简史及海洋生物学对人类的研究意义。

  海洋生物学,是研究海洋中生命现象、过程及其规律的学科,是海洋科学的一个主要学科,也是生命科学的一个重要分支,它是研究海洋中生命有机体的起源,分布,形态和结构,进化与演替的特征和生物生命过程的活动规律;探索海洋生物之间和生物与其所处的海洋环境之间的相互作用和相互影响的科学。

  海洋生物包括海洋动物、海洋植物和海洋微生物。海洋是一个开放、多变、复杂的生态系统。正是海洋特殊的物理、化学因素的复杂性,造就了生命活动的复杂性,物种资源、基因功能和生态功能上的生物多样性。海洋生物的多样性和生态的平衡,是保证海洋生态系统的完整性的根本所在。海洋中生物资源极为丰富,生物活性物质种类繁多,并且正在为人类提供着大量的食品,多种材料和原料,具有可再生的特点。这已引起世界各国的重视,具有巨大开发潜力。因此应该大力加快海洋生物资源的开发利用研究。

  海洋生物资源的开发和利用已成为21世纪世界各海洋大国竞争的焦点,海洋生物基因资源的保护和利用,尤其显得重要。海洋生物种类占全球物种80%以上,与陆地生物不同的是,海洋生物有着独特的基因组和代谢规律,是开发海洋药物、生物制品、食品和其他功能产品的重要资源。

  海洋是生命起源的温床。如目前所发现的34个动物门中,海洋其实就占了33个门,而且其中有15个门的动物只能生活在海洋的环境,只有13个门可以栖居陆地。然而,由于过度捕捞、环境污染、海水养殖单一化等原因,海洋生物的多样性正在迅速衰退,根据世界粮农组织最近的统计,全球渔业资源中47%被充分捕捞,18%被过度捕捞,还有9%被捕捞殆尽。

  所谓生物多样性,是指所有来源的活的生物体的变异性,包括陆地海洋和其他水生生态系统及其所构成的生态综合体。生物多样性是物种种质资源适应多变的生存环境而得以维系生存、发展、进化的基础,包含物种多样性、遗传多样性和生态系统多样性等3个层次。保护海洋的生物多样性,其目的是为了开发和利用海洋生物资源。

  海洋生物首先是人类重要的食物来源,每年为全球人类提供了22%的动物蛋白。其次海洋也主宰着地球的气候变化、物质循环及整个生态系统正常的运作,如果海洋受到污染破坏,陆地上的生命也就会随之灭亡。海洋还是天然的医药宝库,在我国最早的药物专著《神农本草经》记载的365种药物中,有20种为海洋药物。近半个世纪以来,人类从海绵、海藻、海鞘、珊瑚、软体动物、棘皮动物、苔藓虫以及海洋微生物等海洋生物的体内分离鉴定了近2万种化合物,其中50%左右具有各种生理活性,是药物研究过程中的重要先导化合物来源。目前,我国某些高校及科研单位相继克隆了海蛇毒素、海葵毒素,水蛭素等一批功能基因;开展了基因重组芋螺毒素,基因重组藻蓝蛋白及基因重组鲨肝生长刺激因子和基因重组鲨鱼软骨新生血管生长因子的研究,有望开发成颇有潜力的基因工程创新药物。

  海洋生物资源的开发和利用已成为21世纪世界各海洋大国竞争的焦点。经过几十年来海洋科技工作者的调查研究,已在我国管辖海域记录到了20278 种海洋生物。这些海洋生物隶属于5个生物界、44个生物门。其中动物界的种类最多(12794种),原核生物界最少(229种)。

  我国的海洋生物种类约占全世界海洋生物总种数的10%。我国海域的海洋生物,按照分布情况大致可以分为水域海洋生物和滩涂海洋生物两大类。在水域海洋生物中,鱼类、头足类(例如我们常吃的乌贼,也叫墨鱼)和虾、蟹类是最主要的海洋生物。其中以鱼类的品种最多,数量最大,构成了水域海洋生物的主体。水域海洋生物种数的分布趋势是南多北少,即南海的种类较多,而黄海、渤海的种类较少。物种约占世界物种总数的10%,数量占50%。

  根据最新的调查资料,分布在我国滩涂上的海洋生物种类共有1580多种。其中以软体动物(也就是平常我们所说的贝类)最多,有513种,其次是海藻358种,甲壳类(主要是平常我们所说的虾、蟹)308种,其他类群种类很少。我国沿海滩涂生物的种数与海域生物一样,也是自北向南逐渐增多。全世界的科学家目前正在进行一项空前的合作计划,为所有的海洋生物进行鉴定和编写名录。海洋里到底有多少种生物?一项综合全球海域数据的调查报告出炉了。目前已经登录的海洋鱼类有15304种,最终预计海洋鱼类大约有2万种。而目前已知的海洋生物有21万种,预计实际的数量则在这个数字的10倍以上,即210万种。

  我们要进一步关心海洋、认识海洋、经略海洋,推动我国海洋强国建设不断取得新成就。海洋生物资源高值利用是一项极有发展潜力的希望产业,是我国战略性新兴产业重要的突破口,极有可能成为海洋生物产业发展的重要经济增长点。

  中国科学院海洋研究所李新正研究员课题组主要从事海洋无脊椎动物分类学、分子生物学、大型底栖生物生态学、深海海洋生物多样性和海洋环境监测等领域的研究和调查工作。近年来,承担科技部基础性工作专项、中国科学院战略性先导专项(A、B)子课题、973项目子课题、国家自然科学基金重大项目子课题、面上项目、国际合作项目,中国科学院知识创新方向性项目、特别支持项目、国际合作项目,国家海洋局海洋公益项目子任务等,均圆满完成工作任务或正在顺利进行当中。已发表学术专著4部、译著1部、科普专著1部,学术论文180余篇,其中SCI论文80余篇,获授权发明专利3项。

  目前,课题组在多个国际热点领域,如深海海洋生物多样性、分子系统学和大型底栖生物生态学等研究领域均取得了突破性进展。

  1.在深海海洋生物多样性领域,发表多个深海铠甲虾、深海海绵、深海多毛类的新种和新纪录种。铠甲虾类是深海底栖生物中的代表性类群,在一些深海生态系统中具有很高的生物量。本课题组对中国科学院海洋先导专项和大洋协会的深海调查航次采集来的近一百号铠甲虾类样品进行分类学研究,发现了35个物种,其中新种9种,新记录种5种,进一步向人们展示了深海铠甲虾的高物种多样性的特点。海绵动物是深海最常见的生物类群之一,本课题组利用已有的深海样品,报道了采自我国南海的1深海海绵新种——反脊冠海绵Lophophysema eversa Gong, Li & Qiu, 2014,打破了我国自1987年以来,近三十年无海绵新种报道的格局,这也是我国学者报道的第一个深海海绵新种。同时,本课题组还报道了深海海绵动物1新属:拟围线海绵Pheronemoides Gong & Li,2017,3新种:蛟龙棍棒海绵Semperella jiaolongae Gong, Li & Qiu, 2015,小六轴囊萼海绵Saccocalyx microhexactin Gong, Li & Qiu, 2015,蘑菇拟围线海绵Pheronemoides fungosum Gong & Li,2017,充实了我国深海海绵动物生物多样性内容。此外,还对比了自采自海山、热液、冷泉、海沟等西太平洋多种不同的深海生态环境的海绵样品,揭示了西太平洋各典型生态环境中海绵的种类构成和分布,相关研究正在进行中。多毛类也是深海海洋生物的优势类群,约占20%的种类数量,尤其是多鳞虫,占据深海多毛类类群的30%。本课题组对“蛟龙号”和“发现号”ROV采集的样品进行了研究,首次记录了位于中国南海北部冷泉区与贻贝共生的多鳞虫Branchipolynoe pettiboneaeMiura & Hashimoto, 1991,在冲绳海槽附近海域发现的自由生活的多鳞虫新种Lepidonotopodium okinawaeSui&Li,2017,打开了中国深海多毛类多样性研究的大门。此外,本课题组还发现了与深海珊瑚共生的多鳞虫种类和深海双栉虫种类,相关研究正在进行中。

  图1. 研究组发表的深海新物种图片

  2. 在分子系统学领域,对甲壳动物长臂虾总科的系统发育关系进行了重建,进而揭示了长臂虾类的扩散过程和分化历史并进一步提出印度-西太平洋共栖隐虾类与宿主的共栖关系是多重入侵的结果。近年来,本研究组成员活跃在甲壳动物长臂虾总科分子系统学研究的前沿领域,许多研究成果具有国际影响。本研究组采用线粒体基因和核蛋白编码基因对隐虾亚科最大的属——岩虾属及其15个邻近属的分类学地位和系统演化关系进行了分析讨论,首次从分子生物学角度支持了“岩虾属是一个复系群”的观点,该属需要进一步修订(Kou et al., 2013a)。随后,本研究组又相继对印度-西太平洋共栖生活的长臂虾类及其宿主的关系进行了深入探讨(Kou et al., 2015, 2016; Gan et al., 2015)。研究结合分子生物学、形态学、生态学数据,重建了长臂虾的分化历史,对深海生活的长臂虾的起源进行了探讨,提出了“共栖生活的长臂虾类是由自由生活的长臂虾类演化而来的”和“共栖生活的长臂虾类在演化过程中发生过多次宿主转移”等一系列假说,为研究长臂虾总科的起源和演化问题开启了新的视角,研究结果得到了国内外学术界的普遍认可。

  此外,本研究组又使用多种分子标记,对世界范围的长臂虾总科各科的分类学地位及其系统发育关系进行了全面探讨(Kou et al., 2013b; Gan et al., 2015)。研究进一步从分子生物学角度对膜角虾科、叶颚虾科、咔咔虾科的分类学地位进行了质疑,首次提出了“长臂虾科是一个复系群”的观点,并且对现行长臂虾总科的分类系统存在的问题进行了初步讨论。研究的结论为日后长臂虾总科高级分类系统的修订提供了重要的参考依据。本研究组还对其它甲壳动物类群(等足目、异尾下目、猬虾下目、对虾科等)开展了一系列分子系统学、种群遗传学的研究,研究对象涉及浅海到深海的各个类群。近期,本研究组正在开展基因组水平的分子系统学研究,从而有望解决以上类群在物种分化、协同演化和对环境的适应性等方面的一系列科学问题。


  图2. 长臂虾类系统发育关系和演化关系图

  3. 在底栖生物生态学领域,通过群落生态学方法,对1950s以来南黄海大型底栖动物的动态变化进行了阐述。本课题组研究了南黄海大型底栖动物群落在不同季节、不同时期以及不同海域的时空差异,重点讨论全球变化及人类活动对大型底栖动物的影响。

  根据2012年春季、夏季和秋季3个航次大型底栖动物的调查资料,研究了南黄海大型底栖动物群落的季节和空间分布特征。共采获大型底栖动物218种,其中多毛类动物和甲壳动物是优势类群。丰度随季节呈上升趋势。生物量和次级生产力均在春季最低,夏季最高。统计检验表明生物量的季节差异显著;物种数、次级生产力和Shannon-Weiner多样性指数的空间差异显著;丰度、均匀度和平均分类差异指数的季节差异和空间差异均不显著。大型底栖动物群落结构在季节之间和区域之间均存在显著差异。

  整理分析了1958-2014年南黄海西部(40 m以浅)、中部(40-70 m)和东部区域(70 m以深,即深水区)大型底栖动物调查数据,探讨南黄海大型底栖动物群落大尺度的时间和空间变化。从1958-2014年,多毛类动物丰度在西部区域增加,在东部区域减少,棘皮动物丰度则相反。对于大型底栖动物群落来说,Margalef丰富度(d)、Shannon-Wiener多样性(H’)和Pielou均匀度(J’)在东部区域显著低于其它两个区域。H’和d的时间差异均不显著。在种、属、科3个分类水平上,大型底栖动物群落结构在不同时期和不同区域均有显著差异。在东部区域丰度增加最明显的物种是浅水萨氏真蛇尾Ophiura sarsiivadicola。在西部区域丰度持续增加的物种包括5种多毛类动物(掌鳃索沙蚕Ninoe palmata、背蚓虫Notomastus latericeus、拟特须虫Paralacydonia paradoxa、奇异稚齿虫Paraprionospio pinnata和不倒翁虫Sternaspis scutata)。K优势度曲线分析表明西部和中部区域的物种多样性和优势种比例比较稳定。环境因子如深度、温度和盐度只能部分地解释南黄海大型底栖动物群落的变化。人类活动如底层拖网以及其它未测量的环境因子可能对大型底栖动物群落的长期变化有着更重要的影响。

  根据南黄海70m等深线处2个调查站位的数据,分析了南黄海大型底栖动物群落的长期变化及其与气候指数的关系,发现南黄海大型底栖动物群落结构的长期变化显著。群落结构的长期变化主要是由于2种软体动物(薄索足蛤Thyasirat okunagai和橄榄胡桃蛤Nucula tenuis)丰度的减少以及1种棘皮动物(浅水萨氏真蛇尾)、1种多毛类动物(背蚓虫)和1种双壳类动物(日本梯形蛤Portlandia japonica)丰度的增加。冗余分析表明太平洋年代际振荡(the Pacific Decadal Oscillation, PDO)和南方涛动指数(the Southern Oscillation Index, SOI)是显著影响南黄海大型底栖动物群落的气候指数。

  重要研究发现包括:南黄海大型底栖动物的长期变化主要受人类活动影响;受不同程度影响的区域,物种朝着不同方向演替,如近岸物种逐渐小型化和单一化,而远海物种保持稳定。

  图3. 南黄海大型底栖生物群落的长期演变图