深海采矿探秘：水母研究揭示的海洋生物多样性影响挑战

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深海是地球上一个鲜为人知的动物群落的栖息地，但已经受到越来越多的人为环境压力。人们对这些生物如何应对这些压力的了解仍然有限。该研究由基尔海洋研究中心的科学家领导，首次为深海浮游水母对海洋变暖和深海挖矿引起的沉积物扰动的应激反应提供了初步见解。

对深海生物的一个潜在的可能性，是巨大的环境压力是与商业深海矿产开采有关的环境干扰。尽管采矿活动的目标是海底矿产，但它们也会扰动并泵送起海底的细粒沉积物，生成沿海底的悬浮沉积物“云”（称为泥浆）。一旦收集到船上，收集的沉积物将需要排放回水体。由于目前没有规定排放沉积物的水深，因此通过这种方式产生的沉积物云可能会在水体中延伸数十到数百公里。因此，深海采矿不仅会影响海底动物群落，还会影响水体中的动物群落，即所谓的中层水体。由于中层水体通常几乎没有沉积物，预计中层水体的动物对采矿引起的沉积物扰动将非常敏感。

图片来源：GEOMAR官网

该研究合著者之一，同时也是挪威研究中心（NORCE）海洋生态研究主任的海伦娜·豪斯博士表示：“中层水体对于全球海洋储存碳的能力至关重要，其‘居民’也是许多鱼类、鱿鱼和海洋哺乳动物物种的主要食物来源，因此是海洋食物链中的一个关键环节。它们在相对稳定的条件下进化，生活在不断食物匮乏的环境中，因此对环境变化更可能表现出敏感性。”基尔深海生态小组的高级作者、GEOMAR的深海生态研究组组长亨克-扬·霍温博士补充说：“中层水体的物种通常是脆弱的、胶质状的，有时还是巨大的生物，其代谢率低，很难在其自然环境中观察并进行实验。它们的物理脆弱性可能使它们特别容易受到环境干扰的影响。与此同时，我们对中层水体的探索只是刚刚开始，大多数生物多样性仍然未知，以及它们在生态系统中的功能和对变化的耐受性也尚不明了。”

尽管中层水体生态系统在全球范围内具有重要意义，但迄今为止很少有研究关注中层动物对环境压力的物种特异性响应。这正是研究人员此次试图填补的空白。

该研究的作者首次调查了一种中层生物——头盔水母（因其帽状形状而得名）对模拟沉积物扰动的应激反应。“由于确定水母中的‘压力’并不是一个简单的过程，我们从它们的生理学、基因表达、水母外部微生物共生体等多个角度研究了它们的反应”，该研究的合著者之一、GEOMAR和史密森尼学会的博士生范妮莎·斯滕弗斯解释道。

悬浮沉积物对水母的最强烈的视觉效应是沉积物颗粒在仅约1.5小时的培养后聚集在水母上，然后水母开始产生过多的粘液，慢慢地脱落。“虽然黏液有助于水母维持稳定的微生物群落，但持续的黏液产生是一种耗能的响应，可能会占据动物总能量预算的相当一部分”，斯滕弗斯补充道。

上图：a. 通过氧气光电极直接测得的呼吸速率（n=17个生物独立样本）。b. 氨（NH4）排泄。通过单因素方差分析和事后Tukey检验分析得到的显著差异用星号表示（p=0.004，n=21个生物独立样本）。c. 使用似然比检验（LRT）比较所有温度处理的80个显著差异过表达基因的热图。列表示样本编号。每行代表一个基因，颜色显示经过z-分数转换的表达值，其中蓝色表示低于平均表达，黄色表示高于平均表达。d，e. 在P. periphylla中显著表达的基因的生物过程的基因本体论（GO），通过LRT鉴定（n=11个生物独立样本），显示了d过表达基因和e低表达基因的富集GO术语。GO树中的点的大小表示基因的数量，颜色表示经过p调整的值（黄色<0.05，白色0.05，蓝色>0.05）。箱线图显示了在不同处理中的表达变化，来自附图1a。所有箱线图显示了中位数（中央线）和四分位距（IQR），须延伸到1.5倍IQR范围。源数据提供在源数据文件中。图片来源：Vanessa I. Stenvers, Helena Hauss等人

上图：a. 对悬浮泥沙引起的呼吸的估算，使用电子传递系统（ETS）活性测定（n=29个生物独立样本）。b. P. periphylla的平均健康评分，从0小时（浅蓝色）到24小时（深蓝色）。通过单因素方差分析和事后Tukey检验分析得到的显著差异用星号表示（p=0.003·10-4，n=43个生物独立样本，检查了n=18个处理组），以及在处理内不同时间点之间的差异（p=0.002·10−13，来自n=18个处理组的n=90个时间点）。数据表示为均值+/-标准差。c. 使用似然比检验（LRT）同时比较所有处理的121个显著差异过表达基因的热图。列表示样本编号。每行代表一个基因，颜色显示经过z-分数转换的表达值，其中蓝色表示低于平均表达，黄色表示高于平均表达。d，e. 在P. periphylla中显著表达的基因的生物过程的基因本体论（GO）富集，通过LRT鉴定（n=18个生物独立样本），显示了d过表达基因的富集GO术语（树被修剪以显示前50个术语）和e低表达基因。GO树中的点的大小表示基因的数量，颜色表示经过p调整的值（红色<0.05，白色0.05，蓝色>0.05）。箱线图显示了在不同处理中的表达变化，取自附图1。所有箱线图显示了中位数（中央线）和四分位距（IQR），须延伸到1.5倍IQR范围。图片来源：Vanessa I. Stenvers, Helena Hauss等人

此外，水母在最高沉积物浓度下显示出与呼吸、先天免疫和伤口修复相关的基因的显著表达，进一步表明其处于应激状态。水母在受到暴露后是否能够恢复仍然是进一步研究的课题，因为全面了解生态系统对压力因素的响应将需要时间。研究小组进一步强调，与海水温度升高的四度相比，悬浮沉积物引起的应激对头盔水母的影响更为严重。当前的气候预测认为，在未来的84年里，海水温度将升高一度，而只有在极端的全球变暖场景下才会上升四度。研究人员担心，导致能量消耗增加的应激因素，正如他们在头盔水母身上观察到的那样，将不得不通过增加食物摄入来满足。由于深海食物普遍稀缺，这最终可能导致饥饿问题。

上图是外钟体（水母外部的钟状结构）、海水和沉积物中与Periphylla periphylla相关的微生物群落组成。上图中，a. 相对微生物群落组成，显示在模拟温度（'temp'，左侧）和沉积物（'plume'，中间）处理中的所有门，与海水和沉积物参考样本（右侧）进行比较。b. 在实验、处理和对照中共享的引物序列变体（ASVs）。在右侧面板上通过点和线表示存在于不同处理中，左侧面板上显示了每种组合中ASVs的数量。在沉积物和模拟扩散云处理（17、167和333 mg L−1）之间独占共享的ASVs以红色突出显示。图片来源：Vanessa I. Stenvers, Helena Hauss等人

上图：基于钟体上积聚的沉积物数量和产生的粘液，绘制的健康评分。得分指标为：1. >30%的沉积物-粘液覆盖，粘液大量脱落（即在钟体、褶皱和触手上），2. <30%的沉积物-粘液覆盖，粘液中等程度脱落（即仅在褶皱上），3. 粉末状粘液覆盖，无粘液脱落，4. 钟体清洁。图片来源：Vanessa I. Stenvers, Helena Hauss等人

尽管需要更多来自不同中层物种的数据，以更好地了解深海挖矿的环境影响，但水母的应激反应可能代表了其他相似胶质动物的情况。胶质动物以其高含水量和类似胶状的组织而闻名，在深海生态系统中占据着丰富的生物组分，分布在生命之树的各个层次上。基于他们的总体发现，研究人员敦促在深海挖矿方面要保持谨慎，因为深海的许多重要生态系统服务可能会受到损害。

来自苏格兰海洋科学协会的合著者、安德鲁·K·斯威特曼教授总结说：“随着深海挖矿可能在未来十年内开始，这可能会扰乱附近的水体生态系统以及海底，理解挖矿和海洋变暖的综合效应至关重要。”研究小组希望他们的研究，为深海资源开发项目可能带来的中层水域影响提供了初步的了解，将被采矿公司和国际深海床管理局（ISA）考虑在内，以制定尽可能减少环境损害的采矿策略。

摄 ©绿会融媒·海洋与湿地

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编译 | 王芊佳

审 | 绿茵

排版 | 绿叶

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