看不见的海底“生态系统工程师”，氧气工厂，揭秘有孔虫如何塑造海底世界？

冲绳科学技术研究所 (OIST) 进化、细胞生物学和共生部门的科学家 Dewi Langlet 博士研究有孔虫，这是一种外壳由碳酸钙制成的单细胞生物。他和他的同事首次证明，单细胞生物在海洋生态系统中的挖洞会影响海洋沉积物中的氧气分布和细菌多样性。这是首次测量单细胞生物对沉积物氧含量和细菌多样性的影响。

有孔虫大多是海洋生物，已经存在了大约5.5亿年，当它们死亡时，它们的壳会堆积在海底，成为海洋沉积物的一部分。虽然它们是微生物（直径在 63 到 500 微米之间），但与其他单细胞生物相比，它们仍然“很大”，而且每个物种都有独特的形状。

研究发现，这些微小的生物通过生物扰动，促进了氧气在沉积物中的渗透，进而影响了沉积物中细菌的多样性。换句话说，底栖有孔虫在海洋生态系统中扮演着“土壤工程师”的角色，它们通过改变沉积物的物理和化学性质，塑造了独特的生态环境。有孔虫可以利用洞穴让氧气进入沉积物深处，从而使氧气含量增加 15% 至 20%。

参考文献：Dewi Langlet, Florian Mermillod-Blondin, Noémie Deldicq, Arthur Bauville, Gwendoline Duong, Lara Konecny, Mylène Hugoni, Lionel Denis, Vincent M. P. Bouchet. Single-celled bioturbators: benthic foraminifera mediate oxygen penetration and prokaryotic diversity in intertidal sediment. Biogeosciences, 2023; 20 (23): 4875 DOI: 10.5194/bg-20-4875-2023

一、为什么小小的有孔虫能对整个生态系统产生如此大的影响？

有孔虫，这种单细胞生物虽然个头微小，却在海洋生态系统中扮演着举足轻重的角色。

它们通过生物扰动、建造栖息地、影响食物网以及指示环境变化等方式，在海洋生态系统中不可或缺，对维持海洋生态平衡具有重要意义。

1. 生物扰动：翻耕海底的“农民”

• 改善沉积物通气性： 有孔虫在海底活动时，会不断地挖掘洞穴和隧道，这就像农民耕地一样，增加了沉积物中的孔隙，从而改善了沉积物的通气性。
• 促进物质交换： 更好的通气性意味着海水中的氧气可以更容易地渗透到沉积物中，而沉积物中的营养物质也可以更容易地释放出来，这对于生活在沉积物中的其他生物来说至关重要。

2. 塑造海底景观：建筑师与工程师

• 建造复杂的洞穴系统： 有孔虫建造的洞穴系统不仅为它们自己提供了栖息地，也为其他许多海洋生物提供了庇护所。
• 影响海底地貌： 长期来看，有孔虫的活动会对海底地貌产生显著的影响，塑造出独特的海底景观。

3. 影响食物网：初级生产者的重要消费者

• 控制藻类生长： 有孔虫以藻类为食，通过控制藻类的生长，它们在维持生态平衡方面发挥着重要作用。
• 作为食物来源： 同时，有孔虫又是许多其他海洋生物的食物，它们在海洋食物网中处于一个重要的位置。

4. 指示环境变化的“哨兵”

• 对环境变化敏感： 有孔虫的种类和分布会受到环境变化的影响，因此它们可以作为指示环境变化的“哨兵”。
• 重建古环境： 通过研究化石有孔虫，科学家可以重建过去的海洋环境，了解气候变化和地质事件对海洋生态系统的影响。

二、氧气在海洋沉积物中的作用是什么？

氧气在海洋沉积物中扮演着极其重要的角色，它直接影响着沉积物的物理、化学性质，以及其中生物的生存和活动。

 氧气是大多数微生物分解有机质所必需的。当有机物沉积到海底，在有氧条件下，微生物会将有机质氧化分解，释放出能量，同时产生二氧化碳和其他无机物。这个过程对于海洋碳循环至关重要。

有机质分解过程中，束缚在有机物中的营养元素（如氮、磷）会被释放出来，从而增加沉积物中营养盐的含量。这些营养盐可以被底栖生物吸收利用，也可以通过扩散或对流进入水体，影响上层水体的初级生产力。

在缺氧或无氧条件下，一些特殊的微生物会进行厌氧呼吸，产生硫化氢、甲烷等有害气体，这些气体不仅对生物有毒，还会影响沉积物的稳定性。氧气的存在可以抑制厌氧过程的发生。

氧气的存在会影响沉积物的氧化还原状态，从而改变沉积物的物理性质，如强度、孔隙度等。例如，氧化条件下，铁锰氧化物会沉淀，增强沉积物的稳定性。

不同的生物对氧气的需求不同。有氧生物需要氧气进行呼吸，而厌氧生物则在缺氧或无氧条件下生存。氧气的浓度变化会直接影响沉积物中生物的种类和数量，从而影响整个生态系统的结构和功能。

总结来说，氧气在海洋沉积物中起着调节物质循环、影响生物群落、维持生态平衡的重要作用。 氧气的含量和分布直接影响着沉积物的生物地球化学过程，进而影响整个海洋生态系统的健康。研究沉积物中的氧气含量对于了解海洋生态系统的物质循环、生物地球化学过程以及气候变化具有重要意义。

影响沉积物中氧气含量的因素有很多，包括初级生产力、水体中的溶解氧含量、底栖生物的活动、沉积物的类型和粒度。

• 初级生产力： 初级生产力越高，有机物输入量越大，氧消耗量也就越大。
• 水体中的溶解氧含量： 水体中的溶解氧通过扩散进入沉积物，因此水体中的溶解氧含量直接影响沉积物中的氧气含量。
• 底栖生物的活动： 底栖生物的呼吸作用会消耗氧气。
• 沉积物的类型和粒度： 沉积物的类型和粒度会影响沉积物的孔隙度和透水性，从而影响氧气的扩散。

三、细菌在海洋生态系统中扮演着什么角色

细菌在海洋生态系统中扮演着极其重要的角色，它们是海洋生态系统中最丰富、多样化的生物之一，参与了几乎所有的生物地球化学过程。

细菌在海洋生态系统中的主要作用包括有机质分解、初级生产、氮循环、硫循环、共生关系等。细菌通过分解有机质、参与物质循环，维持了海洋生态系统的平衡。 细菌的活动直接影响海洋初级生产力，从而影响整个海洋食物网。海洋细菌参与碳循环，对全球气候变化具有重要影响。海洋细菌是生物技术研究的重要资源，可以用于开发新的药物、酶和生物材料。

• 有机质分解者： 细菌是海洋中最主要的分解者，它们能够将复杂的有机物分解成简单的无机物，从而将有机碳转化为无机碳，参与海洋碳循环。
• 初级生产者： 一些细菌，如蓝细菌，能够进行光合作用，固定大气中的二氧化碳，合成有机物，为海洋生态系统提供初级生产力。
• 氮循环： 细菌参与海洋中的氮循环，包括固氮作用、硝化作用和反硝化作用，从而影响海洋初级生产力和生物多样性。
• 硫循环： 细菌参与海洋中的硫循环，将硫化物氧化成硫酸盐，或将硫酸盐还原成硫化氢。
• 共生关系： 许多细菌与其他海洋生物建立了共生关系，例如，与珊瑚共生的细菌有助于珊瑚的生长和钙化。

总结来说，细菌是海洋生态系统中不可或缺的一环，它们在物质循环、能量流动、生态平衡等方面发挥着重要作用。

四、这项研究对我们了解海洋生态系统有什么意义？

这项研究对我们了解海洋生态系统具有非常重要的意义，它揭示了微小的底栖有孔虫在维持海洋生态平衡中所扮演的不可或缺的角色。 通过研究底栖有孔虫，我们对海洋生物的多样性有了更深入的了解。这些微小的生物虽然个体微小，但其种群数量庞大，且具有高度的物种多样性。 研究表明，底栖有孔虫通过生物扰动、影响沉积物通气性等方式，与其他海洋生物形成了复杂的相互作用关系，从而构建了复杂的海洋生态系统。底栖有孔虫在海洋物质循环中扮演着重要的角色。它们通过摄食、排泄和死亡等过程，参与了有机物的分解和营养盐的循环。了解底栖有孔虫在海洋生态系统中的作用，有助于我们评估人类活动对海洋生态系统的影响，并为海洋生态系统的保护和修复提供科学依据。底栖有孔虫对环境变化非常敏感，其种群数量和分布可以作为指示环境变化的指标。通过研究底栖有孔虫，我们可以更好地了解气候变化对海洋生态系统的影响。

这项研究不仅拓展了我们对海洋生物多样性的认识，而且深化了我们对海洋生态系统功能的理解。

五、思考

有孔虫的活动与氧气渗透速率之间是否存在定量关系？不同种类的有孔虫，其生物扰动对氧气渗透的影响是否存在差异？ 有孔虫的活动如何改变沉积物的孔隙结构、粒度分布等物理性质？这些变化如何影响微生物的栖息环境？有孔虫如何选择特定的细菌共生？这些细菌在有孔虫的生长、繁殖和对环境的适应中发挥什么作用？

有孔虫在深海、浅海、极地等不同生态系统中的生物扰动作用是否具有普遍性？有孔虫与其他底栖生物（如多毛类、甲壳类）之间是否存在竞争或互利共生关系？有孔虫对生态系统物质循环、能量流动和生物多样性维持的贡献有多大？

海水温度升高、酸化等气候变化因素如何影响有孔虫的分布、丰度和生物扰动作用？污染物（如重金属、有机污染物）如何影响有孔虫的生理生化过程，进而影响其生物扰动作用？台风、赤潮等极端事件对有孔虫群落结构和生态功能的影响如何？

如何利用先进的成像技术（如同步辐射X射线CT）更精确地量化有孔虫的生物扰动？如何利用宏基因组学、宏转录组学等技术深入解析有孔虫与细菌的相互作用？如何利用稳定同位素技术追踪物质在有孔虫-细菌系统中的流动？

有孔虫能否作为一种新的生物指标，用于监测海洋环境的变化？有孔虫的生物扰动作用能否应用于海洋生态系统的修复？有孔虫的化石记录能否为古气候重建提供新的证据？

这些有趣的问题旨在激发你的思考，助你更深入地理解，希望能为你带来新的启示和帮助~~~

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