深海并非孤岛！科学家发现海洋“传送带”将生命带入黑暗

对于微生物来说，洋流是通向更深层的“高速公路”

新研究表明，一些海洋中最小的生物会被卷入水下洋流，这些洋流就像一条管道，将它们从阳光充足的表面运送到更深、更暗的深海，在那里它们对海洋化学和生态系统产生巨大影响。

弗雷利希在攻读博士学位期间与伍兹霍尔高级科学家阿玛拉·马哈德万（Amala Mahadevan）一起进行了这项研究，并与海洋生物实验室高级科学家亚历山德拉·Z·沃登（Alexandra Z. Worden）及其团队密切合作。

研究小组发现的洋流被称为入侵洋流，它们通过卷走微生物，帮助改变了深海食物种类，同时也从水面输送了大量碳。这有助于为海洋食物链中的其他生物提供食物，并增加了深海生态系统的复杂性，影响水下生命和化学的运作方式。总而言之，这项研究挑战了人们对碳如何通过海洋阳光层的光合作用转化为有机物并运输到深海的传统理解。

简而言之，这篇发表在《美国国家科学院院刊》上的文章主要研究了海洋中的三维入侵现象。研究者发现，海洋锋面处的水体下沉，形成三维的入侵结构，将表层富含碳、叶绿素和氧气的微生物群落带入深海。这种现象打破了人们对深海环境的传统认知，表明深海并非完全孤立，表层海洋的生物活动会对深海生态系统产生显著影响。

参考文献：Mara A. Freilich, Camille Poirier, Mathieu Dever, Eva Alou-Font, John Allen, Andrea Cabornero, Lisa Sudek, Chang Jae Choi, Simón Ruiz, Ananda Pascual, J. Thomas Farrar, T. M. Shaun Johnston, Eric A. D’Asaro, Alexandra Z. Worden, Amala Mahadevan. 3D intrusions transport active surface microbial assemblages to the dark ocean. (PDF)  Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; 121 (19) DOI: 10.1073/pnas.2319937121

一、什么是海洋锋面？

海洋锋面，简单来说，就是海洋中不同性质水体之间的交界线。就像陆地上的山脉分隔着不同的气候和生态系统一样，海洋锋面也分隔着不同温度、盐度、密度等特征的水体。想象一下你把一壶热水和一壶冷水倒进一个大水盆里，热水会浮在上面，冷水沉在下面，而在两者交界处，就会形成一个明显的温度差异区域，这就是一个简单的锋面模型。

海洋锋面有什么作用？海洋锋面区域往往营养物质丰富，吸引了大量的浮游生物，进而吸引鱼类等海洋生物聚集，形成了重要的渔场。海洋锋面在海洋和大气的热量交换、物质输送中扮演着重要角色，对气候变化有着深远的影响。海洋锋面是海洋环流的重要组成部分，对全球海洋的物质和能量输送起着关键作用。

海洋锋面是如何形成的？海洋锋面的形成受多方面影响，主要受到温度差异、盐度差异、密度差异、洋流和风的作用等影响。

• 温度差异： 不同海域的温度差异是形成锋面的主要原因之一。
• 盐度差异： 不同海域的盐度差异也会导致锋面的形成。
• 密度差异： 温度和盐度的差异会引起海水密度的变化，进而形成密度锋面。
• 洋流和风的作用： 洋流和风的作用会推动不同水团的运动，从而形成锋面。

海洋锋面根据其形成原因和特征可以分为温度锋面、盐度锋面、密度锋面、动力锋面。

• 温度锋面： 由温度差异形成的锋面。
• 盐度锋面： 由盐度差异形成的锋面。
• 密度锋面： 由密度差异形成的锋面。
• 动力锋面： 由洋流和风的作用形成的锋面。

海洋锋面是海洋中非常重要的一个现象，对渔业、气候、航海等方面都有着深远的影响。

二、什么是三维入侵？为什么海洋锋面会形成三维入侵？

三维入侵是海洋学中一个相对较新的概念，指的是密度较大的海水向密度较小的海水层中下沉的现象。这种下沉不是简单的垂直运动，而是伴随着水平方向的运动，形成一个三维的侵入结构。形象地说，就像一滴墨水滴入水中，墨水会逐渐向下扩散，同时向周围扩散，形成一个复杂的三维结构。

为什么海洋锋面会形成三维入侵？海洋锋面是不同性质海水交汇的区域，通常伴随着密度差异。当密度较大的海水（比如冷水或高盐度水）与密度较小的海水（比如暖水或低盐度水）相遇时，密度较大的海水由于重力作用会向下运动。然而，由于地球自转产生的科里奥利力以及海水的粘性等因素，这种下沉运动并不是简单的垂直运动，而是会伴随着水平方向的运动，形成复杂的三维结构。

三维入侵形成的主要原因包括密度差异、科里奥利力、地形影响。

• 密度差异： 这是三维入侵的根本原因。密度较大的海水总是倾向于向密度较小的海水层中下沉。
• 科里奥利力： 地球的自转使得运动物体受到科里奥利力的作用，导致下沉的海水在水平方向上发生偏转。
• 地形影响： 海底地形、大陆架等因素也会影响海水的运动，从而影响三维入侵的形态。

三维入侵是海洋中物质垂直输送的重要机制，将表层海水中的热量、盐度、营养物质等输送到深海。三维入侵对海洋生态系统有重要影响，它可以将表层富含营养物质的海水带入深海，为深海生物提供食物来源。三维入侵对海洋环流和气候变化有重要影响，它可以影响海洋热量的重新分布，从而影响全球气候。

三维入侵是海洋中一种重要的物理过程，它揭示了海洋内部复杂的运动规律。通过对三维入侵的研究，我们可以更好地理解海洋的物质循环、能量交换以及对气候变化的影响。

三、表层微生物如何影响深海生态系统？

表层微生物对深海生态系统的影响是近年来海洋科学研究的热点问题。虽然表层和深海看似相隔遥远，但两者之间存在着复杂的相互作用。

表层微生物是如何影响深海生态系统的呢？海洋中的环流系统，尤其是深海环流，将表层的物质和生物带入深海。表层死亡的生物、有机碎屑等在沉降过程中，携带了大量的微生物。这些微生物在深海中分解有机物，为深海生物提供能量来源。一些浮游生物，如桡足类和磷虾，白天在表层摄食，晚上垂直迁移到深海，将表层的有机物带入深海。这些生物体内的微生物也会随之进入深海。 海洋锋面是不同性质海水交汇的区域，常伴随强烈的垂直运动。表层富含营养盐和微生物的海水可以通过锋面下沉，将大量的有机物和微生物输送到深海。

表层沉降的有机物和微生物是深海生物的主要能量来源。表层微生物的引入可以增加深海微生物的多样性，影响深海生态系统的结构和功能。表层微生物参与了碳、氮、磷等元素的循环，对深海的生物地球化学过程产生重要影响。深海微生物对碳的埋藏和释放起着重要作用，从而影响全球气候变化。

表层微生物对深海生态系统的影响是多方面的、复杂的。通过海洋环流、垂直迁移、海洋锋面等途径，表层微生物将有机物和营养盐输送到深海，为深海生物提供食物和能量，并参与深海的物质循环和能量流动。

四、这项研究对我们以后研究海洋有什么意义？

Mara A. Freilich 等人的这项研究，通过揭示海洋三维入侵现象，为我们深入理解海洋生态系统、物质循环以及气候变化提供了新的视角。

传统上，我们认为表层海洋和深海是相对独立的生态系统。这项研究表明，表层和深海之间存在着紧密的联系，通过三维入侵，表层活跃的微生物群落可以快速输送到深海，影响深海的生态过程和生物地球化学循环。海洋是地球上最大的碳库。这项研究表明，三维入侵是海洋碳输送的重要机制之一。表层富含碳的有机物通过三维入侵被带入深海，从而影响海洋碳的长期储存。三维入侵过程的发现，为海洋模式提供了新的参数化方案。通过将三维入侵过程纳入海洋模式，可以更准确地模拟海洋的物质输送和能量转换过程。

这项研究强调了海洋过程的复杂性和多尺度性，促使科学家们从更广阔的时空尺度上研究海洋生态系统。了解海洋三维入侵过程，有助于我们评估人类活动对海洋生态系统的影响，为海洋保护提供科学依据。海洋三维入侵与海洋碳循环、气候变化密切相关。深入研究三维入侵，有助于我们更好地理解海洋在气候系统中的作用。

五、思考

不同海域的三维入侵频率和强度有何差异？ 是否存在特定的地理区域或海洋学条件更易发生三维入侵？气候变化对三维入侵频率和强度有何影响？ 海水温度、盐度、密度等的变化是否会改变三维入侵的发生概率？除了密度差异外，还有哪些因素可以驱动三维入侵？ 例如，湍流、潮汐、海底地形等因素是否会影响三维入侵？

三维入侵如何影响深海微生物群落的组成和功能？ 表层微生物的引入是否会改变深海微生物的代谢途径和生态位？三维入侵对深海生物多样性有何影响？ 表层微生物的引入是否会增加或减少深海生物的物种丰富度？三维入侵如何影响深海碳循环？ 表层有机碳通过三维入侵输送到深海，如何影响深海碳的埋藏和释放

三维入侵如何影响海洋中其他元素（如氮、磷）的循环？三维入侵是否会影响海洋酸化过程？

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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