蛟龍號深潛6699米拍攝到獅子魚，談談這些海洋底棲生物生態學熱點

5月30日「蛟龍」號載人潛水器在世界最深處的馬里亞納海溝6699米處，近距離拍攝到兩條獅子魚在深淵海底的游弋影像，這有助深淵魚類起源研究。本文藉此為您分享當今底棲生物生態學的研究熱點。

獅子魚是深淵特徵的生物物種，它們通常生活在6000米至8000多米的深淵區。中國科學院深淵科考隊曾在馬里亞納海溝和雅浦海溝通過深淵著陸器獲取過7000多米海底的多個獅子魚樣本。對它們的研究有助於了解深淵魚類的起源、演化及環境適應機制。

—— 彭曉彤

中國大洋38航次第三航段首席科學家

全球變化對海洋生態系統結構與功能的影響主要表現在不同時空尺度的海上觀測、現場實驗和實驗室模擬實現對生態系統結構和功能的深入了解。關鍵種的生態動力學，特別是對頂級捕食者的動態及生活史的研究，海洋增溫和酸化對關鍵種群、群落、生物多樣性和生態系統的影響。

開展區域尺度乃至全球尺度的狀態轉換（regim shifts）研究，實施大尺度長期的關鍵種群與非生物因子的監測、鑒別並檢驗兩者的相關及耦合程度及實施有效的管理決策。

海洋生態系統在結構和功能上，從一種局域的穩態向另一種局域穩態的突然轉變稱為狀態轉移（regime shifts）。驅動狀態轉移有三種過程：①非生物過程，如全球變暖（溫度升高）及大氣和海洋大尺度的振蕩（oscillation）；②生物過程由過度捕撈導致的食物網重建和關鍵種的動態變化，如上升流系統、沙丁魚和鯷魚種群的更替；③生境結構的改變，可由自然的非生物事件引起，如颶風，或由人類活動導致，如珊瑚礁的炸魚及由於紅樹林的破壞導致育幼場的丟失，外來種的引入是人類活動影響的另外一個例子。

以上三種驅動過程往往綜合在一起，難以分開。以上過程及其響應的空間尺度依生態系統類型不同而異。可從幾千米（如珊瑚礁）到幾千千米的海盆尺度（如北太平洋），然而，以上三種驅動過程和響應過程的時間尺度從數年到跨越數個年代際。當今，國際上已確定的狀態轉移，大多集中在魚類、浮遊動物和浮游植物。大型底棲動物的狀態轉移研究歷史尚短，小型底棲動物的狀態轉移研究則剛剛起步。

狀態轉移的研究需要多學科交叉和大數據支持，特別是長時間系列數據（至少跨越4 個年代際）的支持，為了探測系統內部的機制，往往需要跨越幾個營養級。藉助多元統計分析和多種模型，探測診斷已經出現的狀態轉移，並預測未來可能發生的狀態轉移，為生態系統健康評估和管理提供科學依據是當今全球變化和生態響應熱點之一。

必須考慮時、空尺度及生物結構尺度，即從基因到生物系統；與生態學過程（如生產力過程、競爭與攝食過程）緊密聯繫，開展多學科交叉，特別是與生物地化循環相聯繫。從功能多樣性的角度，應考慮海洋生物多樣性在生物地球化學循環中的作用，生態系統生產力和食物網結構。

海洋生物多樣性與陸地生物多樣性最大的區別在於，它與生態學過程緊密聯繫在一起，這是基於海洋的三維立體空間，物種的生命周期短，周轉率高，微型生物驅動的初級生產力和物質的分解過程，高的門類多樣性以及立界分明的沿岸系統生態學過程、離岸的生物海洋學過程和野外的實驗生態學。在海洋生物多樣性的研究中，既要考慮水層系統的多樣性，又需考慮底棲生態系統，包括沉積物環境的多樣性。因為兩者是藉助能流、物質循環和生活史緊密聯繫在一起的。

除了時間尺度和空間尺度，還應考慮生物結構的尺度，即從基因一直到生態系統。生物多樣性的計算不應只停留在一個營養級上，應開展多個營養級功能多樣性的比較。海洋生物多樣性的生態功能考慮已成為當今海洋生物多樣性和生物海洋學的另外一個研究熱點（Heip et al.，2003）。

深海或極端條件下化能合成生態系統（ChEss）

ChEss 包括熱液、冷泉、鯨骨，以及其他高度還原生境形成的生態系統，是當今國際海洋生物普查計劃的現場研究項目之一。由於對極端條件高壓、低溫、缺氧或無氧環境的適應，該生態系統的研究對全球生物地理學、物種形成、深海資源開發和生命起源探索，具有重大理論意義和潛在的應用價值。

自1977 年熱液生物群落被發現後，在全球海洋系統中100 多個熱液口生物群落中已發現超過550 種大型底棲動物，其特點是生物量非常高，但生物多樣性很低且具有極高比例的地方種。

2010 年在比利時根特大學召開的ChEss 研討會，搭建了一個研究還原條件與小型底棲生物的平台RoMeio，以總結和推動這一年輕的科學領域。已有的成果顯示，大型和小型底棲動物的數量與熱液排出量呈負相關，小型動物與大型動物的數量呈負相關，暗示與攝食有關。深海自由生活海洋線蟲已報道近700 種，而嚴格意義的ChEss 生境中記載的線蟲不足100 種，線蟲丰度往往超過鄰近正常海底區，但往往單一種佔優勢，屬的丰度與熱液和冷滲的溢出呈負相關；冷滲中出現的線蟲種和屬，類似於棲息在深水處的淺水種，而非典型的深海類群，熱液口線蟲區系與鄰近海底有高度的相似性，說明是對極端條件適應的結果。當前，除了進行小型底棲生物的分類，還應聯繫特定環境條件開展還原生態系統的整體研究，以及活動性和非活動性化能合成系統之間的過渡帶（ecotone）的研究（Vanreusel et al.，2010）。

底棲生態系統（底棲生物及沉積環境）作為碳的「匯」對生物泵和全球碳循環的貢獻；生物沉降與自然沉降的共同作用對碳循環的作用；有機物質的降解過程及營養鹽的再生過程，生物擾動過程及沉積物再懸浮過程；底棲食物網內的各類攝食過程；水層和底棲食物網的top-down 和bottom-up 控制過程；與生物地化循環相關的微生物過程。

得益於分子生物學技術（特別是DNA 和基因組測序技術）和生物信息學的進步，DNA 條形碼經過十年的發展為生物科學帶來了一場深刻的變革，影響到生物多樣性的研究方法並改變了我們對生態系統的認識。

本文摘編自《渤海底棲生物次級生產力與生物多樣性》（張志南等著. 責任編輯：萬峰. 北京：科學出版社, 2017.1）一書「第1章 緒論」。標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-051557-5

《渤海底棲生物次級生產力與生物多樣性》以水層-底棲耦合的學術思考和研究思路貫穿始終，全書共分12章。以緒論和渤海的自然環境作為開頭兩章，4~9 章是本書的核心，即生物生產力和生物多樣性，既顯示了大型底棲動物和小型底棲動物的同步觀測和綜合分析，將粒徑譜應用於次級生產力，也體現了傳統生物多樣性與現代分子多樣性的交叉和融合。第3 章和最後3 章生源要素的底-水交換過程、攝食過程、生物擾動過程以及水層-底棲耦合模式的建立，展示了多學科交叉，屬於水層-底棲耦合的關鍵生態學過程。本書對於渤海生態系統健康評估和管理及生物多樣性保護和可持續利用具有重要的理論意義和實踐價值。