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跨学科研究探索浮游生物的多样性

  • 科学
  • 2020-07-16 08:32:25
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海洋浮游生物是海洋世界的漂流者。它们包括藻类,动物,细菌和原生生物,它们受潮流和潮流的支配。许多是微观的,尽管其他一些,例如水母,可以长到相对较大的尺寸。

几十年来,研究人员一直困惑于海洋浮游生物之间的多样性远高于预期。一般来说,任何给定的海洋样品中,有许多珍稀物种的浮游生物和小型的数量丰富的物种。冲绳科技大学研究生院(OIST)的研究人员在《科学进展》上发表了一篇论文,该论文将数学模型与宏基因组学和海洋科学相结合,揭示了为什么会如此。

OIST的生物复杂性研究组负责人西蒙妮·皮戈洛蒂(Simone Pigolotti)教授说:“多年来,科学家一直在问为什么海洋中有这么多物种。”Pigolotti教授解释说,浮游生物可以通过电流跨很远的距离运输,因此它们似乎不受扩散的限制。这表明,利基偏好是决定物种多样性的因素-换句话说,如果环境最适合单个物种,则该物种将胜过所有其他物种,从而导致只有少数几个高度丰富物种的社区。

皮戈洛蒂教授说:“我们的研究探索了洋流促进物种多样性的理论,不是因为它们帮助浮游生物扩散,而是因为它们实际上可以通过制造障碍来限制扩散。”“相反,当我们查看湖泊中几乎没有水流或没有水流的样本时,我们发现了更多的物种,但总数却更少。”

乍一看,这似乎违反直觉。但是,尽管洋流可能将浮游生物从一个区域运送到另一区域,但它们也阻止了浮游生物越过洋流的另一侧。因此,这些潮流减少了竞争并迫使每种浮游生物与其他物种共存,尽管数量很少。

将DNA测试与数学模型结合

一个多世纪以来,生态学家通过计算给定区域中鸟类或昆虫等物种的数量来衡量多样性。这使他们能够找到丰富物种与稀有物种的比例。如今,通过可预测物种分布的定量建模和宏基因组学简化了任务,研究人员不仅可以对物种进行计数,还可以有效地收集样品中的所有DNA。

OIST进化基因组学组负责人Tom Bourguignon教授说:“简单地计算样本中物种的数量非常耗时。”“随着测序技术的进步,我们只能进行一项测试,并拥有数千个代表浮游生物多样性的良好估计的DNA序列。”

对于这项研究,研究人员对原生生物-微观的,通常是单细胞浮游生物特别感兴趣。该小组创建了一个数学模型,该模型考虑了洋流在通过模拟确定原生生物谱系中的作用。他们不能仅仅在DNA层面上模拟一个有机主义者社区,因为会有大量的个体。因此,他们模拟了海洋中给定样本中的个体。

为了弄清个体之间的亲密关系以及它们是否属于同一物种,研究人员随后回顾了过去。皮戈洛蒂教授说:“我们创造的轨迹可以追溯到一百年前。”“如果在模拟的时间范围内有两个人来自同一祖先,那么我们将它们归为同一物种。”

他们具体测量的是物种数和每个物种的个体数。在有和没有洋流的情况下对模型进行了仿真。正如研究人员所假设的那样,它表明洋流的存在导致原生生物数量急剧增加,但每个物种的个体数量却下降了。

为了确认该模型的结果,研究人员随后分析了两项水生生物的研究数据集。第一个数据集是海洋生物的DNA序列,第二个是淡水生物的DNA序列。他们发现,平均而言,海洋样本包含更多的稀有物种和较少的丰富物种,并且总体而言,拥有更多的物种。这与模型的预测一致。

皮戈洛蒂教授说:“我们的研究结果支持了这样一种理论,即洋流通过形成障碍来积极影响稀有水生生物的多样性。”“该项目是跨学科的。通过将理论物理学,海洋科学和宏基因组学相结合,我们为生态学中与海洋生物多样性相关的经典问题提供了新的思路。”

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