极地实验揭示南极海冰藻类的季节周期

在南极洲周围的寒冷水域中，出现了不寻常的季节循环。冬季，从三月到十月，太阳几乎不升起。当海水结冰时，它会排斥盐分，从而形成一些超咸的盐水，微生物在冬天生活在那里。夏季，海冰在持续的日照下融化，在表面产生更温暖、更新鲜的水。

这个偏远的生态系统是南大洋大部分光合生命的家园。华盛顿大学的一项新研究首次测量了海冰藻类和其他单细胞生命如何适应这些季节性节律，为气候变化下环境变化可能发生的情况提供了线索。

这项研究于 9 月 15 日发表在国际微生物生态学会的ISME 期刊上，其中包含了一些关于海冰微生物如何应对不断变化的条件的首次测量结果。

我们对海冰微生物如何响应盐度和温度的变化知之甚少， 主要作者、华盛顿大学博士后研究员汉娜 道森 (Hannah Dawson)说，她在华盛顿大学攻读海洋学博士学位期间完成了这项工作。 到目前为止，我们对它们在化学反应中产生和使用的分子几乎一无所知，这些分子对于支持生态系统中的高等生物以及气候影响(例如碳储存和云形成)非常重要。

极地海洋在全球洋流和支持海洋生态系统方面发挥着重要作用。微生物构成了食物网的基础，支持着更大的生命形式。

极地海洋占世界海洋的很大一部分，这些水域的生产力非常高， 华盛顿大学海洋学助理教授、资深作者乔迪 杨( Jodi Young)说。 这些水域养育着大群磷虾、以这些磷虾为食的鲸鱼，以及北极熊或企鹅。整个生态系统的开始就是这些单细胞微观藻类。我们对他们知之甚少。

这些微小生物对气候也很重要，因为它们静静地进行光合作用并从大气中吸收碳。极地藻类特别擅长产生含硫分子，这些分子使海滩具有独特的气味，当它们以海浪的形式飘散到空气中时，会促进云的形成，从而减少太阳光线的穿透。

南极海冰虽然长期稳定，但今年却创下历史新低。

在其他海洋中，卫星仪器可以从太空捕捉到季节性浮游植物的剧烈繁殖 但这对于隐藏在海冰下的微生物来说是不可能的。前往南极水域尤其具有挑战性，研究人员在冬季几乎无法进行测量。

2018年底，道森和合著者苏珊 伦德尔前往位于南极洲西部半岛的研究站帕尔默站。他们每三天用一艘小船在附近的同一地点采样海水和海冰。

回到岸上，这两名研究生在水箱中进行了为期 10 天的实验，看看当温度和盐度被调节以模拟海冰的形成和融化时，哪些微生物会生长。他们还将样本运回西雅图，对样本的遗传学和代谢物(细胞产生的有机小分子)进行更复杂的测量。

结果揭示了单细胞藻类如何应对波动的环境。随着温度下降，细胞会产生类似于防冻剂的冷冻保护剂，以防止细胞液结晶。许多最常见的冷冻保护剂分子在不同的微生物生命体中都是相同的。

随着盐度的变化，为了避免在淡水中破裂或在咸味条件下像葡萄干一样干燥，细胞会改变盐状有机分子的浓度。许多此类分子具有冷冻保护剂的双重作用，可以平衡细胞内外的条件以维持水平衡。

结果表明，在短期温度和盐度变化下，每个样品的群落结构在调节保护分子产生的同时保持稳定。不同的微生物物种对不断变化的条件表现出一致的反应。杨说，这应该会简化未来应对气候变化的建模。

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