印度洋的珊瑚：揭開神秘的海中“超級高速公路”

大海中的珊瑚幼蟲，是怎么從一個地方到另一個地方去的呢？“海洋與濕地”（OceanWetlands）小編注意到，2024年3月12日發(fā)表的一項最新研究成果顯示，盡管分布在千百萬平方公里的范圍中、彼此遙遠，塞舌爾群島周圍的遙遠珊瑚礁之間，竟然存在密切的聯(lián)系。英國牛津大學(xué)的研究人員利用基因分析和海洋模擬，發(fā)現(xiàn)了這個驚人的真相，并首次將其發(fā)表在《科學(xué)報告》期刊上。研究團隊揭示了海洋洋流網(wǎng)絡(luò)在這些島嶼間傳播大量珊瑚幼蟲的機制，被形象地稱為“珊瑚超級高速公路”。

該研究由牛津大學(xué)的April Burt博士（來自牛津大學(xué)生物系，塞舌爾群島基金會）領(lǐng)導(dǎo)。Burt博士指出，這項發(fā)現(xiàn)對于珊瑚礁的恢復(fù)至關(guān)重要，而珊瑚幼蟲供應(yīng)則是關(guān)鍵因素之一。盡管氣候變化和其他因素導(dǎo)致全球珊瑚數(shù)量急劇下降，但通過了解珊瑚礁之間的連接性，可以更有效地采取行動來改善珊瑚礁的健康和韌性。

研究人員與各種珊瑚礁管理組織以及塞舌爾政府合作，收集了來自19個不同珊瑚礁的樣本。通過全面的基因分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)了所有樣本站點之間的基因流動，甚至可能發(fā)生在幾代之內(nèi)。研究結(jié)果還暗示了常見的澄黃濱珊瑚（Porites lutea）可能存在一種新的隱性物種。

隨后，研究人員將基因分析與海洋模擬相結(jié)合，模擬了珊瑚幼蟲擴散的過程。這些模擬顯示了珊瑚幼蟲在整個地區(qū)之間“旅行”的路徑，并確定了物理幼蟲擴散與其他生物過程在珊瑚連接性中的相對重要性。

具體研究方法：揭秘塞舌爾珊瑚礁系統(tǒng)遺傳連接

塞舌爾群島位于印度洋西南部，擁有豐富多樣的珊瑚礁系統(tǒng)。這些珊瑚礁就像是絢麗多彩的活躍生命之花，千姿百態(tài)。這些珊瑚礁釋放出珊瑚幼蟲，而這些幼蟲則被海洋洋流帶往新的目的地——海洋生態(tài)連通性，將這些來自塞舌爾的“禮物”送到了其他國家的海域。

珊瑚幼蟲擴散是珊瑚礁生態(tài)學(xué)的關(guān)鍵過程。該研究通過遺傳學(xué)方法和海洋模型相結(jié)合，深入探究了這一地區(qū)珊瑚礁之間的遺傳連接模式和海洋動力學(xué)特征。

研究團隊選擇了澄黃濱珊瑚（Porites lutea）作為關(guān)鍵物種，因為這種珊瑚在西印度洋（WIO）的珊瑚礁中廣泛分布、并且數(shù)量很多。他們從塞舌爾群島的19個珊瑚礁點采集了252個珊瑚樣本，并通過Qiagen DNeasy PowerSoil Pro Kits進行DNA提取，然后交由Novogene UK進行進一步的質(zhì)控檢測。

隨后，研究團隊利用GATK軟件調(diào)用SNPs，并經(jīng)過篩選和過濾，得到高質(zhì)量的SNPs用于后續(xù)的群體遺傳學(xué)分析。接著，他們利用ADMIXTURE和PCA等方法對樣本進行了群體結(jié)構(gòu)分析，識別了不同基因群體之間的遺傳差異和相似性?；贐A3-SNPs軟件計算的基因流值，反映了不同礁區(qū)之間的基因流量。此外，還計算了每個樣本區(qū)域的雜交系數(shù)，以驗證樣本之間的獨立性和避免可能的重復(fù)采樣。

為了模擬珊瑚幼蟲的擴散過程，該研究團隊采用SECoW系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于海洋表面流動，模擬了珊瑚幼蟲在不同礁區(qū)之間的傳輸過程。通過對模型參數(shù)進行敏感性分析，驗證了模型結(jié)果的可靠性。最后，通過Infomap算法對礁區(qū)進行聚類分析，識別了不同礁區(qū)之間的連接模式，并驗證了這些連接模式的穩(wěn)定性和一致性。

上圖：南西印度洋地圖上，以紅色線條連接著阿爾達布拉環(huán)礁（Aldabra Atoll）和塞舌爾（Seychelles）到模擬的下游珊瑚幼蟲目的地，主要位于東非地區(qū)。實線白色箭頭表示主要洋流系統(tǒng)，虛線白色箭頭表示次要或短暫的洋流。新的研究表明，在塞舌爾之間建立了強大的連接，可能通過東非礁區(qū)，以順時針方式游歷在塞舌爾內(nèi)部島嶼、偏遠的阿爾達布拉群島以及塞舌爾中心位置的珊瑚礁之間。圖片：諾姆·沃格特-文森特博士；來源：牛津大學(xué)

專家解讀

這項研究發(fā)現(xiàn)，珊瑚幼蟲在塞舌爾群島之間直接傳播的可能性極高。比如，來自偏遠的阿爾達布拉環(huán)礁的珊瑚幼蟲，可能會隨著東非沿岸洋流向西傳播，然后沿著海岸向北漂流，甚至有些可能會到達南赤道逆流，將它們帶回塞舌爾內(nèi)部的島嶼。

盡管這些長距離的傳播事件可能存在，但塞舌爾遠離海島之間的聯(lián)系，很可能是通過“跳躍石式”擴散建立的（換句話就是說，珊瑚幼蟲可能先從一個島嶼的珊瑚礁傳播到相對較近的另一個島嶼的珊瑚礁，然后再從那里傳播到更遠的島嶼；而不是直接從一個島嶼傳播到另一個島嶼）。這意味著位于塞舌爾和可能是東非中心位置的珊瑚礁可能在連接最遙遠的島嶼方面扮演著重要角色。

據(jù)該校地球科學(xué)系的Noam Vogt-Vincent博士介紹，這項研究揭示的預(yù)測連接性與觀察到的基因模式之間的一致性，支持了在塞舌爾和更廣泛地區(qū)的珊瑚礁系統(tǒng)管理中使用這種幼蟲擴散模擬的做法。

該研究團隊還開發(fā)了一個新的APP，能可視化珊瑚幼蟲從塞舌爾到整個地區(qū)的傳播路徑。他們認為，這些數(shù)據(jù)可以幫助確定主要的珊瑚幼蟲來源，并為海洋保護區(qū)或珊瑚礁恢復(fù)工作提供指導(dǎo)。

牛津大學(xué)生物系的 Lindsay Turnbull 教授表示，這項研究來得正是時候。全球再次關(guān)注著厄爾尼諾現(xiàn)象如何摧毀印度洋的珊瑚礁?，F(xiàn)在我們知道哪些珊瑚礁對于珊瑚恢復(fù)至關(guān)重要，但我們不能停止致力于減少溫室氣體排放和制止氣候變化的承諾。

海洋與濕地·小百科

海洋生態(tài)連通性

海洋生態(tài)連通性（marine ecological connectivity）指的是海洋生物群體之間相互聯(lián)系和相互作用的能力，包括基因流動、物種遷移和生態(tài)系統(tǒng)功能的維持。這種連通性在海洋生態(tài)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，促進了物種的繁衍和適應(yīng)，維持了生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定。海洋生態(tài)連通性有助于保持海洋生物多樣性，確保不同地區(qū)的生物群體之間能夠交換基因，適應(yīng)環(huán)境變化，同時維持生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和功能。

本研究發(fā)現(xiàn)了印度洋中的“珊瑚超級通道”，即遠程塞舌爾群島的珊瑚礁之間存在著重要的海洋生態(tài)連通性網(wǎng)絡(luò)。通過遺傳分析和海洋模擬，研究人員揭示了這些島嶼之間的海洋洋流承載了大量珊瑚幼蟲，從而促進了遠距離的珊瑚種群之間的基因交流和物種遷移。這項研究突顯了海洋生態(tài)連通性在維持珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和恢復(fù)能力方面的重要性，為制定有效的海洋保護和管理政策提供了科學(xué)依據(jù)。

主成分分析

主成分分析（Principal Component Analysis，簡稱PCA) 是一種常用的多元統(tǒng)計分析方法，用于降低數(shù)據(jù)的維度并發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的模式。在海洋生物多樣性研究中，PCA通常用于分析物種組成數(shù)據(jù)，包括物種豐富度、物種組合以及不同樣點或時間點的物種分布情況。

通過PCA分析，可以將高維度的物種組成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為較低維度的主成分，從而揭示樣本之間的相似性和差異性。通過觀察主成分之間的分布模式，研究人員可以識別不同海洋生物群落的組成和結(jié)構(gòu)，以及不同環(huán)境因素對物種組成的影響。此外，PCA還可以用于分析生態(tài)系統(tǒng)中的環(huán)境變量，如溫度、鹽度、水深等對物種分布的影響。通過將環(huán)境變量數(shù)據(jù)與物種組成數(shù)據(jù)進行聯(lián)合PCA分析，可以揭示環(huán)境因子與生物多樣性之間的關(guān)系，進而推斷生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、生物多樣性保護策略以及環(huán)境變化對生物多樣性的影響。

思考題 | 舉一反三

Q1. 在氣候變化不斷加劇的背景下，了解珊瑚之間的連接性如何影響其生存和恢復(fù)至關(guān)重要。那么，這項研究結(jié)果對于全球珊瑚礁保護有何重要意義？

Q2. 在面對全球氣候變化和人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響時，我們應(yīng)該如何利用這項研究成果來指導(dǎo)海洋保護區(qū)的規(guī)劃和管理？以及如何通過政策和行動保護這些關(guān)鍵的珊瑚“超級高速公路”？

Q3. 研究團隊提到了可能存在的新珊瑚物種，這是否意味著我們對海洋生物多樣性的認識仍然存在遺漏？如何加強對于海洋生物的研究與保護，以確保我們能夠全面了解和保護這些關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)？

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新聞源 | 牛津大學(xué)、Scientific Reports、Seymsp

編譯 |王芊佳

審核 | Maggie

排版 | 綠葉

參考資料略