從美國(guó)俄克拉荷馬大學(xué)出發(fā)，開車半個(gè)多小時(shí)，就來(lái)到一片一望無(wú)際的高草草原。2009年，這所大學(xué)的周集中教授在這里建了實(shí)驗(yàn)站，每年收集土壤樣本檢測(cè)微生物，形成了一個(gè)長(zhǎng)期的序列研究。
北京時(shí)間2021年2月23日，該團(tuán)隊(duì)在《自然—?dú)夂蜃兓飞习l(fā)表論文，稱氣候變暖可以讓土壤中的微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)變得更加穩(wěn)定。
這看起來(lái)是個(gè)好消息——但研究人員表示，問(wèn)題沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。
天變熱了，“我”也變強(qiáng)了
氣候變化的影響是廣泛而深遠(yuǎn)的。關(guān)于全球變暖如何影響動(dòng)植物和人類的生存，已經(jīng)有了許許多多的研究。但微生物的處境怎么樣？人們的認(rèn)識(shí)還相對(duì)匱乏。
“這很大程度上是因?yàn)榧夹g(shù)的不足。”論文共同第一作者、現(xiàn)為清華大學(xué)助理研究員的郭雪對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)，“直到2010年起，宏基因組技術(shù)逐步成熟，人們才有了研究微生物群落的有效方法?！?/p>
周集中在2009年建立實(shí)驗(yàn)站時(shí)，已經(jīng)意識(shí)到這項(xiàng)技術(shù)將在未來(lái)幾年發(fā)展壯大。他知道，是時(shí)候?yàn)檫@里的土壤微生物做一個(gè)“編年史”了。
研究人員在樣地上建立了24個(gè)人工增溫樣地，以24個(gè)常溫樣地作為對(duì)照。增溫樣地采用紅外燈不間斷加熱。從2010年到2014的5年間，增溫樣地的土壤溫度持續(xù)增加，他們逐年研究了土壤樣本中的微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)變化。
“生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是指在一定環(huán)境下，生物之間相互協(xié)作、相互拮抗的復(fù)雜關(guān)系，包括捕食、寄生、競(jìng)爭(zhēng)和共生等?！闭撐墓餐谝蛔髡?、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校博士后袁夢(mèng)婷向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋，“具體到微生物，我們無(wú)法直接觀測(cè)到它們?cè)诠δ苌系膹?fù)雜相互作用，因此創(chuàng)新性地用數(shù)據(jù)模擬構(gòu)建了微生物物種間的互作網(wǎng)絡(luò)?！?/p>
那么溫度究竟會(huì)怎樣影響微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性呢？在開展研究前，科研人員有兩種假設(shè)：一方面，根據(jù)代謝生態(tài)學(xué)理論，生物在較高溫度下生長(zhǎng)更快、更加活躍，彼此之間的相互作用也會(huì)更加密切，由此推測(cè)增溫會(huì)增加物種組合的復(fù)雜性，讓生態(tài)網(wǎng)絡(luò)變得更加穩(wěn)定；另一方面，根據(jù)人們對(duì)氣候變暖的認(rèn)識(shí)，升溫會(huì)對(duì)一些物種產(chǎn)生破壞性影響，因此微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)也可能會(huì)削弱甚至崩潰。
經(jīng)過(guò)連續(xù)5年的研究分析，他們發(fā)現(xiàn)增溫樣地上的微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)變得比對(duì)照組更加復(fù)雜和穩(wěn)定。
“根據(jù)我們通常的理解，氣候變暖正在降低生物多樣性、破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和功能。但這項(xiàng)研究顯示，至少這里的土壤微生物展現(xiàn)出了面對(duì)環(huán)境變化時(shí)強(qiáng)大的緩沖和適應(yīng)能力，這可能對(duì)維持草地生態(tài)系統(tǒng)的功能有一定正面作用。”論文通訊作者周集中說(shuō)。
定位實(shí)驗(yàn)增溫設(shè)置。課題組供圖
看不見的軍團(tuán)大有可為
從人類的視角看去，微生物似乎是天生的“配角”，我們很少意識(shí)到這些數(shù)不清、看不見的小小生命，在發(fā)揮多么巨大的作用。
但近幾年加速發(fā)展的微生物生態(tài)學(xué)認(rèn)為，在應(yīng)對(duì)全球變暖的種種“副作用”時(shí)，微生物可能是我們需要倚仗的一支強(qiáng)大軍團(tuán)。
2020年《科學(xué)》雜志發(fā)表的一篇綜述文章指出，在世界上許多地區(qū)，干旱的發(fā)生頻率和持續(xù)時(shí)間正在增加，而根系微生物的存在能大大提高植物對(duì)干旱的抵抗力，并且能幫助提升農(nóng)作物產(chǎn)量。文章作者建議：“我們有必要將生態(tài)學(xué)與植物、微生物和分子方法相結(jié)合，這是使作物生產(chǎn)更能適應(yīng)未來(lái)氣候的關(guān)鍵?！?/p>
“保護(hù)微生物和微生物之間的相互作用，對(duì)減輕氣候變暖引起的生物多樣性喪失及生態(tài)系統(tǒng)功能破壞，可能是非常重要的?！敝芗姓f(shuō)，“其實(shí)現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)有了一些方法，比如通過(guò)向土壤中添加有益微生物，提高植物的生長(zhǎng)速率和抗性，以抵消氣候變化帶來(lái)的減產(chǎn)?！?/p>
測(cè)定土壤微生物呼吸。課題組供圖
我們對(duì)氣候變暖過(guò)慮了嗎？
“在更溫暖的世界中，相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)功能可能沒(méi)有那么脆弱。”論文如此寫道。
這似乎是一個(gè)比較樂(lè)觀的結(jié)論，難道我們沒(méi)必要過(guò)分擔(dān)心全球變暖給地球生物帶來(lái)的影響嗎？
研究人員表示，這個(gè)問(wèn)題比想象中復(fù)雜。首先要看到，這只是在一個(gè)區(qū)域開展的定位實(shí)驗(yàn)，在多大程度上適用于其他生態(tài)系統(tǒng)還需要更多研究。
事實(shí)上，前不久一篇發(fā)表在《全球變化生物學(xué)》上的論文就指出，在增溫和干旱條件下，青藏高原高寒草地底層土壤微生物變得“又懶又低效”——“分解者”功能和“貢獻(xiàn)者”功能均顯著降低。
“這兩篇論文放在一起讀很有趣?！痹瑝?mèng)婷說(shuō)，“我們研究的區(qū)域（美國(guó)中部平原和青藏高原）、對(duì)象（表層土壤微生物和底層土壤微生物）和側(cè)重點(diǎn)（微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和微生物功能）不同，得出的結(jié)論——微生物對(duì)氣候變暖的響應(yīng)也存在極大差異。這正說(shuō)明，這是一個(gè)很復(fù)雜的研究領(lǐng)域，而我們了解的還很少很少?！?/p>
“這項(xiàng)研究中，最令我印象深刻的就是微生物表現(xiàn)出的強(qiáng)大適應(yīng)能力。”郭雪說(shuō)，“事實(shí)上，地球氣候在一直變遷，總會(huì)有一些生物能適應(yīng)新的環(huán)境，最終也總會(huì)形成新的生物群落?！?/p>
他們做研究的持續(xù)增溫樣地上，植被在不斷演替，適應(yīng)高溫的植物變得越來(lái)越多， 鼴鼠們?cè)絹?lái)越喜歡在這里打洞筑巢，2018年他們第一次發(fā)現(xiàn)了一棵仙人掌。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員的工作卻變得越來(lái)越辛苦，中暑的頻率越來(lái)越高。
“還是那句話：地球不需要拯救，人類需要拯救的是自己。”郭雪說(shuō)，“連微生物都在努力適應(yīng)氣候變化，我們?nèi)祟惛鼞?yīng)該采取行動(dòng)，積極地應(yīng)對(duì)?！?/p>
相關(guān)論文信息:
https://doi.org/10.1038/s41558-021-00989-9
10.1126/science.aaz5192
10.1111/gcb.15541
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