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1 研究揭示马里亚纳海沟底栖生物群落结构和多样性区别于冲绳海槽 2022-07-03

近日,中国科学院深海科学与工程研究所深海生物研究室海洋生物生态与进化研究组在国际期刊Deep Sea Research Part I:Oceanographic Research Papers上在线发表了题为“Comparison of structure and diversity of benthic communities in the Okinawa Trough and Mariana Trench by environmental DNA metabarcoding”的学术论文。研究利用环境DNA和高通量测序技术(即eDNA宏条形码),分析并比较了西北太平洋两个深海区域的底栖生物群落结构特征和多样性。 深海海底地域广大,具有丰富的生物多样性,但是长期以来由于受到采样技术和分析手段等多种因素的限制,人们对深海生态系统的认识仍然比较有限。目前有关深海生物多样性的研究虽然很多,但是多局限于6000 m以浅的区域,深度超过6000 m的深渊区域仍然是目前地球上探索最少的生态系统。随着人类活动和气候变化对深海的影响日益严重,为了保护深海生态系统,需要加快深海生物多样性的研究步伐。 过去很多对深渊底栖生物的调查结果显示,深渊底栖生物的丰度、多样性和群落组成和邻近深海或半深海环境有所不同,但这些研究主要是基于占有优势的大型底栖生物类群。环境DNA(eDNA)宏条形码是评估生物多样性的一种新方法。该方法将环境样品(例如,沉积物、水体或空气)和高通量测序技术结合,可以确定环境中出现的物种,并评估总体的生物多样性。相比传统方法,这种方法尤其适合研究微小的生物类群(例如,小型底栖动物),而这些微小生物类群在生态系统中往往数量庞大而且非常多样化。近年来海洋沉积物eDNA宏条形码研究也显示这种方法可以帮助人们认识深海底栖生物类群的多样性和种群分布模式。 研究团队以冲绳海槽(~500-1000 m)和马里亚纳海沟(~6500 m)为研究区域,利用沉积物DNA和两个核基因(28S和18S rRNA基因),比较了深海陆坡和深渊海沟区域底栖生物群落结构和多样性。 研究结果显示,冲绳海槽比马里亚纳海沟具有更多的真核生物类群,而且两个深海区域的底栖生物类群的组成是截然不同的。对28S rRNA基因序列,在OTU水平上,仅有7%的OTUs(Operational taxonomic units)是两个区域共有的,而即使在科的水平上,两个区域之间共有的科也仅占到20%左右。18S rRNA基因也具有相似的趋势。NMDS和聚类分析也显示两者间的群落组成是显著不同的(p<0.05)。 对两个区域后生动物类群的分析结果也显示冲绳海槽具有更多的后生动物门类,而且两个区域中的优势动物类群明显不同。28S rRNA基因数据显示,刺胞动物是冲绳海槽丰度最高的动物类群(序列丰度30.5%),其次是环节动物;而海沟中丰度最高(46%)的动物类群是线虫,其次是软体动物(16.4%)。海槽区多样性最高的为环节动物(33个OTUs,21个科);而在海沟区最多样的是线虫,具有21个OTUs(归属于10个科)。18S rRNA基因在海槽区显示了相似的结果,但是却发现在海沟中Xenacoelomorpha海洋蠕虫类丰度最高(34.2%),其次是线虫(22.9%),而且海沟中线虫是多样性最高的(19个OTUs,9个科)。 研究结果揭示了马里亚纳海沟底栖生物多样性低于陆坡区的冲绳海槽,而且两者具有显著不同的底栖生物群落。环节动物是海槽区多样性最高而且丰度较高的一大动物类群,而线虫则是海沟区最有优势的动物类群。在未来的工作中,研究团队将继续采集来自近岸沿海、深海平原及海沟底部的沉积物样品,利用环境DNA方法在更大尺度上解析底栖生物从浅海到深渊的分布模式。 论文信息: Jun Liu,Lvpei Du,Zhilei Sun,Haibin Zhang*,(2022)Comparison of structure and diversity of benthic communities in the Okinawa Trough and Mariana Trench by environmental DNA metabarcoding,Deep Sea Research Part I:Oceanographic Research Papers,185,103806,https://doi.org/10.1016/j.dsr.2022.103806    查看详细>>

来源:中科院深海科学与工程研究所 点击量:4

2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室在利用人工智能技术提升气候模式性能方面取得新进展 2022-07-03

近日,由青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋动力过程与气候功能实验室首席科学家张荣华研究员领衔的科研团队在明确的物理约束下设计了首个基于深度学习和湍流观测数据的海洋垂向混合参数化方案,并应用于海洋和气候模式中,其模拟效果优于基于物理经验关系的传统参数化方法,有效提升了海洋和气候模式的模拟性能。 自2021年诺贝尔物理学奖获得者真锅淑郎等人于1969年首次建立了涵盖全球大气、海洋等分系统的耦合模式以来,海气耦合模式一直是学界进行气候研究的重要工具。世界气候研究计划(WCRP)从1995年起,先后组织了六次国际耦合模式比较计划(如最近的CMIP6产品),这些计划极大推动了气候模式的发展和改进,并已成为政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估报告撰写的重要科学依据。然而,即使是2021年最新发布的CMIP6模式,其模拟结果与观测之间仍存在较大的系统性差异,这些误差严重制约了模式对当前气候模拟和未来气候变化预估的能力,并直接影响到IPCC报告的可信度。因此,气候模式误差的归因和消除一直是气候研究中的重要内容之一。 气候模式的系统性误差从何而来?在众多原因中,海洋垂向混合参数化方案存在很大的不确定性,是一个公认的重要误差来源。当前气候模式采用基于物理经验关系的参数化方案(如基于洋流切变和稳定度等海洋状态的KPP方案),而这些方案估算的混合系数与观测事实差异较大,很难准确地刻画观测到的海洋垂向湍流热交换过程,进而导致海温模拟等变量出现误差。尤其是在热带太平洋海区,基于物理关系的参数化方案估算的垂向涡扩散系数明显偏大和向下湍流热通量过强,是导致耦合模式中“冷舌”偏冷误差的重要原因。 参数化方案之所以出现不确定性,关键在于目前通用的方案都是基于预先假设的物理经验关系。由于目前对海洋湍流混合过程的物理认识还很有限,基于这些有限认识的经验关系自然会产生很大的不确定性。为解决这一难题,张荣华团队利用近十年热带太平洋海域的湍流观测记录,在明确的物理约束下,设计了首个基于深度学习的海洋垂向混合参数化方案。通过将其应用到海洋环流和海气耦合模式中,证实其对上层海洋垂向混合系数和垂向热通量表征的能力,从而有效改善了热带太平洋的温度模拟结果。 研究成果近期以“Physics-informed deep-learning parameterization of ocean vertical mixing improves climate simulations”(在明确的物理约束下基于数据驱动的人工智能方法对海洋垂直混合参数化的改进)为题发表于知名学术期刊National Science Review(国家科学评论;IF=23.178)。国际人工智能地球科学权威专家Gustau Camps-Valls教授特别撰文评述对研究成果进行评述,认为该研究以一种简洁(the beauty of the method lies in its simplicity)和切实可行(the work by Zhu et al.contributes in avery practical way)的方式,构建了性能更优的、泛化能力较强的参数化方案(the model is able to provide not only excellent parameterizations but also shows acertain degree of extrapolation/generalization),最终实现提升气候模式模式性能的目标。 成果由海洋动力过程与气候功能实验室朱聿超副研究员、张荣华研究员、王凡研究员、李晓峰研究员、李德磊副研究员以及美国俄勒冈州立大学James N.Moum教授共同完成。该研究得到了中科院海洋大科学研究中心、青岛海洋科学与技术试点国家实验室、中科院第四纪科学与全球变化卓越创新中心、中科院战略性先导科技专项和国家自然科学基金等项目的资助。 原文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwac044 查看详细>>

来源:青岛海洋科学与技术试点国家实验室 点击量:4

3 断层湖渗出深层气体分子种类及其对碳循环的贡献 2022-07-01

日本海洋研究开发机构(JAMSTEC)海洋资源利用研究所生物地球化学研究中心与信州大学和东京大学大气海洋研究所合作,确定了从湖中活跃渗出的气体主要成分的分子种类,阐明了具有代表性的断层湖Lake Suwa的起源。 Lake Suwa是位于北美板块与欧亚板块交界处的糸鱼川静冈构造线上的断层湖,湖内多处确认有活跃的渗出气。这个“地质热点”在仲冬季节形成大洞,进而影响湖冰的非均质性。然而,对生物地球化学循环的总体认识(包括这些气体的主要成分和来源)以及它们在释放到地表水圈后的动力学,在很大程度上仍然是未知的。 在本研究中,研究人员专注于气体中存在的分子种类,并进行了精确的分子特异性稳定碳同位素比/放射性碳同位素比分析。这些结果表明,渗出气的主要成分是甲烷,它来源于深层碳。这些结果还涉及对以前未知的深层渗出气和地表水圈对碳循环的贡献进行定量评估。研究人员预计,通过评估来自深层地下的热流平衡和详细的化学通量数据,可以更好地了解这个“地质热点”的碳循环的整体情况,并阐明水生生态系统中的食物链。相关研究成果发表在美国化学学会出版的专业学术期刊《地球与空间化学》(ACS Earth and Space Chemistry)上。(傅圆圆 编译) 查看详细>>

来源:日本国立海洋研究开发机构 点击量:0

4 通过研究气体泄漏事件以降低海洋钻探风险 2022-07-01

1964年,位于德国北海的一次海洋钻探活动诱发了海底气体喷发活动。最初的钻孔目前已被封盖,但高压气体利用现有自然管道系统,在距离钻井平台400米的位置发生了泄漏喷发,这次喷发在海底留下了一个直径500米,深度38米的火山口,名叫“Figge Maar”火山口。在这一过程中,近500万吨的沉积物发生运移,采取控制气体泄漏的方案均以失败告终。几个星期后,泄漏逐渐减弱,直至今天,“Figge Maar”依然有气体排放,但排放强度很低,主要由生物甲烷组成。钻孔现场被废弃,且自然回填了沉积物,目前仍有12米深。 为了评估深入海底钻探的风险,需要准确了解地质结构,特别是气体的自然路径。来自亥姆霍兹基尔海洋研究中心(GEOMAR)、基尔大学地球科学研究所(CAU)、瑞典斯德哥尔摩大学、德国联邦地球科学与自然资源研究所(BGR)和瑞典大学的科学家首次调查了导致1964德国北海钻探气体喷发事件,相关研究成果于2022年6月23日发表在《地球科学、系统与社会》(Earth Science,Systems and Society)期刊上。 了解气体的自然运移路径,对于海底的安全开发至关重要。“Figge Maar”火山口的例子表明了解自然界系统的作用方式可以避免不必要的危险。基于对气体自然运移路径的理解,科学家们希望通过制定合适的战略方针,探索并监测大气二氧化碳位于海底的潜在储存点,为永久性的安全储存提出更精确的要求。虽然目前不存在井喷的风险,但也应该避免较小的、慢速的二氧化碳泄漏,以实现长期可持续存储。(刘思青编译) 查看详细>>

来源:德国亥姆霍兹基尔海洋研究所 点击量:3

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