Effects of temperature on the behaviour and metabolism of an intertidal foraminifera and consequences for benthic ecosystem functioning  

溫度對(duì)潮間帶有孔蟲(chóng)的行為和代謝的影響及其對(duì)底棲生態(tài)系統(tǒng)功能的后果  

來(lái)源：Scientific Reports, Volume 11, Article number: 4013, 2021

《科學(xué)報(bào)告》，第11卷，文章編號(hào)：4013，2021年

 

摘要

討論了海洋熱浪加劇對(duì)潮間帶物種的影響，聚焦于溫帶優(yōu)勢(shì)有孔蟲(chóng)Haynesina germanica的行為和代謝響應(yīng)。研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)暴露個(gè)體于常規(guī)溫度（6-30°C）和極端高溫（32-36°C）下，發(fā)現(xiàn)高溫顯著降低其活動(dòng)性（活動(dòng)指數(shù)下降80%）、減少沉積物再加工（從10 mm3/個(gè)體/天降至0），并抑制光合作用；恢復(fù)實(shí)驗(yàn)顯示部分行為可恢復(fù)，但代謝影響持久。結(jié)論是熱浪可能長(zhǎng)期損害潮間帶泥質(zhì)生態(tài)系統(tǒng)的功能，特別是沉積物混合和有機(jī)質(zhì)礦化等關(guān)鍵生物地球化學(xué)循環(huán)。  

 

研究目的

旨在：(i) 實(shí)驗(yàn)描述Haynesina germanica在常規(guī)溫度（6-30°C）下運(yùn)動(dòng)行為和代謝率的響應(yīng)；(ii) 表征極端高溫?zé)崂耍?2-36°C）的影響；(iii) 評(píng)估物種在暴露于極端溫度（6°C和36°C）后的恢復(fù)能力，并討論這些響應(yīng)對(duì)底棲生態(tài)系統(tǒng)功能的潛在后果。  

 

研究思路

包括：(1) 樣本采集：從法國(guó)英吉利海峽潮間帶泥灘收集H. germanica活體樣本；(2) 溫度梯度實(shí)驗(yàn)：在可控培養(yǎng)箱中設(shè)置溫度梯度（6-36°C），進(jìn)行運(yùn)動(dòng)行為實(shí)驗(yàn)（使用延時(shí)攝影跟蹤個(gè)體軌跡24小時(shí)）和代謝實(shí)驗(yàn)（測(cè)量氧消耗和光合作用）；(3) 恢復(fù)實(shí)驗(yàn)：將暴露于6°C和36°C的個(gè)體轉(zhuǎn)移至18°C，監(jiān)測(cè)24小時(shí)恢復(fù)行為；(4) 數(shù)據(jù)分析：量化活動(dòng)指數(shù)、距離、速度、分形維度、垂直位置、沉積物再加工率及氧通量，結(jié)合統(tǒng)計(jì)方法（Kruskal-Wallis、ANOVA）評(píng)估溫度效應(yīng)。  

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. 運(yùn)動(dòng)行為數(shù)據(jù)：包括活動(dòng)指數(shù)（時(shí)間分配）、距離（24小時(shí)內(nèi)總位移）、速度、分形維度（軌跡復(fù)雜度）和垂直位置（在沉積物中的深度類(lèi)別）。這些數(shù)據(jù)來(lái)自Figure 2和Figure 3。研究意義是量化溫度如何影響有孔蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)效率和覓食策略，揭示其在熱浪下行為可塑性，幫助理解物種在潮間帶環(huán)境中的適應(yīng)機(jī)制，并為生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程（如沉積物混合）提供行為基礎(chǔ)。  

 

 

 

2. 沉積物再加工率數(shù)據(jù)：計(jì)算個(gè)體表面沉積物再加工率（SSRRi），基于個(gè)體大小和運(yùn)動(dòng)距離。這些數(shù)據(jù)來(lái)自Figure 6。研究意義是評(píng)估有孔蟲(chóng)對(duì)沉積物物理混合的貢獻(xiàn)，闡明熱浪如何通過(guò)減少生物擾動(dòng)影響底棲生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)（如有機(jī)質(zhì)降解和養(yǎng)分通量），為氣候變化下生物地球化學(xué)模型提供關(guān)鍵參數(shù)。  

 

3. 代謝率數(shù)據(jù)：包括氧消耗（呼吸速率）和光合作用（凈光合和總光合速率），使用Unisense微電極測(cè)量。這些數(shù)據(jù)來(lái)自Figure 5。研究意義是量化溫度對(duì)能量代謝的影響，揭示光合效率下降如何導(dǎo)致氧氣預(yù)算負(fù)值，解釋熱浪下物種生理壓力，并鏈接至生態(tài)系統(tǒng)尺度的氧氣通量和碳循環(huán)擾動(dòng)。  

 

4. 恢復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：包括暴露于極端溫度后轉(zhuǎn)移到18°C時(shí)的速度變化。這些數(shù)據(jù)來(lái)自Figure 4。研究意義是評(píng)估物種對(duì)熱浪的恢復(fù)潛力，顯示高溫暴露導(dǎo)致持久行為損傷（如速度未完全恢復(fù)），為預(yù)測(cè)氣候變化下物種恢復(fù)力和生態(tài)系統(tǒng)韌性提供依據(jù)。  

 

5. 氧氣預(yù)算數(shù)據(jù)：計(jì)算每日氧氣平衡（基于光合和呼吸速率），考慮光照暴露時(shí)間（6小時(shí)和12小時(shí)）。這些數(shù)據(jù)來(lái)自Figure 7。研究意義是量化有孔蟲(chóng)在生態(tài)系統(tǒng)中的凈氧氣貢獻(xiàn)，顯示熱浪下氧氣生產(chǎn)轉(zhuǎn)為負(fù)值，凸顯其對(duì)底棲缺氧環(huán)境的潛在惡化作用。  

 

 

結(jié)論  

1. 行為響應(yīng)：在常規(guī)溫度（6-30°C）下，H. germanica保持高活動(dòng)性（>90%時(shí)間移動(dòng)），速度峰值在24°C（1.74 mm/h）；極端高溫（>32°C）導(dǎo)致活動(dòng)驟降（<15%），個(gè)體迅速鉆入沉積物并停止運(yùn)動(dòng)，軌跡復(fù)雜度（分形維度）顯著增加至30°C但無(wú)法測(cè)量于32-36°C。  

2. 代謝響應(yīng)：呼吸和光合速率在18-24°C達(dá)到峰值，高溫（>24°C）導(dǎo)致光合效率劇降（Q10=0.32），恢復(fù)實(shí)驗(yàn)顯示36°C暴露后運(yùn)動(dòng)部分恢復(fù)但速度減半（0.57 vs. 1.7 mm/h），表明熱損傷部分不可逆。  

3. 生態(tài)系統(tǒng)功能影響：沉積物再加工率在24°C最高（10.1 mm3/個(gè)體/天），但在>32°C降至零；氧氣預(yù)算在熱浪下轉(zhuǎn)為負(fù)值，表明物種對(duì)沉積物混合和碳循環(huán)的貢獻(xiàn)被削弱。  

4. 熱浪后果：熱浪通過(guò)抑制行為和代謝，可能長(zhǎng)期損害潮間帶泥灘的生態(tài)系統(tǒng)功能，如有機(jī)質(zhì)礦化和生物地球化學(xué)循環(huán)，尤其在高頻熱浪事件下物種恢復(fù)力不足可能放大這些效應(yīng)。  

 

使用丹麥unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義  

使用丹麥Unisense微電極（Clark型氧微電極）測(cè)量的數(shù)據(jù)包括氧消耗和光合作用梯度，通過(guò)高分辨率（50 μm）垂直剖面測(cè)量沉積物微環(huán)境中的氧氣通量。研究意義在于：(1) 提供微觀尺度代謝量化：電極能在毫米級(jí)沉積物層中精確測(cè)量dC/dz（氧氣梯度），結(jié)合Fick擴(kuò)散定律計(jì)算氧通量（J = D × dC/dz），這克服了傳統(tǒng)批量方法的分辨率局限，直接關(guān)聯(lián)個(gè)體行為（如垂直位置）與代謝變化；(2) 揭示溫度敏感閾值：數(shù)據(jù)顯示呼吸速率在24°C達(dá)峰（55.7 pmol O?/個(gè)體/h），而光合速率在>24°C劇降（Q10=0.32），證實(shí)高溫優(yōu)先抑制光合作用，導(dǎo)致凈氧氣生產(chǎn)轉(zhuǎn)負(fù)，這對(duì)理解共生葉綠體在熱脅迫下的失效機(jī)制至關(guān)重要；(3) 支持生態(tài)系統(tǒng)建模：通過(guò)整合光暗循環(huán)數(shù)據(jù)（如12小時(shí)光照下的日氧氣預(yù)算），量化了物種對(duì)底棲氧氣通量的凈貢獻(xiàn)（常為負(fù)值），為預(yù)測(cè)熱浪下沉積物缺氧和碳循環(huán)擾動(dòng)提供生理基礎(chǔ)；(4) 方法學(xué)優(yōu)勢(shì)：電極校準(zhǔn)（兩點(diǎn)校準(zhǔn)法）和擴(kuò)散系數(shù)溫度校正確保了數(shù)據(jù)可靠性，使結(jié)果可直接比較全球潮間帶研究，如先前對(duì)類(lèi)似物種（Ammonia tepida）的代謝分析?？傮w而言，Unisense電極數(shù)據(jù)強(qiáng)化了從個(gè)體生理到生態(tài)系統(tǒng)功能的跨尺度鏈接，凸顯其在氣候變化生態(tài)毒理學(xué)中的關(guān)鍵作用。