Clam feeding plasticity reduces herbivore vulnerability to ocean warming and acidification

蛤蜊攝食的可塑性降低了食草動物對海洋變暖和酸化的脆弱性

來源：School of Biological and Marine Sciences  Faculty of Science and Engineering  2020-01-20

 

摘要核心發(fā)現(xiàn)

 

論文揭示：海洋變暖（+3℃）和酸化（pH降低0.35單位）通過改變蛤蜊（Scrobicularia plana）的攝食行為（從懸浮攝食為主轉(zhuǎn)向沉積物攝食），重塑了沉積物生態(tài)系統(tǒng)的相互作用網(wǎng)絡(luò)。這種行為可塑性緩沖了氣候脅迫對草食動物的負面影響——當(dāng)蛤蜊存在時，表層無脊椎動物（如螺類Peringia ulvae和線蟲）的存活率顯著提升，因其通過改變營養(yǎng)鹽供給促進了底棲微藻（草食動物的食物資源）的生長質(zhì)量。

 

研究目的

 

1.揭示關(guān)鍵物種（蛤蜊）的行為可塑性如何介導(dǎo)海洋變暖與酸化對沉積物群落的級聯(lián)效應(yīng)

2.量化攝食模式轉(zhuǎn)變對營養(yǎng)循環(huán)和群落恢復(fù)力的影響機制

3.驗證非致死效應(yīng)（行為適應(yīng)）在預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)氣候變化中的重要性

 

研究思路

 

雙實驗設(shè)計：

 

1.行為實驗：單獨培養(yǎng)蛤蜊，通過壓力傳感器記錄其攝食行為（懸浮/沉積物攝食）對變暖+酸化的響應(yīng)。

2.群落實驗：培養(yǎng)完整沉積物群落（含底棲微藻、多毛類、螺類等），操縱：

 

氣候條件（常溫常pH vs. 變暖+酸化）

 

蛤蜊存在/缺失

 

測定：孔隙水營養(yǎng)鹽、微藻生物量/活性、無脊椎動物密度

 

分析方法：

 

結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）解析物種互作網(wǎng)絡(luò)（圖4）

 

 

混合效應(yīng)模型檢驗氣候×蛤蜊的交互效應(yīng)

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)與來源

 

1.蛤蜊攝食行為轉(zhuǎn)變（圖1）：

 

 

酸化使懸浮攝食頻率↓53%（p=0.028），變暖使沉積物攝食時間↑40%（p=0.040）

 

意義：規(guī)避酸化水體對生理的脅迫（如能量代謝紊亂）

2.微藻與營養(yǎng)鹽動態(tài)（圖2）：

 

 

變暖+酸化使微藻生物量↓28%（p=0.031），但蛤蜊存在時活微藻比例↑（圖2f）

 

蛤蜊降低孔隙水NO??濃度（常溫下p=0.037；圖2c），促進營養(yǎng)向微藻轉(zhuǎn)移

3.無脊椎動物響應(yīng)（圖3）：

 

 

螺類P. ulvae密度在無蛤蜊時↓92%（p<0.001；圖3b）

 

線蟲密度在無蛤蜊時↓65%（p<0.001；圖3d）

 

意義：蛤蜊通過"營養(yǎng)級聯(lián)效應(yīng)"提升草食動物耐受力

4.互作網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)（圖4）：

 

常溫下：蛤蜊→（抑制多毛類Hediste→緩解對微藻的捕食壓力）

 

變暖+酸化下：網(wǎng)絡(luò)簡化，蛤蜊→（直接促進微藻→支持螺類生存）

 

核心結(jié)論

 

1.行為緩沖機制：蛤蜊轉(zhuǎn)向沉積物攝食減少酸化水體攝入，同時通過生物擾動提升孔隙水營養(yǎng)供給，維持微藻食物質(zhì)量。

2.群落級聯(lián)效應(yīng)：蛤蜊存在時，草食動物（螺類/線蟲）死亡率↓40-65%，證明關(guān)鍵物種行為可塑性增強生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力。

3.管理啟示：預(yù)測氣候變化影響需納入非致死效應(yīng)（如行為適應(yīng)），單純死亡率模型會高估脆弱性。

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的獨特價值

技術(shù)優(yōu)勢

 

 

微尺度pH測量：針尖500μm的Unisense pH電極實現(xiàn)沉積物剖面垂向高分辨率測量（3mm間隔；方法部分）

 

原位驗證：直接量化孔隙水pH梯度（Extended Data Fig. 1），發(fā)現(xiàn)：

 

酸化水體（pH~7.45）中，沉積物表層（0-3mm）pH仍維持~7.65，證實碳酸鹽沉積物的強緩沖能力

 

關(guān)鍵科學(xué)貢獻

 

1.揭示行為轉(zhuǎn)變的生理驅(qū)動：

 

電極數(shù)據(jù)證實沉積物是"酸化避難所"（表層pH比上覆水高0.2單位），解釋蛤蜊轉(zhuǎn)向沉積物攝食的合理性——規(guī)避高碳酸血癥對能量代謝的損害。

2.量化生境修飾效應(yīng)：

 

蛤蜊的灌溉行為（通過Unisense壓力傳感器記錄；圖1c-d）增加深層氧化，促進硝化作用（NO??生成），為微藻提供氮源——連通生物行為-化學(xué)環(huán)境-營養(yǎng)供給的因果鏈。

3.支撐模型可靠性：

 

電極實測pH作為SEM模型的輸入?yún)?shù)，確保氣候處理效應(yīng)（酸化）的精確量化，避免傳統(tǒng)水柱測量的偏差。

 

理論意義

 

Unisense電極數(shù)據(jù)為"沉積物緩沖假說"（Carbonate Buffering Hypothesis）提供實證：

 

碳酸鹽沉積物通過化學(xué)緩沖（CaCO?溶解消耗H?）部分抵消酸化壓力，但生物需通過行為適應(yīng)（如蛤蜊鉆潛）主動利用此緩沖帶。這一機制對預(yù)測沿岸生態(tài)系統(tǒng)韌性至關(guān)重要，尤其在高排放情景下。

 

總結(jié)

 

本研究通過多尺度實驗證明：蛤蜊的攝食可塑性是沉積物群落抵抗氣候脅迫的關(guān)鍵樞紐。丹麥Unisense電極的核心貢獻在于原位量化微環(huán)境化學(xué)梯度，揭示生物行為與地球化學(xué)反饋的互作機制。未來氣候生態(tài)學(xué)研究需整合此類高分辨率傳感器技術(shù)，以捕捉非致死適應(yīng)的隱性生態(tài)功能。