原绿球藻是地球上最小、最丰富的光合生物体。一个原绿球藻细胞与人类的红血球相比简直是小不点，但在全球范围内，原绿球藻的数量却达到了千兆，并且在将阳光转化为能量的过程中，产生了世界上很大一部分的氧气。
原绿球藻可以在海洋温暖的表层水域中找到，它们的数量在靠近两极的地区急剧下降。科学家们认为，与许多海洋物种一样，原绿球藻的生存范围是由温度决定的:水温越低，微生物在那里生存的可能性就越小。
但麻省理工学院的科学家们发现，微生物生活在哪里主要不是由温度决定的。虽然原绿球藻的数量在较冷的水域中确实下降了，但这是与共同的捕食者的关联，而不是温度，设定了这种微生物的范围。今天发表在《美国国家科学院院刊》(proceedings of the National Academy of Sciences)上的这些发现，可以帮助科学家预测微生物种群将如何随着气候变化而变化。
麻省理工学院地球、大气和行星科学系（EApS）高级研究科学家斯蒂芬妮·杜特基维茨（Stephanie Dutkiewicz）说：“人们认为，如果海洋变暖，原绿球菌会向极地移动。这可能是真的，但不是原因。所以，温度有点像是在转移注意力。”
温度的崩溃
虽然温度被认为决定了原绿球藻和海洋中其他浮游植物的范围，但Follett, Dutkiewicz和他们的同事注意到数据中有一个奇怪的不一致。
该团队研究了2003年、2016年和2017年穿越东北太平洋的几艘科考船的观测结果。每艘船都穿越不同的纬度，连续地对水域进行采样，并测量各种细菌和浮游植物的浓度，包括原绿球藻。
麻省理工学院的研究小组利用公开存档的巡航数据，绘制出原绿球藻明显减少或崩溃的位置，以及每个位置的海洋温度。令人惊讶的是，他们发现原绿球藻的崩溃发生在温度变化很大的地区，从13摄氏度到18摄氏度不等。奇怪的是，实验室实验表明，这个范围的上端是原绿球藻生长和繁殖的合适条件。
“温度本身并不能解释我们在哪里看到这些下降，”Follett说。
Follett还想出了一个与原绿球藻和营养供应有关的替代方案。作为光合作用的副产品，这种微生物会产生碳水化合物——一种异养细菌的必需营养物质。异养细菌是一种单细胞生物，不进行光合作用，而是依靠浮游植物产生的有机物生存。
“在这个过程中，我想知道，如果原绿球藻的产量增加，会发生什么?如果我们拿起那个旋钮，转动它会怎么样?”Follett说。
换句话说，如果原绿球藻和细菌的食物因为其他产生碳水化合物的浮游植物的增加而增加，那么原绿球藻和细菌的平衡将如何改变?研究小组还想知道:如果这种细菌和原绿球藻大小相同，那么这两种细菌很可能共用一种食草动物或捕食者。食草动物的数量如何随着碳水化合物供应的变化而变化?
Dutkiewicz说:“然后我们开始在白板上写下方程式，并解决各种情况下的问题。我们意识到，一旦进入一个环境，其他物种加入了碳水化合物，细菌和食草动物就会生长，并消灭原绿球藻。”
营养的转变
为了验证这一想法，研究人员采用了海洋环流和海洋生态系统相互作用的模拟。该团队运行了MITgcm，这是一个通用环流模型，在这种情况下，它模拟了世界各地的洋流和上升流区域。他们建立了一个生物地球化学模型，模拟海洋中的营养物质是如何重新分配的。为了实现这一切，他们建立了一个复杂的生态系统模型，该模型模拟了许多不同种类的细菌和浮游植物(包括原绿球藻)之间的相互作用。
当他们在没有考虑细菌表征的情况下进行模拟时，他们发现原绿球藻一直存在于两极，这与理论和观察结果相反。当他们加入描述微生物、细菌和共同捕食者之间关系的方程式时，原绿球藻的活动范围偏离了两极，这与最初的研究巡游的观察结果相吻合。
特别是，研究小组观察到原绿球藻在营养水平非常低的水域中大量繁殖，而原绿球藻是细菌的主要食物来源。这些水域也恰好是温暖的，原绿球藻和细菌，以及它们共同的捕食者，在平衡中生存。但在更富营养的环境中，如极地地区，冷水和营养物质从深海上涌而出，更多种类的浮游植物可以茁壮成长。然后细菌可以享用和生长更多的食物来源，反过来喂养和生长更多的共同捕食者。原绿球藻无法跟上，迅速被消灭。
结果表明，原绿球藻的活动范围是与共同捕食者的关系决定的，而不是温度。将这一机制纳入模型对于预测微生物——可能还有其他海洋物种——将如何随着气候变化而变化至关重要。
“原绿球藻是全球海洋变化的一个重要先兆，”Dutkiewicz说。“如果它的活动范围扩大，那就是一只金丝雀——这是海洋发生巨大变化的信号。”
“有理由相信，随着全球变暖，它的范围将扩大，但我们必须理解设定这些范围的物理机制。仅仅基于温度的预测是不正确的。”
杂志
美国国家科学院院刊
文章标题与异养细菌的营养相互作用限制了原绿球藻的生长范围