动物粪便形成南极生物多样性热点

照片来源:当代生物学

这是我们的记者冯唐

荒凉的南极土地让生活变得艰难——除非你靠近海豹和企鹅的粪便。

根据一项新的研究，企鹅和海豹栖息地富含氮的粪便丰富了土壤，有助于在该地区形成生物多样性热点，其影响可以延伸到企鹅和海豹栖息地以外1000多米。相关研究发表在5月9日的《当代生物学》上。

生物多样性受到气候变化和其他人类活动的威胁，但为了评估相关影响，人们还需要确定物种在地球上的当前分布。在许多地区，特别是在遥远的南极大陆，很难预测物种的丰度和富集模式。

“主要问题是如何进入研究地点，那里大部分都非常荒凉或难以到达，而且没有人去那里。此外，南极洲只有有限数量的研究站，所以科学家可以安全工作的地方也有限。此外，南极陆地植被经常被雪覆盖，这使得科学家难以通过遥感对其进行量化。”该论文的通讯作者、荷兰阿姆斯特丹*大学生态科学系的斯特夫·博克斯特告诉《中国科学》。

在贫瘠的土地上寻找氮的旅程。

作为地球上最冷的大陆，温度和水在理解南极生物多样性模式方面受到了特别的关注，而氮却没有得到足够的关注。研究人员表示，鸟类输入的氮是地球许多地方的主要营养来源，企鹅和海豹输入的氮与南极某些地区植物生长和土壤呼吸的增加有关。然而，对于南极苔藓和地衣中氮浓度的增加对其相关食物网的影响知之甚少。

结果，Bokhorst和他的同事冒着南极的寒冷，穿过动物粪便和嘈杂的群象海豹、巴布亚企鹅、带帽企鹅和阿德利企鹅，研究它们聚居地周围的土壤和植物。

“我们的重点是粪便，这是陆地生态系统的主要氮源。我们可以利用氮的稳定同位素来追踪穿过食物网的氮。”博克斯特说。

研究人员从南极半岛的几个研究地点采集样本。他们分别从受企鹅影响和未受影响的地点收集苔藓和地衣样本，并从这些样本中提取无脊椎动物，如跳尾、螨虫、线虫和缓步动物。

"我们发现海豹和企鹅产生的部分粪便以氨的形式蒸发了。"Bokhorst说，“然后氨会被风吹到内陆，这样它就可以进入土壤，为主要生产者提供在这片土地上生存所需的氮。”

事实上，在这个过程中，氨可以富集240倍于菌落大小的区域。这一“受精”过程将导致苔藓和地衣群落的繁荣，这反过来又能支持数量惊人的小型无脊椎动物的生存。

过来数一数

“你可以在这里找到每平方米数百万的无脊椎动物，但在美国或欧洲的草原上，每平方米只有大约5万到10万只无脊椎动物。”博克斯特说，“我们已经在实验室里坐了几个月了，我们还在显微镜下鉴定了他们。即使在寒冷的南极气候下，长途旅行也比这项任务更容易。”

最后，一个被称为氮足迹的营养富集圈将会在这个群体周围形成。出乎意料的是，作者发现一个定居点的氮足迹与该地区的寒冷或干燥程度无关，但很大程度上取决于现存动物的数量。

“我们现在可以通过企鹅和海象预测一些南极地区的生物多样性热点，但我们不能在这些地方进行实地调查。”博克斯特说。

此外，研究结果表明，海洋和陆地生态系统之间有着密切的联系，企鹅和海象被用作媒介，表明气候变化或捕捞活动造成的海洋生态系统的任何变化都可能影响陆地生物多样性的格局。

利用这些信息，Bokhorst和其他人能够绘制南极半岛的生物多样性热点地图。重要的是，通过使用卫星图像来确定繁殖群体的位置和大小，这些地图可以很容易地更新，从而防止未来的研究人员进行艰苦的实地调查。

研究人员表示，这对于像南极洲这样的地区来说是重要的一步，因为南极洲幅员辽阔，温度低，极度荒凉，使得研究变得极其困难。

人类的不幸需要关注

研究人员强调，这次观察到的对现有生物多样性的主要威胁是气候变化和人类活动。

南极半岛生机勃勃的无脊椎动物群落长期以来几乎没有天敌，但入侵植物物种可能会改变这种状况。这些入侵物种的种子可能从南美洲和南美洲吹来，或者被海鸟和人类带入生态系统。

“企鹅和海豹群落丰富了本地植物的土壤，但也有可能使它们成为入侵物种的理想选择。入侵物种可能更顽强，为蜘蛛和甲虫等捕食性昆虫提供庇护。”伯克霍尔斯特说，“当然，这个系统的生产力仍然太低，无法支持像老鼠这样的哺乳动物。”

接下来，研究人员计划通过研究北极和南极入侵物种的作用来解决这些问题。他们的主要目标是确定企鹅和海豹群体的活动是否真的促进了入侵物种的成功生存，以及可以采取什么措施来防止入侵物种将来进入这些未受影响的区域。

“入侵物种的影响是我们未来工作的重点。我们相信入侵物种更有可能成功入侵南极企鹅和象海豹排泄的地方。这令人担忧，因为人类经常造访企鹅栖息地，并可能带来入侵的植物种子。迄今为止，人类最有可能是南极入侵物种的来源。”博克斯特说。

相关论文信息:http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2019.04.038

《中国科学日报》(2019-05-16第三版国际版)