地图上的线条是巡航轨道，覆盖温度。黄色区域的水温徘徊在 86 度左右，而两极的温度接近 32 度。研究人员使用 SeaFlow 连续流式细胞术沿线路径对原绿球藻丰度进行分类。图片来源：François Ribalet/华盛顿大学

名为原绿球藻的微小海洋微生物曾经被认为是气候幸存者，但随着海洋变暖，它们可能会陷入困境。

这些蓝藻驱动地球 5% 的光合作用，并支撑着大部分海洋食物网。十年的研究表明，它们只能在狭窄的温度范围内繁衍生息，海洋变暖可能会使热带水域的数量减少多达 50%。

海洋的微观动力源

海洋中最小的生物之一是被称为原绿球藻的微小单细胞生物。这些微生物属于蓝藻类，也称为蓝绿藻，它们构成了整个海洋食物网中动物食物供应的基础。如今，超过 75% 的阳光照射的表层海洋充满了原绿球藻，但科学家警告说，变暖的海水可能很快就会变得太热，它们无法繁衍生息。

原绿球藻被誉为海洋中最丰富的光合作用生物，约占地球上所有光合作用的 5%。由于它在热带水域自然繁衍生息，研究人员曾认为它可以轻松应对气候变化。然而，新的证据表明，这种微生物在 66 至 86 度的温度下生长最好，并且在高于该温度范围内很难生存。气候预测表明，在未来 75 年内，许多热带和亚热带地区将超过这一限制。

这张由电子显微镜捕获的图像显示了单个原绿球藻细胞。每个斑点都是一种微生物，直径仅为 500 纳米。作为参考，单根人类头发的宽度约为 100,000 纳米。图片来源：娜塔莉·凯洛格/华盛顿大学

全球食物链面临风险

“很长一段时间以来，科学家们都认为原绿球藻未来会做得很好，但在最温暖的地区，它们表现不佳，这意味着海洋食物网的其余部分的碳——食物——将会减少，”华盛顿大学海洋学研究副教授弗朗索瓦·里巴莱特 （François Ribalet） 说， 谁领导了这项研究。

他们的研究结果于 9 月 8 日发表在《自然微生物学》上。

海上大规模实地考察

在过去的 10 年里，Ribalet 及其同事已经进行了近 100 次研究巡航来研究原绿球藻。他的团队分析了全球 150,000 英里范围内大约 8000 亿个原绿球藻大小的细胞，以弄清楚它们的表现以及它们是否能够适应。

“我有非常基本的问题，”里巴莱特说。“天气温暖时，他们快乐吗？还是天气暖和的时候他们不高兴？大部分数据来自在实验室环境中培养的细胞，但 Ribalet 想在自然海洋环境中观察它们。他们使用称为 SeaFlow 的连续流式细胞仪在水中发射激光来测量细胞类型和大小。然后，他们建立了一个统计模型来实时监测细胞生长，而不会干扰微生物。

托马斯·汤普森 （Thomas G. Thompson） 研究船的日落，该船在数据收集巡航期间装有 SeaFlow 流式细胞仪。图片来源：Kathy Newer/华盛顿大学

温度：决定性因素

结果表明，细胞分裂的速度随纬度而变化，可能是由于可用营养物质的数量、阳光或温度造成的。研究人员在将温度归零之前排除了营养水平和阳光。原绿球藻在 66 至 84 度之间的水中繁殖效率最高，但高于 86 度，细胞分裂率直线下降，仅降至 66 度时观察到的速率的三分之一。细胞丰度也遵循相同的趋势。

几乎一无所有

在海洋中，混合将大部分营养物质从深处输送到地表。这种情况在温水中发生得更慢，而海洋最温暖地区的地表水营养稀缺。蓝藻是为数不多的适应在这些条件下生活的微生物之一。

“在热带近海，水是如此明亮美丽的蓝色，因为除了原绿球藻之外，里面几乎没有什么，”里巴莱特说。微生物可以在这些区域生存，因为它们需要的食物很少，而且非常小。它们的活动支持着大部分海洋食物链，从小型水生食草动物到鲸鱼。

船员在托马斯·汤普森号研究巡航期间工作。左侧的设备从不同深度收集水样。SeaFlow 流式细胞仪也在船上，但此处未显示。图片来源：Kathy Newer/华盛顿大学

进化权衡

数百万年来，原绿球藻已经完善了事半功倍的能力，脱落了不需要的基因，只保留了营养贫乏的热带水域中生命所必需的基因。这一策略取得了惊人的回报，但现在，随着海洋变暖的速度比以往任何时候都快，原绿球藻受到其基因组的限制。它无法找回很久以前被丢弃的应激反应基因。

“他们的倦怠温度比我们想象的要低得多，”里巴莱特说。以前的模型假设细胞将继续以它们无法维持的速度分裂，因为它们缺乏应对热应激的细胞机制。

可能的竞争对手：聚球菌

原绿球藻是主导热带和亚热带水域的两种蓝藻之一。另一种是聚球藻，体型更大，基因组不太精简。研究人员发现，虽然聚球藻可以忍受较温暖的水，但它需要更多的营养才能生存。如果原绿球藻数量减少，聚球藻可以帮助填补这一空白，但尚不清楚这会对食物链产生什么影响。

“如果聚球藻接管，其他生物体将无法像数百万年来与原绿球藻相互作用一样与它相互作用，”里巴莱特说。

托马斯·汤普森 （Thomas G. Thompson） 号上的日落，这是一艘华盛顿大学运营的研究船，配备远洋航行设备。左边可见的仪器是一个可以从不同深度收集的水采样器，SeaFlow 流式细胞仪也在船上，但这里没有图片。图片来源：Kathy Newer/华盛顿大学

气候模型预测急剧下降

气候预测根据温室气体排放趋势估计海洋温度。在这项研究中，研究人员测试了原绿球藻在中度和高温情况下的表现。在热带地区，适度变暖可能会使原绿球藻的生产力降低 17%，但更严重的变暖会将其减少 51%。在全球范围内，温和情景导致原绿球藻下降 10%，而温暖的预测使原绿球藻减少了 37%。

“他们的地理范围将向两极、北部和南部扩大，”里巴莱特说。“它们不会消失，但它们的栖息地会发生变化。”他补充说，这种转变可能会对亚热带和热带生态系统产生巨大影响。

悬而未决的问题仍然存在

尽管如此，研究人员还是承认他们研究的局限性。他们无法研究每个细胞或对每个水体进行采样。他们的测量基于合并的样品，这可能会掩盖耐热菌株的存在。

“这是对我们现在掌握的数据的最简单解释，”里巴莱特说。“如果出现耐热菌株的新证据，我们将欢迎这一发现。这将为这些关键生物带来希望。

参考文献：“未来的海洋变暖可能导致原绿球藻生物量和生产力大幅下降”，作者：François Ribalet、Stephanie Dutkiewicz、Erwan Monier 和 E. Virginia Armbrust，2025 年 9 月 8 日，《自然微生物学》。
DOI：10.1038/s41564-025-02106-4

合著者包括威斯康星大学海洋学教授 E. Virginia Armbrust;麻省理工学院可持续发展科学与战略中心的高级研究科学家斯蒂芬妮·杜特凯维奇（Stephanie Dutkiewicz）;以及气候适应研究中心联合主任、加州大学戴维斯分校土地、空气和水资源系副教授 Erwan Monier。

这项研究由西蒙斯基金会和麻省理工学院可持续发展科学与战略中心的其他政府、基金会和行业资助者资助。