2020 年春季，南加州附近水域发生了一次重大红潮事件，导致沿海地区生物发光的耀眼效果。这一奇观是由Lingulodinium polyedra（L. polyedra）的超高密度引起的，这是一种浮游生物物种，以其发出霓虹蓝色光芒的能力而闻名。
虽然红潮吸引了公众的注意力并成为全球头条新闻，但该事件也是一次有害的藻华。在水华高峰期检测到可能危害海洋生物的毒素，随着赤潮的极端生物量分解，溶解氧水平降至接近零。缺氧导致鱼类死亡和对当地生态系统的其他破坏性影响。
现在，由加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所和雅各布斯工程学院的科学家领导的一项研究首次确定了这种浮游生物物种 – 一种甲藻 – 如何能够创造出如此密集的花朵。答案在于甲藻具有非凡的游泳能力，这使它们比其他浮游植物物种具有竞争优势。根据作者的说法，这种游泳能力可以导致密集花朵的形成，包括生物发光品种的花朵。
“垂直游泳给甲藻带来竞争优势的想法实际上可以追溯到半个多世纪以前，但直到现在我们才拥有在该领域最终证明这一点的技术，”海洋学家德鲁卢卡斯说，他是该论文的资深作者，斯克里普斯海洋学和加州大学圣地亚哥分校机械与航空航天工程系的副教授。
卢卡斯和前研究生郑博福在2020年4月和5月的红潮事件中与几位同事一起领导了这项工作。研究人员抓住机会在圣地亚哥海岸部署了复杂的海洋仪器，产生了前所未有的测量结果。这项工作是由南加州沿海海洋观测系统（SCCOOS）通过美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的奖励提供的资助实现的。该团队的研究结果发表在8月28日的《美国国家科学院院刊》上，并作为封面故事展示。
甲藻 – 特别是L. polyedra – 被证明是高度移动的，白天向上游泳进行光合作用，晚上向下游泳以进入深层营养库。这导致水面的水色变红，因此被称为“红潮”，在下午最为突出。据记录，大量的甲藻在夜间向下行驶，尽管一部分留在地表水附近，导致夜间生物发光。作者发现，这种垂直迁移使甲藻能够超越其非移动竞争对手，包括其他浮游植物物种。
这项研究验证了斯克里普斯海洋学生物海洋学家理查德“迪克”埃普利最初提出的一个50年前的假设。他及其同事认为，甲藻的垂直迁移与有害藻华有关，这些藻华在南加州附近已被记录了至少120年。进行了广泛的实验室研究来支持这一想法，但直到 2020 年事件才在现场进行测试。
与许多甲藻物种一样， L. polyedra 被赋予了一对鞭毛 – 鞭状附属物，推动单细胞生物在水中。除了游泳能力外， L. polyedra 的速度也非常快，最高游泳速度可达每秒10个体长，持续近24小时。
“在浮游生物世界中，它们是迈克尔菲尔普斯，”卢卡斯在描述甲藻时说。“相比之下，蓝鳍金枪鱼或短鳍鲭鱼等物种的快速爆发游泳速度约为每秒9-10个体长，但持续时间很短。它们出色的游泳能力使 L. polyedra能够潜入寒冷的深处，在那里它们可以吸收营养，使这些生物真正绽放并在种群中爆炸。
该团队使用Wirewalker（斯克里普斯海洋学开发的自主，海浪动力垂直剖面系统）连续测量从海面到海底的物理和生化条件，深度达到100米（300英尺）。该仪器由波浪能提供动力，在连接到浮标的系泊线上上下移动，同时测量温度、盐度、深度、阳光水平、叶绿素荧光和硝酸盐浓度。他们还使用安装在海上系泊设备上的机器人显微镜成像流细胞机器人（IFCB）捕获了水华的近表面图像;该站点现在是 由SCCOOS监督的更大的IFCB网络的一部分。
这些仪器收集的数据和图像验证了埃普利最初的假设，表明L. polyedra确实在黄昏下降，在游泳18至24小时后达到约30-40米（100-130英尺）的最大深度。在深处，甲藻会吸收硝酸盐，硝酸盐是浮游生物的生长养分，然后在中午左右返回地表，在最大阳光下进行光合作用。
浮游植物生物量或“水华”的增长与深度硝酸盐浓度的比例下降有关，将游泳浮游植物在某些类型的赤潮发展中的重要作用联系起来。在阴天，地下垂直迁移不那么明显，这表明阳光的强度是垂直迁移的重要触发因素。
主要作者Zheng现在是伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）的博士后研究员，他对甲藻的许多先进功能印象深刻，其大小与人类头发的直径相当。
“这些单细胞生物，即L. polyedra，在功能上非常复杂和惊人，”郑说。“除了相对意义上远远超出人类极限的游泳速度外，它们还可以按照昼夜循环协调行为，夜间迁徙，白天返回海面;它们可以产生壮观的生物发光;它们可以进行光合作用;他们甚至可以捕食比他们小的生物。
研究人员还研究了加州海洋渔业合作调查（CalCOFI）捕获的长期海洋监测数据，以及斯克里普斯海洋学海洋时间序列小组维护的长期系泊数据，以了解水华的其他后果。从70多年的气候数据来看，结果表明，水华在水柱中创造了偏离常规的物理和化学条件，显示出大规模水华改变沿海海洋特征的潜力。
该研究的共同作者兼SCCOOS主任克拉丽莎·安德森（Clarissa Anderson）表示，这项研究因其使用新型海洋技术而脱颖而出，该技术可以对浮游植物如何应对沿海海洋的小规模变化进行无与伦比的测量，以及计算甲藻在如此精细的尺度上对养分的吸收。她还指出，长期观测的重要性是今后更好地了解有害藻华的任何努力的关键。
“我们越了解允许特定物种或浮游生物种群茁壮成长和持续的复杂机制，我们就越能更好地预测像2020年红潮这样的失控事件，其持续时间比理论规定的要长得多，”安德森说，他也是斯克里普斯海洋学的生物海洋学家。“随着沿海养分输送，循环，光照状态和藻类毒素的快速变化的更长时间序列，我们可以建立更准确的动态模型来预测浮游生物的大量繁殖，包括那些变得有害的浮游生物。
根据作者的说法，将浮游植物的行为与沿海环境的变化联系起来可能有助于研究人员更好地了解导致有害藻华和由有害藻华引起的条件，有助于预测水华并减轻其影响。
除了卢卡斯，郑和安德森之外，该研究还由斯克里普斯海洋学的Peter Franks，Tamara Schlosser，Uwe Send和Andrew Barton共同撰写;加州大学欧文分校的克里斯汀·戴维斯;和WHOI的Heidi Sosik。该研究的资金由SCCOOS通过NOAA奖项 #NA21NOS0120088 和 #NA16NOS0120022 提供。
新闻旨在传播有益信息，英文版原文来自https://today.ucsd.edu/story/historic-red-tide-event-of-2020-fueled-by-plankton-super-swimmers