Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu đã kết hợp các mô hình toán học, khoa học biển và metagenomics để trả lời một câu hỏi đã tồn tại hàng thập kỷ – tại sao có quá nhiều loài trong đại dương?
Sinh vật phù du đại dương là những kẻ trôi dạt của thế giới biển. Chúng là tảo, động vật, vi khuẩn hoặc các chất bảo vệ chịu sự chi phối của thủy triều và dòng chảy. Nhiều sinh vật cần kính hiển vi và ẩn khỏi tầm nhìn, hầu như không thể quan sát bằng mắt thường. Mặc dù những sinh vật khác như sứa có thể phát triển tương đối lớn.
Có một điều về những sinh vật trôi dạt này đã khiến các nhà sinh thái hoang mang trong nhiều thập kỷ – sự đa dạng giữa các sinh vật phù du đại dương cao hơn nhiều so với dự kiến. Nói chung, trong bất kỳ mẫu đại dương nào, có rất nhiều loài sinh vật phù du quý hiếm và một số lượng nhỏ các loài phong phú. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST) đã xuất bản một bài báo về Khoa học tiến bộ (Science Advances) kết hợp các mô hình toán học với metagenomics và khoa học biển để khám phá lý do tại sao điều này có thể xảy ra.
Giáo sư Simone Pigolotti, người đứng đầu Đơn vị phức tạp sinh học của OIST cho biết: “Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã hỏi tại sao có quá nhiều loài trong đại dương. Giáo sư Pigolotti giải thích rằng sinh vật phù du có thể được vận chuyển qua khoảng cách rất lớn bởi các dòng hải lưu, vì vậy chúng dường như không bị giới hạn bởi sự phân tán. Điều này sẽ gợi ý rằng sở thích thích hợp là yếu tố quyết định sự đa dạng loài – nói cách khác, một loài sẽ vượt trội hơn tất cả các loài khác nếu môi trường phù hợp nhất với chúng, dẫn đến các cộng đồng chỉ có một số loài rất phong phú.
Giáo sư Pigolotti cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi đã khám phá lý thuyết rằng các dòng hải lưu thúc đẩy sự đa dạng loài, không phải vì chúng giúp sinh vật phù du phát tán mà vì chúng thực sự có thể hạn chế sự phát tán bằng cách tạo ra các rào cản. Ngược lại, khi chúng tôi xem xét các mẫu từ các hồ, nơi có ít hoặc không có dòng chảy, chúng tôi đã tìm thấy nhiều loài phong phú hơn, nhưng ít loài hơn hoàn toàn.”
Thoạt nhìn, điều này có vẻ phản trực giác. Nhưng trong khi dòng hải lưu có thể mang sinh vật phù du từ khu vực này sang khu vực khác, chúng cũng ngăn không cho sinh vật phù du đi qua phía bên kia của dòng chảy. Do đó, những dòng chảy này làm giảm sự cạnh tranh và buộc mỗi loài sinh vật phù du cùng tồn tại với các loài khác, mặc dù với số lượng nhỏ.
Kết hợp các xét nghiệm DNA với các mô hình toán học
Trong hơn một thế kỷ, các nhà sinh thái học đã đo lường sự đa dạng bằng cách đếm số lượng loài, chẳng hạn như chim hoặc côn trùng, trong một khu vực. Điều này cho phép họ tìm thấy tỷ lệ của các loài phong phú so với các loài quý hiếm. Ngày nay, nhiệm vụ được sắp xếp hợp lý thông qua cả mô hình định lượng có thể dự đoán sự phân bố loài và metagenomics – thay vì chỉ đếm loài, các nhà nghiên cứu có thể thu thập hiệu quả tất cả DNA trong một mẫu.
Giáo sư Tom Bourguignon, người đứng đầu Đơn vị gen tiến hóa của OIST cho biết: “Đơn giản chỉ cần đếm số lượng loài trong một mẫu là rất tốn thời gian. Với những tiến bộ trong công nghệ giải trình tự, chúng tôi có thể chạy chỉ một thử nghiệm và có hàng ngàn trình tự DNA đại diện cho một ước tính tốt về sự đa dạng sinh vật phù du.”
Đối với nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm đến các chất bảo vệ – các sinh vật phù du, đơn bào, thường đơn bào. Nhóm đã tạo ra một mô hình toán học xem xét vai trò của dòng hải lưu trong việc xác định phả hệ của người biểu tình thông qua các mô phỏng. Họ không thể mô phỏng một cộng đồng protist ở cấp độ DNA vì sẽ có một số lượng lớn các cá nhân. Vì vậy, thay vào đó, họ mô phỏng các cá thể trong một mẫu nhất định từ đại dương.
Để tìm hiểu mức độ liên quan chặt chẽ của các cá thể với nhau và liệu chúng có cùng loài hay không, các nhà nghiên cứu sau đó đã nhìn lại thời gian. Các nhà khoa học đã tạo ra một quỹ đạo đã tồn tại một trăm năm. Nếu hai cá thể đến từ một tổ tiên chung trong thời gian mô phỏng của họ, thì nhóm nghiên cứu đã phân loại chúng là cùng một loài.
Những gì họ đã đo cụ thể là số lượng loài và số lượng cá thể trên mỗi loài. Mô hình được mô phỏng có và không có dòng hải lưu. Như các nhà nghiên cứu đã đưa ra giả thuyết, nó cho thấy rằng sự hiện diện của dòng hải lưu gây ra sự gia tăng mạnh về số lượng các loài sinh vật chính, nhưng sự suy giảm số lượng cá thể trên mỗi loài.
Để xác nhận kết quả của mô hình này, các nhà nghiên cứu sau đó đã phân tích các bộ dữ liệu từ hai nghiên cứu về các sinh vật sống dưới nước. Tập dữ liệu đầu tiên là về trình tự DNA của người bảo vệ đại dương và trình tự DNA của người bảo vệ nước ngọt thứ hai. Họ phát hiện ra rằng, trung bình, các mẫu đại dương chứa nhiều loài quý hiếm hơn và các loài ít phong phú hơn và, nói chung, có số lượng loài lớn hơn. Điều này đồng ý với dự đoán của mô hình.
Giáo sư Pigolotti nói: “Kết quả của chúng tôi ủng hộ lý thuyết rằng dòng hải lưu tác động tích cực đến sự đa dạng của các sinh vật thủy sinh quý hiếm bằng cách tạo ra những rào cản này”. “Dự án rất liên ngành. Bằng cách kết hợp vật lý lý thuyết, khoa học biển và metagenomics, chúng tôi đã làm sáng tỏ một vấn đề kinh điển trong sinh thái học, có liên quan đến đa dạng sinh học biển.”
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST) . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :