全球海洋科技發展動態2017年第五期
最新一期「前沿進展」欄目新鮮出爐了，全球海洋科學領域又有哪些新動態呢？趕快來看一看吧！
本期導讀
·海洋動力過程與氣候變化
南極繞極流對渦旋等密度面混合的壓制和南大洋熱鹽環流
連接構造-環境關聯的時間尺度：熱帶海洋千年尺度俯衝與微環礁演變
國際研究團隊分析有機顆粒在赤道深海中的分布機制
·海洋生態環境演變與保護
氣候變暖驅動了北極海洋魚類生物群落的重組
瑞典科學家發現海洋底棲動物增加溫室氣體排放
·海洋生命過程與資源利用
NOAA斥資930萬美元用於水產養殖研究
我國微藻高效產氫研究獲實質性突破
馬氏珠母貝基因組及其生物礦化機制的多組學分析
·海洋技術與裝備
加拿大資助ONC推進水聽器和雷達技術應用
海洋動力過程與氣候變化
南極繞極流對渦旋等密度面混合的壓制和南大洋熱鹽環流
（張鈺 編譯）
中尺度渦旋導致的沿等密度面混合對各類物質在海洋中的輸運和分布有重要作用。尤其是在南大洋的南極繞極流區，渦致混合是決定動力和熱力平衡的重要力量。以往研究發現，南極繞極流的存在對渦旋混合有顯著的削弱作用。最近，來自法國 LOCEAN-IPSL 的Chapman and Sallee基於水文和海面高度的衛星觀測以及有關渦旋混合的解析理論對南大洋南極繞極流區的三維渦旋混合做了細緻的分析。
研究結果表明，由於受強勁的大尺度緯向流的影響，渦旋導致的水平混合在上層海洋較弱，而在深層加強，在大約1,000米深處的「critical layer」達到最大。利用對水平混合率的估計以及簡單的擴散參數化方法，研究者進一步研究了熱鹽環流的強度受渦旋以及平均流的影響，研究發現由平均流導致的渦旋混合的減弱導致了內區渦旋輸運的大大削弱以及更為接近觀測事實的渦致熱鹽環流。研究者還利用一個簡單的概念模型展示了渦旋混合率的具體垂向結構，比如「critical layer」的深度對熱鹽環流的影響。
緯向平均的跨平均流（經向）混合率。
（a) 未受平均流削弱作用的；(b) 實際的。
通過該研究揭示了大尺度流動與中尺度渦旋之間的相互作用，這對進一步開展渦旋對大尺度以及氣候研究有重要意義。
原文題目：
Isopycnal mixing suppression by the Antarctic Circumpolar Current and the Southern Ocean Meridional Overturning Circulation
來源：
http://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/JPO-D-16-0263.1
連接構造-環境關聯的時間尺度：熱帶海洋千年尺度俯衝與微環礁演變
（李三忠，王倩供稿）
構造運動對環境的巨大影響備受社會和科學界關注，例如，青藏高原隆升對東亞季風形成的影響，是地學界構造-環境交叉研究的前沿。相比之下，海洋領域構造-環境交叉研究略顯不足，儘管也有強調海峽通道對環流的影響或控制的研究，但構造-環境交叉研究的領域還不夠廣泛，海底構造地貌不僅控制海底地形，還調控海洋三維對流循環樣式。但這類研究面臨要突破時間尺度的巨大差異，百年千年尺度的環境變化與長期的構造運動之間如何關聯？短期的構造運動（如地震）與百年千年尺度的環境變化有無關係？這裡，選擇熱帶海洋的珊瑚礁生滅與構造的關係作為切入，或許可以開啟這方面的研究，進而拓展構造地質學和環境地質學的研究內涵。
人口稠密的沿海地區，極易受到全球海平面上升，以及火山噴發、颶風、地震和海岸侵蝕等引起的相對海平面變化的影響。在全球變暖的背景下，對氣候和長期構造運動引起的相對海平面變化的評估成為一個緊迫的任務。
熱帶海域普遍存在的微環礁，由生長在珊瑚礁的礁坪上、呈環帶狀結構的造礁珊瑚構成，通常頂面死亡，周緣存活，是在海平面作用下形成的一種特殊的珊瑚結構。微環礁的生長上限嚴格受到潮汐的影響，是理想的海平面標誌物。此外，珊瑚礁還可以判斷板塊的垂向與水平運動變化，死亡的和活動的珊瑚礁對比研究，還可以揭示短期（百年尺度）到長期（千年、萬年尺度）的構造與環境變化關係，彌補以往對百年與百萬年尺度之間地殼變形研究的缺失環節。
最初的塊狀珊瑚向上生長到海平面附近，當相對海平面保持穩定時，珊瑚橫向生長，發育成平面狀；地表發生沉降時，珊瑚以向上生長為主，直至海平面，發育成杯狀；當珊瑚經歷海平面下降，暴露出海面的珊瑚蟲死亡，而接觸海面的部分重新生長，形成一個帽子的形狀。死亡珊瑚與新生珊瑚之間的高差，即為微環礁當時垂直升降的高度，可以判定構造運動導致的地表升降幅度，對死亡頂面準確定年可以確定構造活動發生的時間，這在研究史前地震或者是缺乏器測記錄的偏遠島礁有著重要的意義。在地震平靜期，地殼形變是在應力長期積累下的緩慢變形，藉助珊瑚骨骼X光照片可以清晰地辨別年解析度的生長輪次，而每個生長輪次記錄著地表緩慢抬升或下降的幅度，因而，直徑巨大的微環礁可以記錄地殼長期緩慢的變形。
微環礁的生長紋層和海平面波動（地表升降）之間的關係
由於微環礁準確的海平面指示意義，一些學者利用印度洋和太平洋的微環礁分析了年際間—千年尺度的海平面變化。在南太平洋阿努瓦圖，Taylor等人應用礁坪上出露的珊瑚塊繪製了Malekula島在1965年地震中地表上升幅度的等值線圖。位於印度－澳大利亞板塊和巽他板塊俯衝帶的蘇門答臘島附近頻繁發生的大地震引起科學家的廣泛關注，他們利用微環礁恢復了近200年以來俯衝帶相關的地表升降達3m。位於美洲板塊向加勒比板塊俯衝帶之上的卡拉維爾半島多次發生6級以上地震，附近的Martinique島東部的珊瑚微環礁呈現杯狀形態，指示該區域經歷了地表沉降。Jennifer等根據珊瑚切片X射線分析及生長上限曲線估算出以每年幾毫米的速率沉降。而該地區驗潮站數據顯示海平面以每年1.1±0.8毫米的速率上升，兩者之間的差異指示了構造運動引起的地表沉降。持續的地震活動使Martinique島前緣地幔楔位置板塊交界面破裂，微環礁長期沉降指示了震期大型逆沖帶的深部可能鎖定在60km的位置。微環礁高程和年代的準確測定，進一步增強了其海平面記錄價值，將在時間和空間上彌補器測數據記錄的不足。
參考文獻
[1]Jennifer Weil-Accardo, Nathalie Feuillet, Eric Jacques, Pierre Deschamps, Fran?ois Beauducel, Guy Cabioch, Paul Tapponnier, Jean-Marie Saurel, John Galetzka, Two hundred thirty years of rela-tive sea level changes due to climate andmegathrust tectonics recorded in coral microatolls of Mar-tinique (FrenchWest Indies), Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2016, 121: 2873-2903.
[2]Ke-FuYu, Jian-Xin Zhao, Terry Done, Te-Gu Chen, Microatoll record for large century-scale sea-level fluctuations in the mid-Holocene, Quaternary Research, 2009, 71: 354-360
國際研究團隊分析有機顆粒在赤道深海中的分布機制
（劉學 編譯）
2017年10月9日，由德國亥姆霍茲海洋研究中心（GEOMAR）科學家領銜的國際研究團隊在Nature Geoscience發表文章《赤道地區生物和物理過程對「海洋降雪」的影響》（Biological and physical influences on marine snowfall at the equator），分析了海洋中有機顆粒在赤道深海中的分布機制，發現海洋在300~600m深度顆粒密度再次增加，該發現有助於分析有機粒子流在全球碳循環和氣候變化中的作用。
動物排泄物和部分死亡生物不斷從海洋表面向深海沉降，這一過程也被稱為「海洋降雪」（marine snowfall）。該有機粒子流在全球碳循環和氣候方面起著重要的作用。到目前為止，對其在水柱中的分布知之甚少。研究團隊對大西洋和太平洋赤道地區5,000m深的高解析度顆粒密度數據進行了分析，結果顯示，這些顆粒已進入深海。
研究團隊分析了來自德國、美國和法國的多個科考船收集的數據，這些數據通過名為水下視覺分析儀（UVP）的感測器獲取。UVP是一種特殊的水下攝像機，可以下潛至6,000m深處，它可以每秒拍攝10張圖片，使得研究人員可以對粒子進行計數並識別小型浮游生物。
研究人員表示，到目前為止，通常認為最大的顆粒密度接近海面，並且隨深度增加而顆粒密度不斷下降。然而，該數據顯示，顆粒密度在300~600m深度再次增加。研究人員用許多浮游生物的日常遷徙行為解釋了該現象。一些微觀顆粒下沉更深，並且在5,000m深處仍然可以檢測到。該團隊還解釋了另一個現象，即在赤道地區，進入深海的顆粒流遠遠大於距離該地區僅有100km的北部或南部地區。其原因就是，在太平洋和大西洋，赤道南北之間有強烈的向東流動的深水流，它們形成了阻止顆粒進一步向南北擴散的天然屏障。
原文題目：
Biological and physical influences on marine snowfall at the equator
來源：
https://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/full/ngeo3042.html#affil-auth
海洋生態環境演變與保護
氣候變暖驅動了北極海洋魚類生物群落的重組
（董利蘋 編譯）
2017年10月31日，《美國國家科學院院刊》（PNAS）發表的《氣候驅動的北極海洋魚類群落功能生物地理學變化》（Climate-driven Changes in Functional Biogeography of Arctic Marine Fish Communities）文章指出，北極海洋魚類對氣候變暖的迅速響應引發了海洋生物群落的重組，這或將導致海洋生態系統的功能發生嚴重的變化。
功能性的生物地理學為研究大尺度氣候變化對生態系統功能的影響提供了一個框架。然而，目前針對海洋環境開展的功能性生物地理學研究很少，而在北極還沒有相似的研究。來自挪威北極大學（The Arctic University of Norway）、俄羅斯海洋漁業和海洋學研究所（Knipovich Polar Research Institute of Marine Fisheries and Oceanography ，PINRO）、挪威海洋研究所（Institute of Marine Research，IMR）等機構的研究人員基於3,660個採樣數據，涵蓋了52種魚類的15個功能性狀，分析了氣候變暖對巴倫支海功能生物地理的影響。研究結果顯示，氣候變暖背景下，北極魚類種群的主要功能特徵正在發生變化，體型較大、長壽並且食性廣泛的北方物種正在迅速取代小型底棲動物，並且預計諸如鱈魚和黑線鱈等體型較大、食性廣泛的運動物種為了應對變暖的氣候將快速地向極地轉移。這種海洋生物群落的重組或將導致海洋生態系統的功能發生嚴重的變化。此外，該研究從另一個側面證實了功能性的生物地理學可以為我們研究物種組成、生物多樣性、生態系統功能和環境驅動因素提供重要的見解。
原文題目：
Climate-driven Changes in Functional Biogeography of Arctic Marine Fish Communities
來源：
http://www.pnas.org/content/early/2017/10/30/1706080114.full.pdf
瑞典科學家發現海洋底棲動物增加溫室氣體排放
（廖琴 編譯）
2017年10月13日，《科學進展》（Science Advances）期刊發表題為《大型動物增加了沿海沉積物的甲烷通量》（Methane Fluxes from Coastal Sediments are Enhanced by Macrofauna）的文章指出，沿海沉積物中的多毛類和雙殼類動物生產了大量的甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O），是被忽視的海洋中的溫室氣體來源。
CH4和N2O是導致氣候變化的強效溫室氣體。沿海沉積物是重要的溫室氣體生產者，但目前尚不清楚生活在其中的大型動物（大於1毫米的底棲無脊椎動物）的貢獻。來自瑞典斯德哥爾摩大學（Stockholm University）的研究人員結合微量氣體、同位素和分子分析，研究了兩個大型動物群（多毛類和雙殼類）對沿海沉積物中CH4和N2O通量的直接和間接貢獻。
結果發現，大型動物使底棲CH4排放量增加了8倍，可能占波羅的海CH4排放總量的9.5%。多毛類通過生物擾動間接增加了CH4的排放，而雙殼類對CH4的排放有直接影響。通過對CH4同位素的分析表明，雙殼類動物體內寄宿的古細菌產甲烷共生體優先進行氫營養型CH4生成。低溫（8℃）也會刺激N2O的產生，N2O在從沉積物釋放到海水之前就被底棲反硝化細菌所消耗。研究表明，大型動物對溫室氣體的產生有貢獻。因此，在沿海沉積物生態系統中，大型動物在調節溫室氣體產生和交換方面發揮著重要但卻被忽視的作用。
原文題目：
Methane fluxes from coastal sediments are enhanced by macrofauna
來源：
https://www.nature.com/articles/s41598-017-13263-w?WT.feed_name=subjects_biological-sciences
海洋生命過程與資源利用
NOAA斥資930萬美元用於水產養殖研究
（吳秀平，宋榕編譯）
2017年10月31日，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）宣布斥資930萬美元在全國範圍內開展32項研究來促進美國海洋和沿海水產養殖產業的發展。包括公私合作在內的項目將由高校主導的NOAA海洋資助計劃牽頭，其中每一個項目，每兩美元的聯邦資金便配有一美元的非聯邦資金，研究項目的總投資金額高達1,390多萬美元。
這些科研經費有助於促進貝類生物、長鬚鯨以及海藻的水產養殖。包括基礎研究和應用研究在內的項目，將會提高海鮮的生產效率，提高環境健康問題的管理水平和水產養殖業經濟上的成功率。
美國商務部長Wilbur Ross指出，我們擁有豐富的海岸線沒有必要每年進口數十億磅海鮮。這些科研經費將會促進水產養殖項目的發展，減少這一重要產業的貿易逆差。NOAA海洋資助中心主任Jonathan Pennock 指出，公私合作在促進國內水產養殖的可持續發展和解決日益嚴峻的食品安全問題中發揮著舉足輕重的作用。這些項目都涉及到水產養殖業，有助於擴大產業規模，創造新的工作崗位並為沿海社區帶來經濟收益。
原文題目：
NOAA awards $9.3 million to support aquaculture research
來源：
http://www.noaa.gov/media-release/noaa-awards-93-million-to-support-aquaculture-research
我國微藻高效產氫研究獲實質性突破
（劉建國、張立濤供稿）
氫氣是公認最清潔、高效的可替代能源。歐美日等國自2011年起已將發展氫能提升到戰略層面。2016年5月，國家發改委下發《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》和《能源技術革命重點創新行動路線圖》，將氫能與燃料電池技術創新列為15項重點任務之一。《「十三五」國家科技創新規劃》要求發展氫能、燃料電池這類「發展引領產業變革的顛覆性技術」。
微藻光合產氫是微藻利用太陽能裂解水釋放氫氣的生物代謝過程，由太陽光碟機動的、以水為電子供體生產氫氣的低成本的環境友好型生物能量轉化體系，因此被認為是實現氫能可持續生產的最理想途徑，為發達國家重點支持探索的前沿性基礎科學。國際能源局（IEA）對綠藻制氫技術的評估報告中認為：微藻光解水制氫的太陽能理論利用效率高，如果其光合產氫效率提高到10％，每天每平方米藻類可產9克分子氫，為滿足美國全部燃料所需的能量，只要5萬平方公裡面積的微藻光解水放氫工程即可。然而，缺乏高產氫效率的藻株是制約微藻光合制氫產業化的主要瓶頸之一。
近期，中國科學院海洋研究所先後在該方向連續獲得進展和實質性突破。中國科學院海洋研究所篩選出一株可在天然海水培養基中光合產氫的海水綠藻，在天然海水培養基中，不依賴任何光合抑製劑，簡單地通過缺氮處理即可產生氫氣，擺脫了以往綠藻光合產氫必須缺硫的限制，可直接利用天然海水（或富硫人工海水）光合制氫；在此基礎上，構建起比經典缺硫誘導更加有效的技術方法，利用低氮協同缺硫誘導可大幅提高綠藻光合產氫方法能力；並證實不僅光合作用，而且呼吸作用（包括葉綠體呼吸、光呼吸及線粒體呼吸等多條途徑）都參與低氮誘導的微藻產氫過程，且均發揮重要作用。同時，中國科學院植物研究所運用分子遺傳學手段、以及光合產氫生物化學知識和方法，構建了包含有數萬個克隆的淡水綠藻萊茵衣藻隨機插入突變體庫，從中成功地篩選獲得了一株高產氫PGR5缺失突變體，其產氫能力為野生型的30倍以上，可持續產氫600小時，期間產氫總量達11,519mL/L，是本領域到目前為止最高記錄的綠藻產氫突變株藻株。
上述高效產氫海洋微藻、淡水微藻突變體的獲得，以及低氮協同缺硫誘導微藻產氫新技術，有效地縮短了該資源開發從理論到應用的研發歷程，提升了我國在微藻光合制氫應用基礎研究上的國際地位，有利於微藻光合制氫成套技術的研究和開發，加快微藻制氫的產業化進程，實質性地推動我國可持續能源發展戰略的實施。
參考文獻：
(1)Meilin He,LingLi,JianguoLiu,LitaoZhang, Improvement of H2 photoproduction in Chlorella pyrenoidosa in artificial and natural seawater by addition of acetic acid and control of nutrients, Algal Research, 2015, 10:104-109.
(2) Mei Chen, Jin Zhang, Lei Zhao, Jiale Xing, Lianwei Peng, Tingyun Kuang, Jean-David Rochaix Fang Huang, Loss of algal proton gradient regulation 5 increases reactive oxygen species scavenging and H2 evolution.Journal of Integrative of Plant Biology, 2016, 58（12）：943-946.
(3) Meilin He,LingLi,LitaoZhang, JianguoLiu, The enhancement of hydrogen photoproduction in Chlorellaprotothecoides exposed to nitrogen limitation and sulfurdeprivation, International Journal of Hydrogen Energy, 2012,37（22）：16903-16915.
馬氏珠母貝基因組及其生物礦化機制的多組學分析
（王威 編譯）
珍珠質是軟體動物珍珠和貝殼光澤的來源，是通過基質輔助生物礦化的特殊過程形成的。關於生物礦化過程的研究進展很多，但其形成過程和進化起源仍是未知的。珍珠貝，學名馬氏珠母貝，由於可產珍珠而聞名，然其珍珠和貝殼形成的分子機理還待進一步探索。
研究人員通過測定珍珠貝的基因組，並利用多組學及生物化學的手段闡釋了其珍珠形成的分子機理。珍珠貝的基因組大約有990Mbp，contig N50為21kb，scaffold N50為324kb，總共鑒定了32,937個基因。研究發現珍珠貝與帽貝（腹足綱）分化了大約4億8千多萬年，珍珠貝與牡蠣分化了約3億1千多萬年。
利用基因組，轉錄組，蛋白質及生物化學等手段，研究人員鑒定了一大批參與基質框架形成的新蛋白質，這些蛋白類似於脊椎動物骨骼中的組分，例如膠原相關的含VWA蛋白質，軟骨素磺基轉移酶和調節元件。考慮到在脊椎動物的骨骼中只包含基於膠原的基質，而絕大多數無脊椎動物的骨骼是基於幾丁質的基質，在珍珠層中同時發現了基於膠原和幾丁質的基質存在，這表明幾丁質和基於膠原的基質的元素具有很深的進化淵源，並可能是古代生物礦化基質的一部分。
本研究結果擴展了目前的殼基質框架模型，並為不同生物礦化系統的演變提供了新的見解。
原文題目：
The pearl oyster Pinctadafucatamartensii genome and multi-omic analyses provide insights into biomineralization
來源：
https://academic.oup.com/gigascience/arti-cle/6/8/1/4034775/The-pearl-oyster-Pinctada-fucata-martensii-genome?searchresult=1
海洋技術與裝備
加拿大資助ONC推進水聽器和雷達技術應用
（吳秀平，任艷陽編譯）
2017年10月11日，來自加拿大政府官網的消息稱，加拿大海洋漁業部宣布為加拿大海洋網路（Ocean Networks Canada，ONC）提供720萬加元資助，用來推進數字水聽器和海洋技術的應用，從而改善本國對沿海環境的監測，這也表明加拿大政府會對收集海洋科學數據方面提供大力支持。
早在2016年11月，ONC發起海洋保護計劃，申請15億加元新科學基金，意在創建一個世界領先的海洋安全系統，為加拿大人提供經濟機會，並改善海洋環境安全，保護海岸線、海洋物種和清潔水源。而此次新科學基金將用於完善太平洋沿岸水下監聽站的現有網路，尤其是虎鯨棲息地。水下監聽裝置和海洋學雷達網路則用於監測不列顛哥倫比亞海岸關鍵地區的水下雜訊和洋流。水聽器網路所提供的信息會幫助研究人員更好地了解水聲環境以便及時發布應對戰略，以保護包括虎鯨在內的海洋哺乳動物。
此外，ONC會收集和分析水聲數據，測量重要海洋哺乳動物棲息地的水下雜訊。此次新基金的投入還將有利於收集更多關於洋流流速和流向的數據，進一步挖掘導航和應急方面的潛能，最終完善和拓展海洋觀測網路。ONC的創新技術、海纜觀測台、互動式感測器和大數據管理，有利於優化海洋管理決策、科學防災減災、保護海洋環境，從而保持加拿大在科技領域的領先地位，為加拿大人創造更多經濟利益，提供更多高薪崗位。
原文題目：
New science funding for hydrophones and oceanographic radars to monitor marine environments
來源：
https://www.canada.ca/en/fisheries-oceans/news/2017/10/new_science_funding for hydro-phonesandoceanographicradarstomonitor.html
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