[第4集] 海底世界的绚丽光体

微光之境——海底世界的绚丽光体
 
我们认识了解海洋生物的主要途径就是出海撒网，但我不认为任何其他科学研究领域还在使用这么老掉牙的技术。另外的一个主要途径就是乘潜水艇下海，以及使用遥控工具。我曾随潜水艇下水几百次，我清楚的知道即使我只是坐在潜水艇里什么都不干，我也是非常显眼的。因为随我而来的是很亮的探照光，推进器产生的噪音，任何稍有知觉的生物都躲得远远的了。所以，很长一段时间内，我一直想研究出一种不同的探索途径。

—— Edith Widde

源自TED

观看2010年TED演讲“Edith Widder:海底世界的发光生命”。在海洋的某些区域，近90%的生物会发光——我们刚刚开始了解其原因、和原理。海洋生物学家、发明家Edith Widder认为，我们对海洋的了解受限于可用于深海科学研究的技术。她描述了为研究生物性光而开发与配置的遥控相机系统方面的工作。
 
主要讨论：
海洋最深处的生物群对海洋中碳和其他营养物质的循环起到了多大作用，以及因此而对整个地球系统碳循环产生多大的影响？随着全球气候变化，温度、氧化作用以及pH值变化对深海生态系统的影响程度如何，这又会带来怎样的后果？

关键术语:
 
中层带
 在该水层带，由于光线被削弱，阻碍了光合作用。有时中层带也被称作“微光带”，通常在水深200到1,000米之间。位于中层带往下的是深层带，也叫做无光带。在微光带，随着深度加深，光线会越来越暗，光谱组成中会逐渐以蓝/绿为主波长。
 
食物局限性
 大多数深海生态系统的食物链是基于海洋光合作用带的初级产物。大部分食物（固定碳）是在地表水层消耗或分解的，只有1-20%沉降到深海。这些食物以“海雪”或有机物颗粒（POM）的形式被动下降，POM由生物尸体分解的碎屑，生物排泄的粪便颗粒 ，以及如幼形海鞘（一种浮游动物）的黏液网等其他物质组成。在颗粒有机物沉降的过程中，细菌会定殖于有机物上进行分解。由于细菌会不断吸收POM的养分，因此即便是如此微薄的养料供给，也会随着深度不断增加而减少。随着深度的增加，食物供给的局限性决定了微光区一些大规模生物形式的数量、种类与分布。而这也是进化的重要驱动因素之一。
 
碳循环
 碳循环是指碳在地球系统的生物和物理组成之间循环移动的一种过程。因此，碳循环被认为是生物地球化学的循环过程。海洋在碳循环中极为重要：大气中大部分的二氧化碳(CO2)溶解于海洋之中，通过浮游植物固化，进而流入海洋食物链中。其中大多数CO2通过呼吸作用得以循环，但也有一部分沉降至深海，成为地球系统中最大的碳存储。当浮游植物以及其他海洋生物的碳酸钙外壳沉入深海，这也会成为深海碳运输的一部分。
 
主动运输
 许多海洋生物会进行昼夜垂直移动(DVM)，夜间上游指浅水区进食，日间下潜至中层带深水区。这是世界上最大的动物迁移，在海洋中每天都会发生。昼夜垂直移动的过程中动物会将海洋表层的碳主动运输至中层带更深的水域中，进而以呼吸或粪便的形式排出，亦或者通过动物本身被捕食或死亡来转移。
 
生物性光
 生物性光是指有机体通过生物化学反应产生的光。当一种通常被叫做荧光素的小分子受到荧光素酶的催化与氧发生反应时就会产生光。大多数生物性发光的生物是海洋生物：在700种能够发光的生物中，80%是海洋生物。人们发现大多数海洋生物门中存在生物发光物种，栉水母类的发生频率最高。生物发光物种会释放一种发光化学物质，粘附在捕食者周围来作为防卫机制，或者在自己身体中使用这种物质产生光体以及（或）展示光体。
 
视觉适应性
 中层带的生物对探测微弱的光线以及区分太阳光与生物性光显示出了不可思议的适应性。这些适应性体现在眼睛的形状和构造（比如，像后肛鱼这种具有向上管状眼睛的中层带鱼类），通过累加作用，将数个光敏细胞接连成一个神经元。其他适应性也同样包括反光膜（这种膜位于眼球后部，可将穿透视网膜的光线在反射回视网膜，增加感光能力，可以联想一下猫眼晚上透射出来的光线），多层视网膜，长视网膜细胞，以及对眼部各种不同的感光色素的利用。科学家认为，一些深海动物还能检测偏振光，以捕捉透明的猎物。
 
氧含量最小层
 氧气含量最低的水层，通常深度为200到1r000米。这是由于细菌和其他生物分解水面下沉的有机物质时耗尽了氧气，降低了氧气浓度。像阿拉伯海这样的一些海洋环境中，水面产物多且水循环不利，导致氧含量极少，海水和海底被归类为低氧状态（氧含量水品低至影响到现有物种）或甚至是缺氧状态（无氧存在）。
 
生物技术
 利用生物体或其衍生物开发造福人类的产品。这些产品可能会用于工业生产过程（如制药），新材料的开发或者研究。寻找这些生物体及（或）其衍生物的过程叫做生物勘探。中层带绿色荧光蛋白(GFP)的开发就是生物技术的一个例子。GFP最初从维多利亚多管发光水母中分离出来，被广泛用于生物细胞和组织基因表达的研究之中。GFP的广泛应用，已促生两万多项科学研究和作品发表。GFP的发现及对其运作原理的说明为Martin Chaftie、 Osamu Shimomura及Roger Tsien赢得了2008年诺贝尔化学奖。
 
作业：
1、用Widder的TED演讲中奇特生物带来的灵感进行艺术创作，并与他人合作，在网上展览们的作品。
参考：
• Gammon, K. (2012, December 13). Artist illuminates deep-sea discoveries [Blog post]. OurAmazingPlanet/Discovery News.

• Muscarelle Museum of Art: Beyond the Edge of the Sea

http://web.wm.edu/muscarelle/exhibitions/traveling/beyond/index.html

• Smithsonian Museum of Natural History: Where Art Meets Science—Exhibition Inspired by Bioluminescence

http://ocean.si.edu/ocean-news/when-art-meets-science-exhibition-inspired-bioluminescence

• Bioglyphs

http://www.biofilm.montana.edu/Bioglyphs/default.htm

2、进一步了解中层带生物的视觉适应性。用你所学的写一篇文章，或利用网上不涉及侵犯版权的视频或图片，写一篇文章或制作一个迷你的纪录片。内容需包括对这种适应性与生活在低光照环境中的陆地生物对比的讨论。
参考资料：
• Frank. T. and Widder, E. (2002). Visual Ecology and Bioluminescence. NOAA “Islands in the Stream: Exploring Underwater Oases”

• Warrant, E. (2004). Vision in the dimmest habitats on Earth. Journal of Comparative Physiology A 190: 765-789.

• Warrant, E. and Locket, N.A. (2004). Vision in the deep sea. Biological Reviews 79(3): 671-712.

• Douglas, R.H. and Partridge, J.C. (2011). Visual adaptations to the deep sea. In Encyclopedia of Fish Physiology: From Genome to Environment. Amsterdam: Elsevier

3、研究海洋生物学领域中声学的历史发展和现代应用。参照中层带生物学研究的技术挑战，探讨声学如何在中层带的研究中得到应用。面对这些挑战，有哪些有前景的声学或其他方面的技术？
参考资料：
• University of Rhode Island Graduate School of Oceanography: Discovery of Sound in the Sea

http://www.dosits.org/

• Kaharl, V. et al. (1999). Sounding Out the Ocean’s Secrets. The National Academies Beyond Discovery: The Path from Research to Human Benefit.

• Yancey, P. The Deep Sea. MarineBio Conservation Society.

• NOAA Ocean Explorer: Technology

http://oceanexplorer.noaa.gov/technology/technology.html

• Woods Hole Oceanographic Institution: Ocean Instruments

http://www.whoi.edu/science/instruments/

• Jabr, F. (2010, August 5). Gleaning the gleam: A deep-sea webcam sheds light on bioluminescent ocean life. Scientific American.

4、 阅读Carol Robinson 2010年写的一篇文章，“Mesopelagic zone ecology and biogeochemistry - a synthesis。”把你所学到的知识制作成一张信息图，说明海洋在地球碳循环过程中的重要性,着重对深海中的被动和主动碳运输进行解释。根据你在第一节中所学到的，气候变化将会如何影响微光区的生态，又会给地球系统带来什么样的后果？尤其要思考一下海洋分层化、缺氧以及酸化情况加剧所造成的影响。
 
5、 阅读Nobel Prize scientific backgrounder on the discovery of GFP。研究已有的或自己开发的一个项目。其中需要涉及到GFP生物技术应用，其他从海洋物种中分离出来的蛋白质及（或）其他从深海物种中分离出来的生物分子。如果你们是小组合作，将不同种类的分子分配到个人，然后分享各自所学成果。
 
相关资源:
• Ocean Research and Conservation Association (ORCA) http://www.teamorca.org/
• Schrope, M. (2013, January 25). The giant squid stalker. Slate.
• Widder, E. (Presenter) and TED (Producer). (2011). The weird, wonderful world of bioluminescence [Video].
• Warren, D.R. (Producer and Director). (2008). NOVA scienceNOW Profile: Edith Widder [Video]. WGBH Boston.
• Widder, E.A. (2010). Bioluminescence in the oceans: origins of biological, chemical and ecological diversity. Science 328: 704-708.
• Haddock, S., Moline, M., and Case, J. (2010). Bioluminescence in the sea. Annual Review of Marine Science 2: 443-493.
• Pierebone, V., Gruber, D., and Nasar, S. (2007). Aglow in the Dark: The Revolutionary Science of Bioluminescence. Boston: Harvard University Press.
• NOAA’s “Bioluminescence 2009: Living Light on the Deep Sea Floor” Exploration http://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/09bioluminescence/welcome.html
• American Museum of Natural History: Creatures of Light http://www.amnh.org/exhibitions/past-exhibitions/creatures-of-light
• Widder, E. (2003). The Bioluminescence Coloring Book, 2nd ed. Florida: Harbor Branch Oceanographic Institution.
• Johnsen, S. (2001). Hidden in plain sight: the ecology and physiology of organismal transparency. Biological Bulletin 201: 301-318.
 
经典实验、研究及文章:

1. Shimomura, O., Johnson, F. H., Saiga, Y. (1962). Extraction, purification and properties of Aequorin, a bioluminescent protein from the luminous hydromedusan, Aequorea. Journal of Cellular and Comparative Physiology 59: 223-239.这篇文章描述了首次生物发光蛋白的分离和研究，这是生物技术领域的分水岭。
 
2. 数位科学家都发现，动物是影响深海散射层声传播的主要因素，其中最重要的是：•Marshall, N.B. (1951). Bathypelagic fishes as sound scatters in the ocean. Journal of Marine Research 10: 1-22.
•Tucker, G.H. (1951). Relation of fishes and other organisms to the scattering of underwater sound. Journal of Marine Research 10: 215-238.
 
· Wiley Online网站上与这些TEDTalks相关的学术内容
 
接下来：
我们将观看TED演讲“Robert Ballard ：关于海洋的探索”，该演讲强调通过更好的科学设备、更多的资金来促进深海研究。

关于作者：Alex Rogers是一名海洋生物学家，主要研究深海生态系统，包括热液喷口，冷水珊瑚的栖息地和海丘。Rogers也是牛津大学保护生物学的教授。

翻译: Zuhong Yue
审译: Alexandra Shi

引导性文章由：深海科学的出现、深海多样性——是过高估计还是超乎想象、深海环境的形成：“漂移说”与“固定论”、没有太阳也能存活的生命、海洋自然资产消耗殆尽和海洋的未来，这6部分展开，详尽的展示和海洋相关的专业权威的生物学知识。

水中探险家们在TED的舞台上分享他们所见所闻，描述地球最边缘处的鸿沟——深海。那里有着庞大的海底山脉和峡谷，巨大的烟囱，众多令人称奇的动物。本系列演讲展示有关地球生命起源的线索。概况环节将向你展示本系列演讲的主要演讲者、涉及的学科内容和整个课程的结构组织。