海洋浮游動物是一種微小的動物，大約相當于夏季可能看到的昆蟲的大小，隨洋流漂移。他們中的許多人都很可愛，但除了研究它們的科學(xué)家外，很少有人知道它們是地球上數(shù)量最多，最重要的動物之一。

我的研究重點是海洋浮游動物，我認為它是“有魅力的微型動物”。這些微小的生物是開放式海洋食物網(wǎng)的關(guān)鍵參與者，因為它們是許多魚類的首選食物。人們認為在全球海洋中發(fā)現(xiàn)了許多物種。

已經(jīng)描述了7,000多種浮游動物，但我們不知道有多少種類存在。由于它們是大型魚類的重要食物來源，并且對環(huán)境變化和氣候變化做出快速反應(yīng)，因此了解更多關(guān)于浮游動物是了解海洋生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)鍵。

我的實驗室通過廉價且易于使用的DNA測序獲得了對浮游動物多樣性的新見解。這些方法提供了識別物種的新工具。根據(jù)一些估計，可能有多達70,000個未知和被忽視的浮游動物物種尚待發(fā)現(xiàn)。

海洋生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

開闊的海洋是地球上最大的棲息地。由于海洋浮游動物種類繁多且多樣化，它們有助于創(chuàng)造出具有多種人類食物的復(fù)雜食物網(wǎng)。但是，環(huán)境條件的變化，包括全球變暖，可以通過改變浮游動物的多樣性和分布來破壞這些系統(tǒng)。

目前，關(guān)鍵的浮游動物物種向北移動，以尋找變暖海洋中較涼爽的海水。這對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成了重大干擾。例如，北海的鱈魚漁場在作為魚類首選獵物的浮游動物物種被另一個密切相關(guān)的橈足類物種取代之后墜毀，這些橈足類物種向北移動以應(yīng)對全球變暖。

這樣的事件表明，浮游動物可以在海洋生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，盡管科學(xué)家對它們知之甚少，并且可能不了解某一物種在它消失之前的重要性。

許多因素使得測量海洋浮游動物多樣性具有挑戰(zhàn)性。首先，從深海采集樣本是一項艱苦的工作。研究船只全天候運作，船上的科學(xué)家通常每天工作兩個六小時的手表。我們使用電子操作的高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對浮游動物進行采樣。

當網(wǎng)被恢復(fù)時，樣本包含許多不同的物種，并且動物通常仍然存活。將它們小心地移入托盤進行觀察和物種鑒定。盡管時間緊迫，工作艱苦，但我還是喜歡出海，參加過許多航行，包括對北極和南極海洋極地的驚人探索。

對于我的研究，海上采集的樣本可以快速保存用于遺傳分析，通常在實驗室中進行。這是艱苦的工作。浮游動物作為一個群體在分類學(xué)上是復(fù)雜的，這意味著它們包括許多難以鑒定的稀有物種。此外，許多重要的海洋生物，包括魚類，在其未成熟(幼蟲)階段缺乏診斷特征。

用遺傳標記鑒定浮游動物物種

為了理解，評估和管理海洋生態(tài)系統(tǒng)，獲取有關(guān)物種多樣性的信息至關(guān)重要。但是使用傳統(tǒng)方法獲取這些信息是繁瑣，昂貴和緩慢的。

這項工作屬于專家形態(tài)分類學(xué)家，他們可能花費數(shù)年時間學(xué)習識別物種之間差異的細微特征。由于有7,000種浮游動物描述物種跨越15個門和超過30個不同的群體，這項工作可能涉及大型團隊。

但分子方法正在提供重要的新見解。我的實驗室小組使用不同的分子方法來研究種群生態(tài)學(xué)，種群遺傳學(xué)，物種多樣性和其他有關(guān)海洋浮游動物的問題。

一種有效的方法是使用DNA條形碼 - 短的DNA序列 - 來識別和區(qū)分物種。為此，我們對已知在所有浮游動物中發(fā)生的遺傳區(qū)域的DNA進行測序，但在不同物種之間存在顯著差異。

我的實驗室確定了許多浮游動物物種的DNA條形碼。我們使用線粒體細胞色素氧化酶I(COI)基因的一部分，這是用于分析海洋動物物種多樣性的最常用的測序基因區(qū)域。不斷增長的條形碼數(shù)據(jù)庫被比作Rosetta Stone，用于全球浮游動物的物種鑒定?，F(xiàn)在可以獲得數(shù)千種海洋動物的COI序列。他們創(chuàng)建了一個寶貴的參考庫，可以作為下一代環(huán)境測序的基礎(chǔ)，也稱為元條碼。

使用元條碼加速我們的工作，因為我們可以從浮游動物樣本中對DNA進行測序，而無需識別單個樣本。這種“高通量”DNA測序產(chǎn)生數(shù)百萬個序列或metabarcodes，它們代表整個樣品的靶基因區(qū)域?？梢酝ㄟ^匹配已知浮游動物物種的序列數(shù)據(jù)庫來鑒定所得序列。

使用元編碼來定期和可靠地分析浮游動物的多樣性帶來了許多挑戰(zhàn)。然而，越來越多的研究人員正致力于建立參考數(shù)據(jù)庫，將DNA條形碼與全球海洋中隨處可見的浮游動物物種名稱聯(lián)系起來。

全球努力

科學(xué)家們預(yù)計，DNA條形碼和元條形碼將大大改變?nèi)驅(qū)Ω∮蝿游锒鄻有缘墓烙嫛５覀冎荒芡ㄟ^全球范圍的對話，合作和協(xié)作來實現(xiàn)這些方法的顯著前景。

一些國際合作努力鋪平了道路。它們包括2004 - 2010年的海洋浮游動物普查，其中發(fā)現(xiàn)了數(shù)千種物種并描述了數(shù)百種以前不為科學(xué)所知的新物種。我是綜合形態(tài)學(xué)和分子分類學(xué)工作組的成員，該工作組正在推進這項工作。深入了解浮游動物的生物多樣性將為未來研究，監(jiān)測和管理地球上最大的棲息地 - 開闊海洋提供基礎(chǔ)。