新的研究显示，快速繁殖的草皮藻正在进行“化学战争”，以抑制缅因州温暖海岸上海带森林的恢复。
作为温带地区的海洋变暖，海带森林正在崩溃，草皮藻物种正在取而代之。这种从密集的高海带冠层转变为低矮的草皮藻垫的变化正在驱动生物多样性的损失，并改变营养和能量在珊瑚礁生态系统中的流动。
这也根本改变了沿海生态系统的化学生态。
由比戈洛实验室海洋科学研究人员主导的新研究首次展示了草皮藻如何释放可以杀死幼海带的化学物质。这创造了一个反馈循环，更多的草皮藻意味着更多有害化学物质，这进一步抑制了恢复并加强了海带森林的崩溃。科学家称这种经过化学介导的相互作用为自分泌作用——或者作者更直接地称之为化学战争——揭示了气候变化正在间接重塑海洋生态系统的方式，使缅因州快速变暖海岸的海带森林恢复变得复杂。
该研究还包括来自缅因大学、加州大学河滨分校、图宾根大学、佩里海洋科学研究所和哈佛大学的研究人员，共同结合广泛的实地调查、先进的化学分析和新型实验室实验。
“这就是为什么这项研究如此强大的原因，”比戈洛实验室高级研究科学家道格·拉舍尔（Doug Rasher）说，他是这项研究的资深作者。“它逻辑上从描述自然中的一种模式——海带森林缺乏恢复——展开，到揭示海带森林和草皮礁的化学景观截然不同，再到指出草皮藻及其释放的化学物质防止了海带的招募。”
海带森林崩溃以及被草皮藻取代的影响在全球温带生态系统中已经得到了充分的记录。
“这种从海带到草皮的转变类似于陆地森林转变为草原，”该研究的首席作者、缅因大学博士生香农·法雷尔（Shane Farrell）说，他在拉舍尔的研究小组中工作。“随着海带森林的丧失，我们看到生物多样性、生产力及其为人类提供的生态系统服务下降。”
之前的研究已经显示，一旦草皮藻建立，它们可以通过占用礁石的空间或栖息小型食草动物（它们会吃幼海带）来抑制海带的恢复。
在热带生态系统中，比如雨林和珊瑚礁，科学家们之前已经显示化学环境的变化在锁定生态系统处于降解状态和防止基础物种恢复中也起着作用。但还没有研究考虑这种类型的化学变化是否在温带海带森林中起作用。
为了解答这个问题，研究人员在缅因湾进行了三年的实地调查，记录新海带在缅因海岸南部森林崩溃区挣扎求生的模式。在这些调查中，团队收集了水和海藻样本进行化学分析。
研究人员并没有专注于已知物质，而是与加州大学河滨分校的丹尼尔·佩特拉斯（Daniel Petras）研究小组合作，采用非靶向代谢组学分析来理解样本中的多样化化学成分。这种方法涉及分析系统内的所有小分子，使研究人员能够广泛识别在海带和草皮藻主导的地点中水、海藻和礁石本身的独特化学特征。
为了描述存在的水中化学物质，这些方法依赖于分离分子并将其分解成碎片，然后将这些碎片与参考库进行匹配，就像通过指纹识别一个人一样。
但正如法雷尔指出的，研究人员在此环境中发现的化学特征中不到2%是之前描述过的。为了填补这些空白，团队转向新型计算工具，这些工具利用化学碎片化模式来预测化合物身份、分子式，甚至化学结构。这些预测使研究人员能够将未知化合物归类为广泛的化学家族，突显出海带森林的化学环境与草皮主导礁石的不同之处。
“看到我们的非靶向代谢组学工具如何为因为环境变化而产生的迷人化学复杂性提供新视角，真是太棒了，比如入侵性藻类，”佩特拉斯说。“当我们将化学数据与功能信息（比如海带生存）结合时，这种能力变得尤其强大。”
在一系列实验室实验中，研究人员测试了草皮主导礁石周围所有水中化学物质及五种最多样化草皮藻释放的特定化学物质对海带早期生活阶段——配子体的影响。实验表明，当暴露在草皮藻释放的化学物质中时，配子体的生存率显著下降——在某些情况下下降幅度可达500%——确认新的化学环境直接导致了海带的死亡。
“我们的研究首次揭示了化学战争可以支撑冷水海带森林的反弹潜力。令人惊讶的是，我们在草皮礁上识别的一些相同类型的分子也参与热带珊瑚礁的恢复动态，”拉舍尔说。“这表明我们在温带礁石上的化学战争、涉及的生物及分子以及这一过程的全球变化仍有很多需要学习的地方。”
拉舍尔的研究小组之前的工作确认了海洋变暖是缅因湾海带森林衰退的主要推动力。但这些新发现显示草皮藻如何能将生态系统锁定在一个降解状态，将使促进海带森林恢复变得更加具有挑战性。
“草皮藻一旦建立，仅仅遏制全球碳排放和逆转海洋变暖是无法恢复缅因的海带森林的，”法雷尔说。“因为这些反馈机制，我们需要局部干预来去除草皮藻，海带才会实际上恢复。”
这项研究得到了国家科学基金会建立的竞争研究刺激计划（资助编号 #OIA-1849227）、路易斯·H·与大卫·S·英戈斯基金会、PADI基金会、埃塞克斯大道基金会和德国研究基金会的支持。
