Title：Reuniting biogeochemistry with ecology and evolution
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaz9096
导读
适用于持续环境变化的生物多样性保护策略需要具有预测全球生物地理模式的能力。宏观生态学研究——研究生物与其在大空间尺度上的环境之间的关系，报告了对淡水物种新信息的迫切需求，这些物种在全球范围内显示出异常高的下降和灭绝率。对淡水生物分布和群落组成变化的预测，迫使科学家们应对一个复杂的生态和进化过程交织的难题，包括自养生物将不同来源的无机碳转化为有机化合物的能力（碳固定）。一项开创性的全球分析，研究了淡水植物的一个关键功能特征——利用碳酸氢盐进行光合作用，这可以作为流域水化学性质的一个函数。
经典的水生生态学研究表明，藻类和大型水生植物在光合作用过程中使用各种形式的溶解无机碳，如二氧化碳（CO2）和碳酸氢盐（HCO3-）。利用碳酸氢盐是一种生理适应，这使得许多自养生物中在低CO2浓度下生存，这影响了物种排序，同时对物种分布和群落组装也具有影响。自从数据“如此之少，以至于尚未出现碳酸氢盐利用的模式”以来，新的研究已经大幅提高了我们对淡水植物利用碳酸氢盐的理解。然而，全球范围内这种特征的普遍性及其在不同空间尺度上的可预测性的证据仍然缺乏。现在，Iversen等人通过展示淡水植物群落中这种特征的全球分布取决于水中碳酸氢盐和CO2的浓度，填补了这一空白。
Iversen等人的工作的突破性至少有3个原因。（1）它为未来研究全球变化对淡水生物多样性和生态系统功能的影响铺平了道路。
（2）它强调需要开发模型，以动态模拟淡水中溶解无机碳的动态，这些模型超越大家对大气中CO2排放的关注。
（3）它是一个跨时空尺度和知识领域的整合生态学的有力例证。
自20世纪80年代以来，水生生态学的发展已经确定，当首选的碳源CO2以高浓度存在时，利用碳酸氢盐进行光合作用的竞争优势就会消失。Iversen等人表明，由于水中CO2浓度不同，这种特征的普遍性在湖泊和河流群落中有所不同。因此，CO2的浓度作为一种生物地球化学开关，影响这种功能特征对物种的排序。反过来，这个开关又受到生态系统功能和流域地球化学性质（如矿物风化、生态系统代谢、空气-水气体交换以及河流网络的水文和地貌）的调节。
在陆地生态学中，植物光合作用的不同碳浓缩机制为研究气候变化对陆地植被生物多样性和功能的影响提供了一个预测框架。类似地，碳酸氢盐利用对一个对全球环境变化敏感的开关依赖可能为淡水研究提供同样的机会。例如，在河流中，生物地球化学的CO2开关可能会根据生态系统代谢对全球温度和营养水平变化的响应，从关闭（高CO2）变为开启（低CO2）。反过来，湖泊中CO2浓度的代谢控制可能与流域碳酸氢盐浓度的持续变化相互作用。
这项新研究还强烈呼吁开发更好的河流网络生物地球化学模型，这些模型需要考虑无机碳的来源和动态的全部复杂性。过去十年中发表的众多关于有机碳归趋和大气CO2排放的研究促进了科学家对内陆水体在全球碳循环中作用的理解。然而，先前的研究往往缺乏对无机碳动态的全面描述。Iversen等人表明，明确影响无机碳循环的其他组成部分（如碱度、碳酸氢盐浓度、方解石沉淀和风化）的研究对于解读淡水中的额外生态和进化过程至关重要。尽管在大尺度上整合复杂的地球化学和生物相互作用具有挑战性，但这些模型描绘了更精确的淡水碳循环，并更好地为生物多样性保护和地球系统建模的多学科研究提供信息支持。
Iversen等人研究中的生物地球化学开关通过采用多尺度方法（从生理过程到全球模式）变得明显，这种方法结合了多学科（宏观生态学、生理学、生物地球化学）的信息来源，并寻求群落生态学、进化和生物地球化学之间的结合。这种综合生态学研究通过弥补子学科之间的差异，揭示了自然奥秘。最近的研究也强调了这种综合视角对于定义生态位、共生相互作用的进化和深海原核生物地理学等主题的有用性。这些不同的多学科进步并没有以任何方式减少由单一知识领域的研究在生物地球化学、群落生态学和进化方面的快速和宝贵的进展。然而，Iversen等人研究表明，采取生态科学广泛视角的研究有潜力揭示多方面的机制，这些机制可以帮助科学家预测全球变化，为生物多样性保护策略提供信息。
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