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浮游生物觅食生态学的机理研究:洞察微型藻类细胞的运动行为

批准号:
32071609
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
刘权兴
依托单位:
学科分类:
可持续生态学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘权兴

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
生物运动行为是它们应对恶劣环境胁迫和优化搜寻食物效率导致的进化结果或表型可塑性。目前,科学家已经注意到包括植物在内的所有生物均具有主观的运动行为。然而我们对诸多生物运行行为的内在驱动机制和它们运动行为生态反馈效应了解仍然非常有限。本项目以海洋微型硅藻和虫黄藻为主要生物模型,通过实验获取它们在不同环境下的运行行为特点及其变化规律,建立具有普适广义的生物运动行为模型。结合理论模型和实验数据澄清它们运动行为的可塑性、内在机制和影响因素,并且建立微型藻类细胞的个体运动行为模型。进一步,通过整合个体运动行为和种群动力学过程,建立尺度级联效应的数学模型。结合流体动力学方程,澄清微型藻类细胞的主动运动行为对营养物质传输影响,并探索藻类细胞运动行为对其竞争、共存和物种多样性的影响。该研究成果将提供生物运动行为的新理论模型,可在行为生态与生态系统功能之间建立桥梁,并有助于阐述生态多样性的新机制。
英文摘要
Adaptive locomotion of living organisms contributes to their competitive abilities and helps maintain their fitness in diverse environments. To date, however, our understanding of searching behavior and its ultimate cause remains poorly understood in ecology and biology. Here, we investigate motion patterns of biofilm-inhabiting marine raphid diatom Navicula arenaria var. rostellata and Symbiodinium sp. in two-dimensional space. We will exploit the individual movement behavior at different concentrations of nutrient and describe the motions of cells with a universal theoretical model. Our experimental setup will comparable an optimal foraging strategy with a maximized diffusivity of the theoretical outcomes in which specific movement behaviors are integrated. Theoretical results of this project promote our knowledge on the evolving movement behaviors and optimization of searching behavioral strategy. Combined the classical fluidic dynamics and plankton behavior, we will exploit whether the optimized movement behaviors are an evolutionarily stable strategy to cope with environmental complexity.
本项目聚焦水生生态系统中藻类个体运动及集群行为,结合实验、模型和大数据分析,深入探讨生物自组织及其生态功能。研究周期为四年(2021年-2024年),取得了以下关键成果:超均匀格局机制:通过虫黄藻的个体追踪实验与模型模拟,首次揭示气液界面上的虫黄藻集群行为表现出无序超均匀态,其形成机制源于细胞间长程排斥作用。该发现为制备功能性无序超均匀材料提供了理论基础。微湍流与多分形特性:通过粒子轨迹分析,发现虫黄藻集群行为引发的微湍流现象,表现出典型的多分形和能量级联效应。研究表明,这种增强扩散的系统具有重要的生态学意义。生物对流形成与功能:构建生物对流流体模型并验证实验发现,生物对流促进垂直营养混合,为浮游植物在贫营养环境下的生长提供新解释。环境压力影响:通过对美国1000多个湖泊的浮游植物群落分析,揭示富营养化和全球变暖等压力对浮游植物多样性和组成的显著影响,并确定高磷、高温和低pH为关键驱动因子。保护区生态过程进化-适应多尺度效应:通过融合快生态与慢进化的动态模型,发现海洋保护区可能加强鱼类种群的波动性,提出优化渔业管理策略的新方向。本项目共发表3篇高水平论文(其中2篇发表于PNAS),另有2篇手稿在投稿中。研究成果不仅深化了对水生生态系统中藻类行为及其生态功能的认识,还为赤潮治理、海洋保护区规划及人类活动应对策略提供了科学依据,并培养了多名研究生和博士后,为水生生态领域学术研究和人才建设作出贡献。
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