破解一滴水的生态密码！分类学与生态学如何协同“诊断”

在气候变化和水环境压力不断加剧的今天，水中的浮游生物显得格外重要。它们不仅制造了地球上约一半的氧气，还决定了水体的健康与生态平衡。然而，在过去的研究中，对这些微小生命的探索往往是割裂的：一类科学家专注于分类学，另一类则投身于生态学。

其中分类学家关心的是“它们是谁”。他们通过显微镜和分子技术，精确地鉴定物种，厘清它们的亲缘关系。而生态学家则关心“它们在做什么”。他们研究不同物种之间的相互作用，以及它们如何影响整个生态系统的运行。

这两个看似独立的领域，其实在研究水环境时缺一不可。分类学提供基础，生态学赋予意义。只有把这两种视角结合，我们才能真正理解一滴水中的世界。

作为水利部中国科学院水工程生态研究所水生态环境监测中心水生生物监测室的一名科研人员，我主要从事水生态监测、基于着生硅藻的流域健康评价等相关工作。接下来我想谈一谈我的科研工作，尤其是如何在实际工作中，亲身经历并努力弥合浮游植物分类学与水生生态学之间的鸿沟。

一个都不能少

研究水生态系统的起点是物种分类。任何生态学研究都必须建立在准确的物种鉴定上。如果连研究对象是谁都不清楚，后续分析就失去了基础。这⼀点在有害藻华（HABs）的研究中体现得淋漓尽致。

例如，在全球范围内引发蓝藻⽔华的是铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa），其不同的品系在产毒能⼒上存在天壤之别。⼀个⽔体中的优势种即便被鉴定为铜绿微囊藻，如果不能进⼀步区分其是否为产毒株系，就可能严重低估或高估该水体的⽣态⻛险。可见，分类学的精确程度，直接决定了生态学结论的可靠性。

铜绿微囊藻造成的藻华

（图片来源：Wikipedia）

显微镜下的铜绿微囊藻

（图片来源：Wikipedia）

在实际研究中，由不同藻类引发的水华，其表现形式差异显著。例如，上述球形的蓝藻如微囊藻等，可形成不规则的多细胞群体，且细胞内还具有气囊，它们可以通过调节浮力从而大量的聚集在水体表层，极具视觉冲击力，便于管理部门及时发现并快速采取预警和应对。。反之，丝状蓝藻的单细胞为圆柱形或椭圆形，多个细胞连接形成短丝状，可在水体中各个水层中弥散型分布，很少在表层聚集，这种特性使得管理部门难以迅速察觉水华发生，从而对公共安全构成潜在威胁。

丝状蓝藻是产藻毒素和异味物质的主要类群。然而，尖头藻、假鱼腥藻和细鞘丝藻等种类形态非常相似，其产毒和产异味的能力却差异显著。若仅凭形态学无法对其进行精确鉴定，则难以准确评估其潜在的生态风险。

以尖头藻（Raphidiopsis）为例，它最初发现于印度尼西亚爪哇岛，随后逐渐扩散至澳大利亚、非洲等热带地区。近年来，在南美洲、亚洲南部等热带与亚热带水域中也广泛出现。随着全球气候变暖及人类活动的影响，尖头藻正迅速向北扩张，已成为部分重要水源地水库中的夏季优势种。

这背后有一个鲜为人知的故事：该藻类原本并不叫“尖头藻”，而是被称为拟柱孢藻（Cylindrospermopsis），其产生的毒素也相应称作拟柱孢藻毒素。然而，随着研究手段的进步，科学家发现两者在形态尤其分子（DNA）水平上不足以划分为两个属，因此分类学上建议合并。但合并后应使用哪个名称成为难题。最终依据命名优先原则，由于“尖头藻”一名出现更早，广泛使用的“拟柱孢藻”被归入其下，统一称为尖头藻。

有趣的是，如今尖头藻所产生的毒素仍保留原名“拟柱孢藻毒素”（CYN）。这一命名上的插曲，成为研究尖头藻分类学与生态学的学者间一段有趣的谈资，也提醒着两类研究者应相互促进、共同推进学科发展，真正做到“一个都不能少”。

尖头藻、假鱼腥藻、细鞘丝藻和浮丝藻

（图片来源：作者实验室）

分类学并不是孤立存在的。⼀个物种的意义，并不只在于形态描述或系统发育树上的位置，而在于它在生态系统中的角色。只有把它放进生态学的研究中，观察它如何与其他物种互动、对环境产生什么影响，我们才能理解它为什么重要。例如，当⽣态学家在研究中发现⼀个功能奇特、但形态上难以区分的类群（即“隐存种”，Cryptic Species）主导了整个⽣态系统时，这会促使分类学家进一步深入研究。换句话说，分类学和生态学缺一不可：一个提供基础，一个赋予意义。

殊途同归的两个研究领域

虽然分类学家和生态学家看似走在两条路上：前者专注于物种鉴定，后者关注系统运行。但他们追求的目标其实是一样的——理解水中生命如何影响环境。只有把两种方法结合，研究才真正有意义。

浮游植物分类学家通过显微镜和分子手段，确保⽣态系统中的每⼀个物种都能被精准识别。他们提供的不是⼀份简单的物种名录，⽽是⼀份带有功能注解的⾼精度蓝图，从而避免把差异巨大的物种混为一谈。生态学家则利用这些精确的物种信息，把个体物种放入更大的时空背景中，分析它们的数量变化、相互作用以及对环境的响应。就这样，这两个领域形成了互补：分类学保证研究对象准确，生态学揭示系统如何运转。而一旦这两个领域的研究方法结合时，就能带来新的研究模式：

第一，有害藻华的风险评估。在传统的监测中，生态学家通常依靠遥感或传感器来跟踪水体的叶绿素浓度。一旦浓度异常升高，就会被解读为可能的藻华预警。但这种方式无法判断是哪类藻在快速增长，也分不清它们是否有毒。分类学家的工作能补上这一环：通过显微镜观察或现场分子检测（如 qPCR），可以确认藻华到底是无害的硅藻水华，还是潜在有毒的蓝藻水华，甚至进一步锁定是哪一类产毒基因型在主导。这样，管理部门收到的预警就从“可能有问题”变成了“具体是什么问题”，大幅提高了准确性和可操作性。

第二，创建更灵敏的水质评价体系。在许多水质评价体系中，研究者常用硅藻整体比例作为指标，因为硅藻类群对营养盐和水环境条件比较敏感。但这种做法仍然过于粗略，容易忽略物种间的重要差别。分类学家能够识别出某些对特定因子（如重金属、农药或酸碱度）极其敏感的指示种。以舟形藻（Navicula）为例，其中一些物种对pH的变化非常敏感，一旦数量明显下降，就能预示水体酸碱度正在发生改变。生态学家把这些信息纳入模型后，就能在水质还没有大幅恶化前，捕捉到早期信号，使评价体系更灵敏、更精细。

不同形态的硅藻

（图片来源：Wikipedia）

第三，分子技术与形态学互补。高通量测序（HTS）能提供浮游植物群落的全景信息，显示出不同类群的相对丰度和多样性。但它也有两个主要问题：一是相对丰度不等于实际生物量，二是数据库中仍有大量序列没有明确物种注释。分类学家的显微镜观察和计数能很好地弥补这些不足。通过把显微镜下看到的主要物种与测序数据对应起来，研究者既能获得真实的生物量信息，也能为数据库中未注释的序列找到形态依据。这样，结果既有测序的广度，又有形态学的精确性，形成一份既全面又可靠的群落结构报告。

当显微镜的精细观察与模型的整体分析结合在一起时，就能形成一种更精准的监测和评价方法。也因此，分类学家和生态学家的关系正在发生变化,从过去分头研究，逐渐转向深度合作。分类学家不仅鉴定物种，还参与到生态学数据的校准工作中来。生态学家也不仅是使用物种数据的人，而是能与分类学家一起提出问题、解释结果的伙伴。这样的结合，才是我们理解和管理日益脆弱的水生态系统所必需的方向。

浮游植物分类学和水生态学分别回答了两个基本问题：前者回答“谁在场”，后者回答“他们在做什么”。任何一方单独存在都不完整，只有结合起来，才能全面理解水中的生命网络。在气候变化和水环境危机日益加剧的今天，这种结合不仅是科学研究的趋势，更是保护水生态系统和人类未来的必要途径。

出品：科普中国

作者：陈威（水利部中国科学院水工程生态研究所）

监制：中国科普博览