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维基百科对许多植物和动物物种的兴趣普遍存在季节性趋势,光合作用产生的总化学能称为总初级生产

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北半球的冬天是残酷的,恶劣的环境迫使一些物种冬眠,熊会降低它们的新陈代谢状态来保存能量直到春天。森林也通过节约能源来度过冬天,关闭了光合作用,一种叫做叶绿素的绿色色素通过吸收阳光和二氧化碳来产生为植物提供能量的化学能。光合作用产生的总化学能称为总初级生产。常绿森林中的GPP能告诉科学家这些巨大的系统吸入了多少二氧化碳。由于光合作用将二氧化碳从大气中拉出,了解森林活动对跟踪全球碳水平至关重要。

来自牛津大学,伯明翰大学和内盖夫本古里安大学的国际研究团队发现,人们使用互联网的方式与自然界中的模式和节奏密切相关。这项发现于3月5日在开放获取期刊PLOS生物学上发表,提出了监测世界生物多样性变化的新方法。它还揭示了新的方式来了解人们对自然的关注程度,以及哪些物种和区域可能是最有效的保护目标。

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该团队使用维基百科的综合浏览量记录来调查人们对植物和动物的在线兴趣是否遵循季节性模式。他们收集了大量数据集,其中包括23个维基百科语言版本中的31,715种物种,其中包含近23年的23.3亿次综合浏览量。研究人员发现,维基百科对许多植物和动物物种的兴趣普遍存在季节性趋势,其数据集中超过四分之一的物种在其综合浏览量中显示季节性。

几十年来,科学家们一直使用卫星来监测落叶林的绿度变化来跟踪GPP。在秋天和冬天,落叶在休眠时变成棕色并掉落。在春季和夏季,叶绿素随着绿叶和光合作用的增加而返回。然而,常绿乔木常年保持着充满叶绿素的绿色针叶,阻碍了科学家大规模地检测光合作用的开始和下降。一项新的研究首次将季节性GPP循环与光合作用过程联系起来,但某些卫星——太阳诱导荧光已经可以追踪到这一过程。当太阳的能量激发叶绿素进入更高的能量状态时,光合作用就发生了。

对于这些季节性物种,研究人员发现,互联网活动的数量和时间准确衡量了物种在窗外的世界何时以及如何存在。该团队认为,仅通过了解有关物种的互联网活动,就可以衡量物种存在和丰度的变化。

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通过深入研究这些季节性模式,研究人员发现了几个有趣的趋势。通常,维基百科页面的季节性兴趣反映了物种本身的季节性模式。例如,开花植物的页面往往具有比针叶树更强的季节性趋势,针叶树没有明显的开花季节。同样,昆虫和鸟类的页面往往比许多哺乳动物的页面更具季节性。

太阳诱导荧光的季节动态与科罗拉多州Niwot
Ridge针叶林的日累积初级生产总量密切相关。图片:Adapted from Magney et
al. PNAS

维基百科的不同语言版本也显示出不同的季节性模式:维基百科在大多数高纬度地区使用的语言(例如芬兰语或挪威语)对物种的季节性兴趣比维基百科版本更多,这些语言主要是在较低(因此季节性标记较少)的纬度上使用的语言,如泰国或印度尼西亚。

当叶绿素恢复到正常状态时,它会发出光子,产生的光对肉眼来说太低了,产生的“辉光”。一个合作的研究团队在一座塔上使用扫描光谱仪来测量科罗拉多常绿森林中整个季节的荧光“辉光”。该团队是第一个将SIF与针生理学、冠层光合作用和卫星获得荧光联系起来的团队。他们发现,每日和季节的SIF模式与GPP的时间和大小紧密匹配。在春季,常绿植物激活针叶中的叶绿素,从而驱动荧光和光合作用,这与卫星能够测量到的SIF密切匹配。

除了将在线兴趣的季节模式与自然模式相关联之外,研究人员还确定了季节性模式对文化事件做出反应的情况。例如,英国野生火鸡的网页浏览量显示,感恩节和美国春季狩猎季节的日期重复出现年度峰值。美国的电视活动鲨鱼周也引起了人们的兴趣。

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这些模式共同表明人们的在线行为可以对自然界中的现象做出反应。人们越来越脱离大自然,因此我们并不真正期望他们的在线活动能够回应自然界的模式,主要作者和牛津大学博士生John
Mittermeier评论道。要看到在线活动经常与自然现象密切相关,这表明人们正在关注他们周围的世界,并从保护的角度来看,这真的令人兴奋。

植物在严酷的冬天保护自己的方法之一就是使用光保护色素,这种色素可以起到“防晒”的作用。研究发现,当植物使用这种防晒霜时,光合作用和荧光都会降低,这使得科学家们对SIF信号有信心,认为它是监测常绿森林呼吸的一个代理。现在,科学家们可以利用卫星上的荧光测量数据,以前所未有的规模来衡量常绿森林的光合作用活动。通过从太空中看到常绿森林的光辉,可以更好地理解这些森林是如何应对气候变化的。美国宇航局喷气推进实验室和加州理工学院的科学家特洛伊·马格尼说:

不幸的是,对世界上所有物种进行真正广泛,准确的监测仍然是科幻小说,牛津大学生物多样性与保护副教授Richard
Grenyer补充道。但是通过使用这些大数据方法,我们可以开始缩小一些更难的问题,并切入现代保护的核心问题:世界如何变化,哪个物种变化最大,人民在哪里?谁最关心,可以做最多的帮助。

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研究小组认为,将这些方法应用于保护政策和行动方面有很大的潜力,例如选择旗舰物种或标志性区域。例如,能够识别特定物种感兴趣的季节性峰值可以帮助组织决定何时以及如何启动特定的筹款活动。

光谱仪系统安装在科罗拉多州尼沃特岭亚高山针叶林的一座塔顶上用来测量收集数据,科学家们将该系统测量到的太阳诱导荧光与针叶树针叶内部生理变化进行了比较,以便更好地理解为什么我们能看到SIF的季节周期。图片:Troy
Magney

我们正在努力开发技术,以便能够在大范围内‘看到’光合作用,因此我们知道生物圈正在消耗多少二氧化碳。Magney和团队在科罗拉多州Niwot
Ridge亚高山针叶林的一座塔顶安装了一个光谱仪系统,从该系统上收集了数据。能够解开针叶树针叶内部的生理变化,从而更好地理解为什么我们能看到SIF季节循环。原来,这一切都与色素有关。你和我可能会被晒伤,太多紫外线辐射会损害我们的细胞。一些人可以保护自己——他们的皮肤会产生更多的黑色素来适应强光环境,植物也有一个不同但相似的过程。

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没有光合作用来利用太阳的能量,植物需要保护自己。研究人员发现,针叶树产生大量色素,这些色素是叶黄素循环的一部分,可以保护其组织免受过多光线的照射。在整个季节里,“防晒霜”的成分会发生变化(冬天更多,夏天更少)降低荧光和光合作用。最终,通过测量植物发出的微弱荧光,可以准确地看到陆地生物圈吸收碳的时间和数量。这将帮助我们了解森林如何应对气候变化,并提出它们可能如何应对未来的气候变化。

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