重力趋性生物对流驱动的多尺度主动输运增强了藻华的韧性

藻华通常由可运动物种主导1,2，其垂直迁移能够增强资源获取并促进藻华发育3,4。然而，藻华条件本身呈现出一种悖论：高细胞密度会加剧营养盐耗竭5和自遮蔽效应6，使得在严重资源限制下个体游动的代价不断上升。在此类胁迫下，可运动藻华如何持续存在并保持韧性，至今仍未得到解决7；尤其是在气候驱动的变暖加剧水体分层和资源匮乏的背景下8,9，更是如此。本文表明，形成赤潮的浮游植物海洋异弯藻（Heterosigma akashiwo）通过生物对流克服了藻华诱导的限制；生物对流是一种由其自身产生的主动流动，在超过临界细胞密度（>1.5x105 cells/ml）时出现。借助一个定制的“芯片海洋”平台，该平台重现了与藻华相关的限制条件，我们鉴定出细胞浓度、游动速度和趋重稳定性之间的一种最优协同作用，它促进了持续性生物对流羽流的形成。在细胞密度恒定的条件下，羽流起始受两种表型特征控制——垂直游动速度和重定向时间——这表明群体输运受单细胞生物物理特征的支配。我们进一步表明，生物对流驱动了具有生态学意义的多尺度输运，增强了分层界面间分子与微载荷的交换，模拟了藻华环境中营养盐、细胞外囊泡10以及共存物种11的输运。通过在主动推进在能量上变得难以承受时，使细胞能够“搭乘”其自身产生的流动，生物对流介导的输运改善了营养输送，恢复了光合性能，逆转了与营养胁迫相关的脂质积累，并促进细胞运动性的恢复，从而最终缓解资源限制。我们的研究结果将生物对流确定为一种维持藻华的群体水平适应机制，并揭示了群体微生物运动在生态胁迫下维持藻华持续性中的一种此前未被认识的作用。

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