海洋生物组学实验室
2016-10-17   |   8:00 am - 5:00 pm
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实验室建设目标

        南方科技大学海洋生物组学实验室(The Institute for Geo-Omics Research, TIGOR)的发展愿景和使命是:在满足国家战略需求的基础上,拥有最雄厚的师资队伍,通过系统研究的创新和优秀复合型人才的培养,成为国际顶尖生物地球化学实验平台之一。现阶段实验室致力于研究四大前沿方向:1)物理海洋及沉积过程驱动的微生物海洋学和生物地球化学;2)甄别上层海洋生物化石的保留与沉积物的成岩成矿作用;3)生物信息学指导与地质信息学验证的生命演化;4)以提升国民经济价值为目的的生物医学、生物工程、和环境保护。这四大研究方向最大限度地体现了古今结合、海陆结合、科学与技术结合、及地球科学与生命科学结合的多学科交叉的特点;并量化为两个产出:创新性研究成果(科技论文及技术突破)和社会效益(研发新的深海代谢产物和生物药品)。这将完全符合国家十三五规划所强调的把“宇宙演化”、“物质结构”和“生命起源”列为今后重点发展的战略的要求。

        海洋生物组学实验室在组建初期,将优先打造四个技术分析室,即“可视化”(visualization)分析室、“指纹化”(fingerprinting)分析室、“数字化”(digitalization)分析室、和生物工程(biotechnology)分析室。这四个分析室体现了实验室对地球生物组学研究的超前布局,并将成为南方科技大学海洋科学研究的超强优势和特色。我们期望能在地球早期生命演化,近代人类活动影响的生物演化,微生物代谢谱图,物理-化学-生物偶合过程,深海有机碳循环机制,及生物地球化学前沿理论(脂类合成、同位素分馏)等重大科学问题上做出一系列成果。

 

研究方向及内容

针对以上重大科学问题,制定出以下从区域入手、全球布局的研究方向和内容:

 

1、以珠江入海口为中心辐射东南亚的近海生物地球化学和生态观测网

        入海口区是海陆交互、生物地球化学过程活跃、易受人类活动影响的生态体系,也是研究物质“从源到汇”的输运,及其在海洋水柱中的物理、化学与生物过程等重大科学问题的理想场所。因此,选择这一研究方向有着深远的意义。

        珠江是流入南海的众多河流中的典型代表,其入海口区是南方科技大学得天独厚的近海研究基地,非常有利于开展生物地球化学交叉学科的研究,将使我们在最短的时间内建成生态系统观测网,对物理-化学-生物相互作用进行长时间、不同空间尺度的连续观测,以评估近代人类活动所影响的生物演化及气候变化。

        我们的长期目标是在对珠江入海口系统研究的基础上,拓展到对南海周边其入海口的研究,包括台湾河流入海口、红河入海口和湄公河入海口,在全海盆尺度上整体性地研究陆源搬运、人类活动、及气候变化对海洋生态系统和生物地球化学过程的影响。

 

2、以巴士海峡贯通南海和西太平洋的物理-生物海洋学

        海洋微生物在海洋有机碳和无机碳的互换过程中起着关键作用,它们作为碳储库影响着海洋及沉积物,是全球气候变化的幕后推手之一。微生物海洋学的研究一直以来集中在温度、营养盐、水深等因素对生物群落结构和功能的影响,而忽略了在更大尺度上物理海洋对微生物生物地球化学过程和生态系统变化的影响。

        南海作为世界最大大陆(亚洲)与最大大洋(太平洋)之间的最大边缘海,是研究海陆相互作用和边缘海与大洋之间交换的关键海区,也是研究全球气候变化的最佳场所之一,在中国地球系统科学中有着极其重要的地位。而巴士海峡是南海与西太平洋物质交换的通道,对南海的水流运动、营养盐格局、和生物群落结构变化有着巨大的影响。

        本研究方向将综合运用现代分子微生物学、海洋化学和脂类生物地球化学等多种现代化方法技术,揭示在物理海洋动力(环流、中尺度涡和内孤立波)框架下不同微生物之间的相关性或相互作用的机理,阐明微生物重要类群的生理生化特点、膜脂组成差异和碳同位素特征,厘清南海沉积物中特征生物标记物碳同位素的变化过程。在此基础上建立新的古海洋环境恢复指标,为评估微生物在长时间尺度上海洋碳循环过程中的作用提供科学依据。

 

3、以马里亚纳海沟为构架的环太平洋深渊生物圈

        长期以来,人们对海洋的研究受限与水深6000米以浅的区域,对占全球海洋垂直深度45%的深渊区知之甚少。而水深6000米以深的海域,主要以海沟形式存在,是连接地球表层与深部物质和能量交换的重要通道。全球著名的海沟有37条,主要分布在大陆边缘,而大部分分布在太平洋,占所有海沟数量的76%,其中最具代表性的是全球最深的靠近日本的马里亚纳海沟(水深11,000 m),正成为国际深渊生物和地球化学过程研究的热点。

        随着国家经济实力的增加,越发重视海洋的战略开发,国内多家单位(包括上海海洋大学深渊科学技术研究中心、中国科学院三亚深海科学与工程研究所、中国科学院南海海洋研究所、国家海洋局所属的第一至第三研究所、中国船舶重工集团公司第702研究所等)都在积极推进深潜器的研发和深海科学研究工作,正成为国际深渊研究的排头兵和引导者,南方科技大学海洋生物组学实验室将利用自身的优势,既拥有DNA和有机分子水平上所驱动的生物地球化学的研究力量,积极与这些研究单位合作,成为国际上深渊生物圈研究的一支独特力量。目前正参与中国海洋大学领导的“马拉松”海沟计划,具体负责马里亚纳海沟生物组学的研究,将首次构建水深6000米以深的深渊微生物的宏基因组及其代谢图谱,为揭示黑暗、高压极端环境下的生命过程和演化提供宝贵的数据和线索。同时在基础研究的指导下,开发深海生物资源,包括新的自然化合物和深渊微生物的特殊代谢产物,提升基础研究对社会效益的贡献。

 

4、以地史演化为目的的全球海洋地质微生物学

        以上三方面的研究以水体为特征,代表着现代时间尺度。而第四方向的研究将拓展时间尺度,将今论古,并在对古的理解的基础上,展望未来地球生物过程的走向,特别是人类活动对全球气候变化、生物群落结构和进化的影响。

        地球历史上的生物灭绝和演化都是伴随着重大的气候变化和地质事件(包括5亿年以前的雪球地球、外部星体对地球的撞击),或地球内部有害气体(CO2,H2S等)向大气层的释放,而微生物在每次重大事件后的草根行动是其它生物得以恢复和重新走向繁盛的基础。与研究具有化石骨骼的大生物(动物)和陆地植物相比,古微生物的研究因缺少类似的化石而举步维艰,进展缓慢。但随着先进的DNA测序手段和生物信息学技术的发展,微生物演化的研究可以在不需要化石证据的条件下进行,因此将彻底打破这一瓶颈问题,并开辟出一个崭新的地球-生命协同演化的研究方向。南方科技大学将与国际上该前沿学科最具影响力的科学家合作,引进人才,构建平台,迅速成为国内该方向研究的佼佼者和引领者,同时与地质微生物学的另外两个先进技术(有机生物标记物和矿物化石)相结合,打造成国际上地球生物学研究实力雄厚和最具影响力的研究单位之一。

 

经费预算

        南方科技大学海洋生物组学实验室的发展将避开国内传统优势学科,比如中国海洋大学的物理海洋学、同济大学的海洋地质与古气候、或厦门大学的海洋化学和分子生态学。因微生物海洋学和地球生物学是国际上最近兴起的前沿学科,在中国还只是刚刚起步,我们将抓住这一学科的发展空白,在南科大打造优势学科,把微生物海洋学和地球生物学相结合,一举进入国际最强地球生命交叉学科方向研究实验室之列。

        在实验室平台的搭建上,我们将成为仪器设备最齐全、最先进,技术支撑最雄厚的实验室。因此平台建设的前两年(2017-2018)将优先购置学科发展急需的仪器设备,包括“可视化”(visualization)分析室所需要的扫描电镜(SEM)、透射电镜和X-衍射仪,“指纹化”(fingerprinting)分析室所需要的气相色谱-质谱、液相色谱-质谱、单体化合物同位素质谱,和“数字化”(digitalization)分析室所需要的大型计算机和生物信息学分析手段。另外,为配合实验室工作,将购置多套野外样品采集所必须的沉积物捕获器和大型原位水过滤装置。具体经费预算见列表,共2940万;另外需要两年60万,用来召开国际人才引进会议和科学研讨会,以及出国访问国际同行实验室的费用。

 

可行性分析

        实验室将在最短时间内拥有一支优秀的国际型年轻人才队伍,充实和完善以上四个分析室的建设。在2-3年内引进的人才队伍将包括“千人计划”和“青年千人计划”3人,国家优秀青年基金获得者3人,和7-8名国外著名大学毕业和工作的海外年轻骨干。力争在五、六年时间内发展成20-25人左右的具有国际竞争力的研究群体,三年后学科竞争力进入国内高校前五名,五年内成为亚洲第一,十年时间内成为国际上领先的在DNA和有机分子及矿物原子水平上高度交叉和整合的具有超前发展理念的地球生物学学科,最终使该学科在南科大成为培养国际一流人才并汇聚国际顶尖人才的研究基地和平台。

  • 地址:广东省深圳市南山区学苑大道1088号
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