看不見的碳捕手：浮游生物的生態(tài)貢獻(xiàn)有哪些？
小楊 / 2025-02-13 09:44:41
海洋中最勤奮的生物之一是微小且?guī)в恤浯渖{(diào)的原綠球藻（Prochlorococcus marinus）。這種比人類紅細(xì)胞還要小的單細(xì)胞微型浮游生物廣泛分布在海洋表層水域，是地球上數(shù)量最多的光合作用生物，原綠球藻的固碳能力甚至可與陸地作物相媲美。如今，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，這種微小的綠色生物在海洋碳循環(huán)和碳儲存中扮演著至關(guān)重要的角色。
最近，MIT 的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了原綠球藻在調(diào)節(jié)海洋生態(tài)方面的一項(xiàng)新功能——“DNA構(gòu)建塊的交叉喂養(yǎng)”。在發(fā)表在 Science Advances 上的一篇論文中，研究團(tuán)隊(duì)指出，這些微生物會將多余的化合物釋放到周圍環(huán)境中，這些化合物隨后被其他海洋生物吸收，用作營養(yǎng)來源、能量供應(yīng)或代謝調(diào)節(jié)物。換句話說，原綠球藻排放的廢棄物成了其他微生物的寶貴資源。
更有趣的是，這種交叉喂養(yǎng)表現(xiàn)出規(guī)律的周期性：原綠球藻通常在夜間釋放這些分子，而其他微生物會迅速將其吸收。研究發(fā)現(xiàn)，對于海洋中最豐富的細(xì)菌之一 SAR11 而言，這些夜間的“零食”具有類似放松劑的作用，能夠減緩它們的代謝速度，為第二天的活躍狀態(tài)積蓄能量。
通過這種交叉喂養(yǎng)，原綠球藻不僅僅是在簡單地釋放多余物質(zhì)，還在幫助眾多微生物群落實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生長。這種互動模式可能為全球范圍內(nèi)微生物的日常節(jié)律奠定了基礎(chǔ)。
MIT 教授、該研究的共同作者 Sallie “Penny” Chisholm 表示：“海洋生態(tài)系統(tǒng)中兩類最豐富微生物之間的關(guān)系一直是海洋學(xué)家關(guān)注的謎題。”早在 1986 年，她便參與了原綠球藻的發(fā)現(xiàn)。她補(bǔ)充道：“如今，我們終于能夠窺見它們之間精妙的協(xié)作關(guān)系，這種協(xié)作維持了廣闊海域中微生物的生長與生態(tài)平衡。”
由于原綠球藻和 SAR11 廣泛分布于表層海洋，研究團(tuán)隊(duì)推測，這些分子之間的交換可能是海洋中最關(guān)鍵的交叉喂養(yǎng)關(guān)系之一，在海洋碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。
“通過深入研究交叉喂養(yǎng)的細(xì)節(jié)和多樣性，我們正逐步揭示塑造碳循環(huán)的關(guān)鍵力量。”該研究的第一作者、MIT 地球、大氣與行星科學(xué)系研究員 Rogier Braakman 表示。
參與這項(xiàng)研究的其他MIT合作者還包括 Brandon Satinsky、Tyler O’Keefe、Shane Hogle、Jamie Becker、Robert Li、Keven Dooley 和 Aldo Arellano。此外，來自伍茲霍爾海洋研究所的 Krista Longnecker、Melissa Soule和Elizabeth Kujawinski 也共同參與了研究。
發(fā)現(xiàn)“漂流者”
交叉喂養(yǎng)在微生物世界中十分普遍，但這一過程通常在關(guān)系密切的群落中得到了更深入的研究。例如，在人類腸道內(nèi)，微生物彼此距離很近，能夠輕松地交換資源并共同受益。
相比之下，原綠球藻是一種自由漂浮的微生物，時(shí)常受到海洋表層水流的翻騰和混合作用。盡管科學(xué)家早已推測這些浮游生物在一定程度上參與了交叉喂養(yǎng)，但它們具體如何互動以及哪些微生物從中受益，一直難以明確。由于原綠球藻排放的物質(zhì)濃度極低，難以被檢測，這也為研究帶來了不小的挑戰(zhàn)。
然而，在 2023 年的一項(xiàng)研究中，Braakman 與伍茲霍爾海洋研究所的科學(xué)家合作，利用他們開創(chuàng)的技術(shù)成功測量了海水中的微量有機(jī)化合物。在實(shí)驗(yàn)室中，研究人員在不同條件下培養(yǎng)了多種原綠球藻菌株，并對其釋放的物質(zhì)進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，原綠球藻主要分泌的物質(zhì)包括嘌呤和嘧啶，它們是 DNA 的重要構(gòu)建塊。此外，這些分子還富含氮，這一發(fā)現(xiàn)令研究團(tuán)隊(duì)感到疑惑。
原綠球藻主要生活在氮含量較低的海洋區(qū)域，按照常理，它們理應(yīng)盡可能保留所有含氮化合物。那么，為什么它們會選擇釋放這些珍貴的化合物呢？
全球“交響樂”
在最新的研究中，研究人員深入探討了原綠球藻的交叉喂養(yǎng)機(jī)制及其對多種海洋微生物的影響。
首先，他們研究了原綠球藻如何合成并利用嘌呤和嘧啶，并將這些化合物釋放到周圍環(huán)境中。通過對已發(fā)表的基因組進(jìn)行比較，研究團(tuán)隊(duì)篩查了與嘌呤和嘧啶代謝相關(guān)的基因。他們發(fā)現(xiàn)，這些化合物一旦合成，主要被用于 DNA 的生成和微生物基因組的復(fù)制。盡管大部分嘌呤和嘧啶會被回收再利用，但最終仍有少量被釋放到環(huán)境中。原綠球藻似乎在盡可能高效地利用這些化合物后，將多余的部分排放出去。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析了基因表達(dá)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)回收嘌呤和嘧啶的基因在黃昏時(shí)段基因組復(fù)制高峰的幾小時(shí)后才達(dá)到表達(dá)高峰。這一發(fā)現(xiàn)促使他們深入探究，哪些生物可能從原綠球藻夜間釋放的分子中獲益。
為了解答這個問題，研究人員分析了 300 多種異養(yǎng)微生物的基因組。異養(yǎng)微生物通過消耗有機(jī)碳維持生存，而不是依靠光合作用合成碳。研究團(tuán)隊(duì)推測，這些異養(yǎng)微生物可能會利用原綠球藻釋放的有機(jī)廢棄物。分析結(jié)果顯示，大多數(shù)異養(yǎng)微生物都攜帶與吸收嘌呤或嘧啶相關(guān)的基因，部分微生物甚至同時(shí)具備吸收兩種化合物的能力。這表明，微生物在交叉喂養(yǎng)過程中沿著不同的進(jìn)化路徑發(fā)展，以適應(yīng)各種資源利用方式。
進(jìn)一步研究中，團(tuán)隊(duì)特別關(guān)注一種偏好嘌呤的微生物——SAR11，它是海洋中數(shù)量最多的異養(yǎng)微生物。在比較 SAR11 不同菌株的基因時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，各菌株在利用嘌呤的方式上存在差異：有些菌株能夠直接吸收并完整利用嘌呤，而有些則將嘌呤分解為能量、碳或氮。這種多樣化的利用策略背后究竟是什么因素在驅(qū)動？
答案在于當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響。研究團(tuán)隊(duì)通過宏基因組分析，對全球 600 多個海水樣本中的微生物集體基因組序列進(jìn)行了比較，并結(jié)合采樣地點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海水中的氮含量較低時(shí)，SAR11 會利用嘌呤中的氮元素；而在氮含量充足的情況下，它們則將嘌呤作為碳源或能量來源。這一發(fā)現(xiàn)揭示了不同海洋環(huán)境下，微生物群落在選擇壓力作用下如何靈活調(diào)整代謝策略。
“這項(xiàng)研究表明，海洋中的微生物之間建立了超出我們預(yù)期的復(fù)雜關(guān)系，這些關(guān)系促進(jìn)了它們的生長潛力。”這篇論文的共同作者 Kujawinski 表示。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中開展了實(shí)驗(yàn)，觀察嘌呤對 SAR11 的直接影響。他們將細(xì)菌培養(yǎng)在不同濃度的嘌呤環(huán)境中，意外地發(fā)現(xiàn)嘌呤會減緩細(xì)菌的正常代謝活動，甚至抑制其生長速度。然而，當(dāng)細(xì)胞處于環(huán)境壓力條件下時(shí)，這些細(xì)菌依然能夠生長出強(qiáng)壯健康的細(xì)胞。這表明，嘌呤引發(fā)的代謝暫?？赡軒椭?xì)菌調(diào)整狀態(tài)，為生長積蓄能量，從而更好地應(yīng)對外界壓力。
“原綠球藻每日釋放嘌呤的脈沖，可能是一種日常循環(huán)的抑制信號，使 SAR11 的代謝暫時(shí)停滯，以便在第二天太陽升起時(shí)，它們能做好充分準(zhǔn)備。” Braakman 表示，“因此，我們認(rèn)為原綠球藻在海洋代謝的日常‘交響樂’中扮演著指揮者的角色。交叉喂養(yǎng)在這些微生物之間創(chuàng)造了全球范圍的同步節(jié)律。”
這項(xiàng)研究得到了西蒙斯基金會和美國國家科學(xué)基金會的部分資助。
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