一項(xiàng)新的研究表明，捕獲碳的浮游植物通過(guò)漂流幾丁質(zhì)顆粒殖民海洋。

在整個(gè)海洋中，數(shù)十億種植物狀微生物構(gòu)成了一個(gè)看不見(jiàn)的漂浮森林。當(dāng)它們漂流時(shí)，這些微小的生物利用陽(yáng)光從大氣中吸收二氧化碳?？偟膩?lái)說(shuō)，這些光合作用浮游生物或浮游植物吸收的二氧化碳幾乎與世界陸地森林一樣多。它們的碳捕獲肌肉中有一部分來(lái)自原綠球菌——一種祖母綠色的自由漂浮物，是當(dāng)今海洋中豐富的浮游植物。

但原綠球藻并不總是棲息在開(kāi)闊水域。微生物的祖先可能靠近海岸，那里營(yíng)養(yǎng)豐富，生物在海底的公共微生物墊中生存。那么，這些沿海居民的后代是如何成為今天公海的光合作用強(qiáng)國(guó)的呢？

麻省理工學(xué)院的科學(xué)家認(rèn)為漂流是關(guān)鍵。在一項(xiàng)新的研究中，他們提出原綠球菌的祖先獲得了鎖定幾丁質(zhì)的能力 - 古代外骨骼的降解顆粒。微生物搭便車在經(jīng)過(guò)的薄片上，利用顆粒作為木筏，冒險(xiǎn)進(jìn)一步出海。這些幾丁質(zhì)筏也可能提供了必需的營(yíng)養(yǎng)，在旅途中為微生物提供燃料和維持。

如此強(qiáng)化，一代又一代的微生物可能有機(jī)會(huì)進(jìn)化出適應(yīng)開(kāi)闊海洋的新能力。終，它們會(huì)進(jìn)化到可以跳船并作為今天生活的自由漂浮的海洋居民生存的程度。

“如果原綠球菌和其他光合生物沒(méi)有殖民海洋，我們將看到一個(gè)非常不同的星球，”麻省理工學(xué)院地球，大氣和行星科學(xué)系（EAPS）的研究科學(xué)家Rogier Braakman說(shuō)。“正是他們能夠附著在這些幾丁質(zhì)筏上，使他們能夠在地球生物圈的全新和巨大的部分建立立足點(diǎn)，以一種永遠(yuǎn)改變地球的方式。

Braakman和他的合作者在本周發(fā)表在PNAS上的一項(xiàng)研究中提出了他們新的“幾丁質(zhì)筏”假說(shuō)，以及支持這一想法的實(shí)驗(yàn)和遺傳分析。

麻省理工學(xué)院的共同作者是Giovanna Capovilla，Greg Fournier，Julia Schwartzman，Xinda Lu，Alexis Yelton，Elaina Thomas，Jack Payette，Kurt Castro，Otto Cordero和麻省理工學(xué)院教授Sallie （Penny） Chisholm，以及來(lái)自多個(gè)機(jī)構(gòu)的同事，包括伍茲霍爾海洋研究所。

一個(gè)奇怪的基因

原綠球菌是屬于微藍(lán)藻類的兩個(gè)主要群體之一，它們是地球上小的光合作用生物。另一組是Synechococcus，一種密切相關(guān)的微生物，可以在海洋和淡水系統(tǒng)中大量發(fā)現(xiàn)。這兩種生物都通過(guò)光合作用謀生。

但事實(shí)證明，一些原綠球菌菌株可以采用替代生活方式，特別是在光合作用難以維持的低光照區(qū)域。這些微生物是“混合營(yíng)養(yǎng)”的，使用其他碳捕獲策略的混合物來(lái)生長(zhǎng)。

奇澤姆實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在尋找混合營(yíng)養(yǎng)的跡象，當(dāng)他們偶然發(fā)現(xiàn)幾種現(xiàn)代原綠球菌菌株中的一個(gè)共同基因時(shí)。該基因編碼分解幾丁質(zhì)的能力，甲殼素是一種富含碳的材料，來(lái)自節(jié)肢動(dòng)物（如昆蟲和甲殼類動(dòng)物）脫落的外殼。

“這很奇怪，”Capovilla說(shuō)，當(dāng)她作為博士后加入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，她決定更深入地研究這一發(fā)現(xiàn)。

對(duì)于這項(xiàng)新研究，Capovilla進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以確定原綠球藻是否實(shí)際上能夠以有用的方式分解幾丁質(zhì)。實(shí)驗(yàn)室先前的工作表明，幾丁質(zhì)降解基因出現(xiàn)在生活在低光照條件下的原綠球菌菌株和Synechococcus中。該基因在棲息在更多陽(yáng)光照射區(qū)域的原綠球菌中缺失。

在實(shí)驗(yàn)室中，Capovilla將幾丁質(zhì)顆粒引入低光和高光菌株的樣品中。她發(fā)現(xiàn)含有該基因的微生物可以降解幾丁質(zhì)，其中只有低光適應(yīng)的原綠球菌似乎受益于這種分解，因?yàn)樗鼈兯坪跻惨虼松L(zhǎng)得更快。微生物也可能粘附在幾丁質(zhì)片上 - 這一結(jié)果特別引起B(yǎng)raakman的興趣，他研究代謝過(guò)程的進(jìn)化以及它們塑造地球生態(tài)的方式。

“人們總是問(wèn)我：這些微生物是如何在早期海洋中定居的？”他說(shuō)?！爱?dāng)吉奧做這些實(shí)驗(yàn)時(shí)，有一個(gè)'啊哈'的時(shí)刻。

Braakman想知道：這個(gè)基因是否存在于原綠球菌的祖先中，以一種允許沿海微生物附著在幾丁質(zhì)上并以幾丁質(zhì)為食的方式，并將薄片帶到海上？

一切都在時(shí)機(jī)之中

為了驗(yàn)證這種新的“幾丁質(zhì)筏”假說(shuō)，研究小組將目光投向了Fournier，他專門研究歷史上跨微生物物種的基因追蹤。2019年，F(xiàn)ournier的實(shí)驗(yàn)室為那些表現(xiàn)出幾丁質(zhì)降解基因的微生物建立了一個(gè)進(jìn)化樹(shù)。從這棵樹(shù)上，他們注意到了一個(gè)趨勢(shì)：只有在節(jié)肢動(dòng)物在特定生態(tài)系統(tǒng)中變得豐富之后，微生物才開(kāi)始使用幾丁質(zhì)。

為了使幾丁質(zhì)筏假說(shuō)成立，該基因必須在節(jié)肢動(dòng)物開(kāi)始在海洋環(huán)境中定居后不久就存在于原綠球菌的祖先中。

研究小組查看了化石記錄，發(fā)現(xiàn)節(jié)肢動(dòng)物的水生物種在大約五億年前的古生代早期變得豐富。根據(jù)Fournier的進(jìn)化樹(shù)，這也恰好是幾丁質(zhì)降解基因出現(xiàn)在原綠球菌和Synecococchus的共同祖先中的時(shí)候。

“時(shí)機(jī)非?？煽?，”Fournier說(shuō)?！昂Ｑ笙到y(tǒng)正以幾丁質(zhì)的形式充斥著這種新型有機(jī)碳，就像使用這種碳的基因傳播到所有不同類型的微生物中一樣。這些幾丁質(zhì)顆粒的運(yùn)動(dòng)突然為微生物真正進(jìn)入公海開(kāi)辟了機(jī)會(huì)。

幾丁質(zhì)的出現(xiàn)可能對(duì)生活在低光照條件下的微生物特別有益，例如沿著沿海海底，據(jù)信古老的微藻藍(lán)藻生活在那里。對(duì)于這些微生物來(lái)說(shuō)，幾丁質(zhì)將是一種急需的能量來(lái)源，也是擺脫它們公共沿海利基的出路。

布拉克曼說(shuō)，一旦出海，漂流微生物就足夠堅(jiān)固，可以發(fā)展出其他海洋適應(yīng)能力。數(shù)百萬(wàn)年后，這些生物體準(zhǔn)備“冒險(xiǎn)”并進(jìn)化成今天存在的自由漂浮的光合作用原綠球菌。

“，這是關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)共同進(jìn)化，”布拉克曼說(shuō)?！坝辛诉@些幾丁質(zhì)筏，節(jié)肢動(dòng)物和藍(lán)藻都能夠擴(kuò)展到開(kāi)闊的海洋。終，這有助于現(xiàn)代海洋生態(tài)系統(tǒng)的崛起。

這項(xiàng)研究得到了西蒙斯基金會(huì)，EMBO長(zhǎng)期獎(jiǎng)學(xué)金和人類前沿科學(xué)計(jì)劃的支持。本文是西蒙斯海洋過(guò)程和生態(tài)學(xué)合作（SCOPE）的貢獻(xiàn)。