深吸一口气。现在再拿九个。根据一项新的研究，这 10 次呼吸中一次的含氧量之所以成为可能，要归功于一种新发现的促进海洋浮游植物光合作用的细胞机制。

现象浮游植物科学家发现氧气产生背后的细胞过程

加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所的一组研究人员将这一以前未知的过程描述为“开创性”，占海洋中产生的所有氧气和固定碳的 7% 至 25%。在考虑发生在陆地上的光合作用时，研究人员估计这种机制可能产生了整个星球上高达 12% 的氧气。

科学家们早就认识到浮游植物(漂浮在水生环境中的微生物)的重要性，因为它们具有光合作用的能力。这些微小的海洋藻类构成了水生食物网的基础，据估计产生了地球上约 50% 的氧气。

这项新研究于 5 月 31 日发表在《当代生物学》杂志上，确定了质子泵酶(称为 VHA)如何帮助浮游植物产生全球氧气和固碳。

“这项研究代表了我们对海洋浮游植物理解的突破，”主要作者 Daniel Yee 说，他在斯克里普斯海洋学的博士生期间进行了这项研究，目前担任欧洲分子生物学实验室和格勒诺布尔阿尔卑斯大学的联合博士后研究员在法国。“经过数百万年的进化，海洋中的这些小细胞进行微小的化学反应，特别是产生这种增强光合作用的机制，从而塑造了这个星球上的生命轨迹。”

Yee 与斯克里普斯生理学家 Martín Tresguerres(他的一位共同顾问)以及斯克里普斯和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的其他合作者密切合作，揭示了一组被称为硅藻的特定浮游植物的复杂内部运作机制，硅藻是著名的单细胞藻类因为它们的装饰性细胞壁是由二氧化硅制成的。

了解“质子泵”酶

Tresguerres 实验室之前的研究致力于确定各种生物体如何在对海洋生命至关重要的过程中使用 VHA。这种酶存在于几乎所有生命形式中，从人类到单细胞藻类，其基本作用是调节周围环境的 pH 值。

“我们把蛋白质想象成乐高积木，”研究合著者 Tresguerres 解释说。“这些蛋白质总是做同样的事情，但根据与它们配对的其他蛋白质的不同，它们可以实现截然不同的功能。”

在人类中，这种酶有助于肾脏调节血液和尿液功能。巨型蛤利用这种酶溶解珊瑚礁，在那里它们分泌一种酸，在珊瑚礁上钻洞以躲避。珊瑚利用这种酶来促进它们共生的藻类进行光合作用，而被称为Osedax的深海蠕虫利用它来溶解海洋哺乳动物(例如鲸鱼)的骨头，以便它们可以食用它们。这种酶也存在于鲨鱼和鳐鱼的鳃中，它是调节血液化学的机制的一部分。在鱼眼中，质子泵有助于输送氧气，增强视力。

看看之前的研究，Yee 想知道 VHA 酶是如何被用于浮游植物的。他着手通过结合 Tresguerres 实验室的高科技显微技术和已故 Scripps 科学家 Mark Hildebrand 实验室开发的遗传工具来回答这个问题，Mark Hildebrand 是硅藻方面的领先专家，也是 Yee 的共同顾问之一。

使用这些工具，他能够用绿色荧光标签标记质子泵，并将其精确定位在叶绿体周围，叶绿体被称为“细胞器”或硅藻细胞内的特殊结构。与其他藻类相比，硅藻的叶绿体被一层额外的膜包围，包围着二氧化碳和光能转化为有机化合物并以氧气形式释放的空间。

“我们能够生成这些图像，显示感兴趣的蛋白质以及它在具有许多膜的细胞内部的位置，”Yee 说。“结合量化光合作用的详细实验，我们发现这种蛋白质实际上通过输送更多的二氧化碳来促进光合作用，这是叶绿体用来产生更复杂的碳分子(如糖)的物质，同时也产生更多的氧气作为副产物——产品。”

与进化的联系

一旦建立了底层机制，团队就能够将其与进化的多个方面联系起来。硅藻起源于大约 2.5 亿年前原生动物和藻类之间的共生事件，最终导致两种生物融合为一个，称为共生发生。作者强调，一个细胞吞噬另一个细胞的过程，称为吞噬作用，在自然界中很普遍。吞噬作用依靠质子泵来消化作为食物来源的细胞。然而，在硅藻的情况下，发生了一些特别的事情，被吃掉的细胞没有被完全消化。

“不是一个细胞消化另一个细胞，捕食者的质子泵驱动的酸化最终促进了摄入猎物的光合作用，”Tresguerres 说。“随着进化时间的推移，这两种独立的生物体融合为一体，即我们现在所说的硅藻。”

并非所有藻类都具有这种机制，因此作者认为这种质子泵使硅藻在光合作用方面具有优势。他们还注意到，当硅藻在 2.5 亿年前起源时，大气中的氧气大量增加，而新发现的藻类机制可能在其中发挥了作用。

据信，从地下提取的大部分化石燃料源自数百万年来沉入海底的生物质(包括硅藻)的转化，从而形成了石油储量。研究人员希望他们的研究能够为改进光合作用、碳封存和生物柴油生产的生物技术方法提供灵感。此外，他们认为这将有助于更好地了解全球生物地球化学循环、生态相互作用以及气候变化等环境波动的影响。

“这是过去几十年共生领域最激动人心的研究之一，它将对全球未来的研究产生重大影响，”Tresguerres 说。