新研究表明碳捕获浮游植物通过漂流几丁质颗粒在海洋中定居

在整个海洋中，数十亿种类似植物的微生物组成了一片看不见的漂浮森林。当它们漂移时，这些微小的生物利用阳光从大气中吸收二氧化碳。总的来说，这些进行光合作用的浮游生物或浮游植物吸收的CO2几乎与世界上的陆地森林一样多。它们的碳捕获肌肉的可测量部分来自原绿球藻——一种翡翠色的自由漂浮物，是当今海洋中最丰富的浮游植物。

但原绿球藻并不总是栖息在开阔水域。这种微生物的祖先可能靠近海岸，那里营养丰富，生物体在海底的公共微生物垫中存活。那么这些沿海居民的后代是如何成为今天公海的光合作用发电站的呢?

麻省理工学院的科学家认为漂流是关键。在一项新的研究中，他们提出Prochlorococcus的祖先获得了一种能力来锁定几丁质——古代外骨骼的退化颗粒。微生物搭上路过的薄片的便车，利用这些颗粒作为筏子，进一步冒险出海。这些几丁质筏可能还提供了必需的营养素，在它们的旅程中为微生物提供燃料和维持。

如此强化，一代又一代的微生物可能有机会进化出新的能力来适应开阔的海洋。最终，他们会进化到可以跳船并作为今天生活的自由漂浮海洋居民生存的地步。

麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)的研究科学家RogierBraakman说：“如果Prochlorococcus和其他光合生物没有在海洋中定居，我们将会看到一个截然不同的星球。”“事实上，它们能够附着在这些几丁质筏上，使它们能够在地球生物圈的一个全新的、巨大的部分建立立足点，以一种永远改变地球的方式。”

Braakman和他的合作者在本周发表在PNAS上的一项研究中提出了他们新的“几丁质筏”假设，以及支持该想法的实验和遗传分析。

麻省理工学院的合著者是GiovannaCapovilla、GregFournier、JuliaSchwartzman、XindaLu、AlexisYelton、ElainaThomas、JackPayette、KurtCastro、OttoCordero和麻省理工学院教授Sallie(Penny)Chisholm，以及来自多个机构的同事，包括伍兹霍尔海洋研究所。

奇怪的基因

Prochlorococcus是属于微型蓝细菌的两个主要类群之一，微型蓝细菌是地球上最小的光合作用生物。另一组是聚球藻，一种密切相关的微生物，在海洋和淡水系统中大量存在。两种生物都通过光合作用谋生。

但事实证明，原绿球藻的某些菌株可以采用其他生活方式，特别是在难以维持光合作用的光线不足的地区。这些微生物是“混合营养的”，使用其他碳捕获策略的组合来生长。

Chisholm实验室的研究人员在寻找混合营养的迹象时偶然发现了几种现代原绿球藻菌株中的一个共同基因。该基因编码了分解几丁质的能力，几丁质是一种富含碳的物质，来自节肢动物(如昆虫和甲壳类动物)脱落的壳。

“这很奇怪，”卡波维拉说，当她以博士后身份加入实验室时，她决定更深入地研究这一发现。

对于这项新研究，卡波维拉进行了实验，以了解原绿球藻是否真的能以有用的方式分解几丁质。实验室之前的工作表明，几丁质降解基因出现在生活在弱光条件下的原绿球藻属菌株和聚球藻属中。该基因在居住在更多阳光照射区域的Prochlorococcus中缺失。

在实验室中，Capovilla将几丁质颗粒引入低光和高光菌株的样本中。她发现含有该基因的微生物可以降解几丁质，其中只有适应低光的原绿球藻似乎能从这种分解中获益，因为它们似乎也因此生长得更快。微生物还可以粘附在几丁质薄片上——这一结果引起了Braakman的特别兴趣，他研究代谢过程的演变及其塑造地球生态的方式。

“人们总是问我：这些微生物是如何在早期海洋中定居的?”他说。“当Gio做这些实验时，有一个‘啊哈’的时刻。”

Braakman想知道：这个基因是否存在于Prochlorococcus的祖先中，以一种允许沿海微生物附着并以几丁质为食，并将薄片带出海的方式?

一切都在时机

为了检验这个新的“几丁质筏”假说，研究小组求助于Fournier，他专门研究历史上跨物种微生物的基因追踪。2019年，Fournier的实验室为那些表现出几丁质降解基因的微生物建立了进化树。从这棵树上，他们注意到了一个趋势：只有在节肢动物在特定生态系统中变得丰富后，微生物才开始使用几丁质。

为了使几丁质筏假说成立，该基因必须在节肢动物开始在海洋环境中定居后不久就存在于原绿球藻的祖先中。

该团队查看了化石记录，发现节肢动物的水生物种在大约50亿年前的古生代早期变得丰富。根据Fournier的进化树，这也恰好是几丁质降解基因出现在Prochlorococcus和Synecococcus的共同祖先中的时间。

“时机非常可靠，”Fournier说。“海洋系统正被这种以几丁质形式存在的新型有机碳淹没，就像使用这种碳的基因遍布所有不同类型的微生物一样。这些几丁质颗粒的运动突然为微生物提供了真正让它去公海。”

几丁质的出现可能对生活在弱光条件下的微生物特别有益，例如沿海海底，人们认为古代微型蓝藻曾生活在那里。对于这些微生物来说，几丁质是一种急需的能量来源，也是它们摆脱共同的沿海生态位的一种方式。

Braakman说，一旦出海，漂流微生物就足够坚固，可以发展出其他的海洋栖息适应性。数百万年后，这些生物体准备好“冒险”并进化成今天存在的自由漂浮、进行光合作用的Prochlorococcus。

“最终，这是关于生态系统共同进化的问题，”Braakman说。“有了这些几丁质筏，节肢动物和蓝藻都能扩展到开阔的海洋中。最终，这有助于为现代海洋生态系统的兴起播下种子。”