研究发现海洋微生物通过令人惊讶的多种来源获取食物

地球上最小和最强大的生物之一是海洋生物学家称为Prochlorococcus的植物状细菌。这种绿色微生物的直径不到一微米，其种群遍布海洋的上层，一茶匙海水可以容纳数百万个微小生物。

原绿球藻通过光合作用生长，利用阳光将大气中的二氧化碳转化为有机碳分子。微生物负责世界上5%的光合作用活动，科学家们认为光合作用是微生物获取生长所需碳的首选策略。

但是今天麻省理工学院在《自然微生物学》上的一项新研究发现，原绿球藻依赖于另一种碳喂养策略，这比以前想象的要多。

使用多种策略来提供碳的生物被称为混合营养菌。大多数海洋浮游生物是混合营养生物。虽然已知原绿球菌偶尔会涉足混合营养，但科学家们认为这种微生物主要以光养生活方式为生。

麻省理工学院的新研究表明，事实上，Prochlorococcus可能更像是一种混合营养菌，而不是它所允许的。通过第二种策略，微生物可能会获得多达三分之一的碳：消耗其他死亡微生物的溶解残骸。

新的估计可能对气候模型产生影响，因为微生物是捕获和“固定”地球大气和海洋中碳的重要力量。

“如果我们想预测在不同气候下碳固定会发生什么，或者预测Prochlorococcus将来会或不会生活在哪里，如果我们错过了一个解释一个过程的过程，我们可能不会做对-人口碳供应的三分之一，”麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)及其土木与环境工程系教授MickFollows说。

该研究的共同作者包括第一作者和麻省理工学院博士后ZhenWu，以及来自海法大学、莱布尼茨波罗的海研究所、莱布尼茨淡水生态和内陆渔业研究所以及波茨坦大学的合作者。

持久性浮游生物

自从1986年麻省理工学院教授Sallie"Penny"Chisholm和其他人在马尾藻海中首次发现原绿球藻以来，已经在世界各地的海洋中观察到了这种微生物，栖息在从表面到约160米的上层阳光照射层。在这个范围内，光照水平会有所不同，并且微生物已经进化出多种方法来在光线不足的地区进行碳光合作用。

该生物体还进化出消耗有机化合物的方法，包括葡萄糖和某些氨基酸，这可以帮助微生物在黑暗的海洋区域存活有限的时间。但仅靠有机化合物生存有点像只吃垃圾食品，有证据表明，在无法进行光合作用的地区，原绿球藻会在一周后死亡。

然而，包括海法大学的丹尼尔·谢尔(DanielSher)在内的研究人员是这项新研究的合著者，他们观察到健康的原绿球菌种群在阳光照射区深处持续存在，那里的光照强度应该太低而无法维持种群.这表明微生物必须转向非光合作用、混合营养的生活方式，才能消耗其他有机碳源。

“似乎至少有一些Prochlorococcus以混合营养的方式使用现有的有机碳，”Follows说。“这激发了一个问题：多少钱?”

什么光无法解释

在他们的新论文中，Follows、Wu、Sher和他们的同事希望量化Prochlorococcus通过光合作用以外的过程消耗的碳量。

该团队首先查看了Sher团队进行的测量，该团队之前在地中海不同深度采集了海洋样本，并测量了浮游植物(包括原绿球藻)的浓度，以及相关的光强度和氮浓度——一种必需的营养物质在海洋的更深层有丰富的资源，浮游生物可以吸收来制造蛋白质。

Wu和Follows使用了这些数据以及来自太平洋的类似信息，以及Chisholm实验室以前的工作，该工作确定了原绿球藻在给定的光照强度下可以进行的光合作用速率。

“我们将光强度分布转换为潜在的增长率——如果原绿球菌通过光合作用获得所有碳，它的种群可以增长多快，而光是限制因素，”Follows解释说。

然后，该团队将这个计算出的增长率与其他几个研究团队之前在太平洋观察到的增长率进行了比较。

“这些数据表明，在一定深度以下，发生了很多光合作用根本无法解释的生长，”Follows说。“必须有其他一些过程来弥补碳供应的差异。”

研究人员推断，在海洋更深、更暗的区域，原绿球菌种群能够通过混合营养(包括消耗碎屑中的有机碳)来生存和繁衍。具体来说，微生物可能正在进行渗透作用——生物体通过渗透作用被动吸收有机碳分子的过程。

从估计微生物在阳光照射区以下生长的速度来看，研究小组计算出，原绿球藻通过混合营养策略获得了高达三分之一的碳饮食。

“这有点像从专家转变为通才生活方式，”Follows说。“如果我只吃披萨，那么如果我离披萨店20英里，我就有麻烦了，而如果我也吃汉堡，我可以去附近的麦当劳。人们认为Prochlorococcus是专家，他们在这件事(光合作用)上做得非常好。但事实证明，他们的生活方式可能比我们以前想象的要多。”

奇泽姆(Chisholm)从字面上和形象上都写过关于原绿球菌的书，他说该小组的研究结果“扩大了他们的种群不仅可以生存而且能够茁壮成长的条件范围。这项研究改变了我们对原绿球菌作用的看法。微生物食物网。”