一项新的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二氧化碳几乎与世界上的陆地森林一样多。他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 Rogier Braakman 说：“如果 Prochlorococcus 和其他光合生物没有在海洋中定居，我们就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，这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，从而永远改变了地球。”

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 Giovanna Capovilla、Greg Fournier、Julia Schwartzman、Xinda Lu、Alexis Yelton、Elaina Thomas、Jack Payette、Kurt Castro、Otto Cordero 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，”Capovilla 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。”

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