新的研究表明碳捕获浮游植物通过漂流几丁质颗粒殖民海洋

在整个海洋中，数十亿种植物状微生物构成了一个看不见的漂浮森林。当它们漂流时，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，这些光合作用的浮游生物或浮游植物吸收的CO几乎一样多。2作为世界陆地森林。它们的碳捕获肌肉中有一部分来自原绿球菌——一种祖母绿色的自由漂浮物，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。微生物的祖先可能靠近海岸，那里营养丰富，生物在海底的公共微生物垫中生存。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强国的呢?

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，他们提出原绿球菌的祖先获得了锁定几丁质的能力 - 古代外骨骼的降解颗粒。微生物搭便车在经过的薄片上，利用颗粒作为木筏，冒险进一步出海。这些几丁质筏也可能提供了必需的营养，在旅途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适应开阔海洋的新能力。最终，它们会进化到可以跳船并作为今天生活的自由漂浮的海洋居民生存的程度。

“如果原绿球菌和其他光合生物没有殖民海洋，我们将看到一个非常不同的星球，”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。“正是他们能够附着在这些几丁质筏上，使他们能够在地球生物圈的全新和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”假说，以及支持这一想法的实验和遗传分析。

麻省理工学院的共同作者是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。

一个奇怪的基因

原绿球菌是属于微蓝藻类的两个主要群体之一，它们是地球上最小的光合作用生物。另一组是Synechococcus，一种密切相关的微生物，可以在海洋和淡水系统中大量发现。这两种生物都通过光合作用谋生。

但事实证明，一些原绿球菌菌株可以采用替代生活方式，特别是在光合作用难以维持的低光照区域。这些微生物是“混合营养”的，使用其他碳捕获策略的混合物来生长。

奇泽姆实验室的研究人员正在寻找混合营养的迹象，当他们偶然发现几种现代原绿球菌菌株中的一个共同基因时。该基因编码分解几丁质的能力，甲壳素是一种富含碳的材料，来自节肢动物(如昆虫和甲壳类动物)脱落的外壳。

“这很奇怪，”Capovilla说，当她作为博士后加入实验室时，她决定更深入地研究这一发现。

对于这项新研究，Capovilla进行了实验，以确定原绿球藻是否实际上能够以有用的方式分解几丁质。实验室先前的工作表明，几丁质降解基因出现在生活在低光照条件下的原绿球菌菌株和Synechococcus中。该基因在栖息在更多阳光照射区域的原绿球菌中缺失。

在实验室中，Capovilla将几丁质颗粒引入低光和高光菌株的样品中。她发现含有该基因的微生物可以降解几丁质，其中只有低光适应的原绿球菌似乎受益于这种分解，因为它们似乎也因此生长得更快。微生物也可能粘附在几丁质片上 - 这一结果特别引起Braakman的兴趣，他研究代谢过程的进化以及它们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。“当吉奥做这些实验时，有一个'啊哈'的时刻。

Braakman想知道：这个基因是否存在于原绿球菌的祖先中，以一种允许沿海微生物附着在几丁质上并以几丁质为食的方式，并将薄片带到海上?

一切都在时机之中

为了验证这种新的“几丁质筏”假说，研究小组将目光投向了Fournier，他专门研究历史上跨微生物物种的基因追踪。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一个进化树。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之后，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菌的祖先中。

研究小组查看了化石记录，发现节肢动物的水生物种在大约五亿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原绿球菌和Synecococchus的共同祖先中的时候。

“时机非常可靠，”Fournier说。“海洋系统正以几丁质的形式充斥着这种新型有机碳，就像使用这种碳的基因传播到所有不同类型的微生物中一样。这些几丁质颗粒的运动突然为微生物真正进入公海开辟了机会。

几丁质的出现可能对生活在低光照条件下的微生物特别有益，例如沿着沿海海底，据信古老的微藻蓝藻生活在那里。对于这些微生物来说，几丁质将是一种急需的能量来源，也是摆脱它们公共沿海利基的出路。

布拉克曼说，一旦出海，漂流微生物就足够坚固，可以发展出其他海洋适应能力。数百万年后，这些生物体准备“冒险”并进化成今天存在的自由漂浮的光合作用原绿球菌。

“最后，这是关于生态系统共同进化，”布拉克曼说。“有了这些几丁质筏，节肢动物和蓝藻都能够扩展到开阔的海洋。最终，这有助于现代海洋生态系统的崛起。

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