小小的海洋征服者：原绿球菌的祖先如何通过外骨骼"筏子"掌握海洋

在整个海洋中，数以亿计的类似植物的微生物组成了一个无形的浮动森林。当它们漂移时，这些微小的生物体利用阳光从大气中吸走二氧化碳。这些进行光合作用的浮游生物，吸收的二氧化碳几乎与世界上的陆地森林一样多。它们吸收碳的能力中有相当一部分来自于原球藻--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。

但是，原绿球菌并不总是居住在开放水域。这种微生物的祖先可能更接近海岸，那里营养物质丰富，生物体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最终成为今天开放海洋的光合作用的动力源的呢？

麻省理工学院的科学家认为，漂流是关键所在。在一项新的研究中，他们提出原球藻的祖先获得了一种抓住甲壳素的能力--古代外骨骼的降解颗粒。微生物搭上了路过的片状物，利用这些颗粒作为筏子，进一步向海中冒险。这些甲壳素筏子可能还提供了必要的营养物质，为微生物提供了燃料，使它们在旅途中得以维持。

这样，一代又一代的微生物可能有机会进化出新的能力，以适应开放的海洋。最终，它们会进化到可以跳船，并作为今天的自由漂浮的海洋居民而生存。

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："如果原绿球菌和其他光合生物没有在海洋中定居，我们将看到一个非常不同的星球。"正是由于它们能够附着在这些甲壳素筏上，使它们能够在地球生物圈的一个全新的、巨大的部分建立一个立足点，以一种永远改变地球的方式。"

Braakman和他的合作者在5月9日发表在PNAS上的一项研究中提出了他们新的"甲壳素筏"假说，以及支持这一观点的实验和遗传分析。

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，以及来自包括伍兹霍尔海洋学研究所在内的多个机构的同事。

一个奇怪的基因

原球藻是属于被称为皮青菌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。另一组是新球藻，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，原球藻的一些菌株可以采取其他生活方式，特别是在光照不足的地区，光合作用难以维持。这些微生物是"混合营养"的，它们混合使用一系列碳捕获策略来生长。

Chisholm实验室的研究人员在寻找混合营养的迹象时，偶然发现几个现代原球菌菌株中的一个共同基因。该基因编码了分解甲壳素的能力，甲壳素是一种富含碳元素的材料，来自节肢动物（如昆虫和甲壳动物）脱落的外壳。

卡波维拉说："这非常奇怪，"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。

在这项新的研究中，卡波维拉进行了实验，观察原球菌是否真的能以一种有用的方式分解甲壳素。该实验室以前的工作表明，甲壳素降解基因出现在生活在低光照条件下的原球菌菌株和新球菌中。该基因在居住在更多阳光照射区域的原球菌中缺失。

在实验室里，卡波维拉将甲壳素颗粒引入低光照和高光照菌株的样本中。她发现，含有该基因的微生物可以降解甲壳素，其中，只有适应低光照的原绿球菌似乎从这种分解中受益，因为它们似乎也因此而生长得更快。这些微生物还可以粘附在甲壳素片上--这一结果使布拉克曼特别感兴趣，他研究代谢过程的进化以及它们塑造地球生态的方式。

他说："人们总是问我：这些微生物是如何在早期海洋中殖民的？而当吉奥在做这些实验时，出现了这个'哈'的时刻。"

布拉克曼想知道： 这个基因会不会存在于原球菌的祖先中，使沿海微生物能够附着在甲壳素上并以其为食，然后乘着片状物出海？

这一切都在时间上

为了测试这个新的"甲壳素筏"假说，研究小组将目光投向了Fournier，他擅长在历史中追踪微生物物种的基因。2019年，Fournier的实验室为那些表现出甲壳素降解基因的微生物建立了一个进化树。从这棵树上，他们注意到一个趋势： 微生物只有在节肢动物在一个特定的生态系统中变得丰富之后才开始使用甲壳素。

为了使甲壳素筏假说成立，该基因必须在节肢动物开始在海洋环境中定居后不久就出现在原绿球菌的祖先中。

研究小组查阅了化石记录，发现水生的节肢动物物种在古生代早期，即大约5亿年前开始大量出现。根据Fournier的进化树，那也恰好是甲壳素降解基因出现在原球藻和新球藻的共同祖先中的时间。

Fournier说："这个时间点是相当可靠的。海洋系统正充斥着这种以甲壳素形式存在的新型有机碳，正如使用这种碳的基因在所有不同类型的微生物中传播一样。而这些甲壳素颗粒的移动突然为微生物打开了机会，使其真正进入了开放的海洋。"

甲壳素的出现可能对生活在低光照条件下的微生物特别有利，例如沿着沿海的海底，许多远古细菌被认为生活在那里。对这些微生物来说，甲壳素将是一个非常需要的能量来源，也是它们离开公共的沿海环境的一个途径。

布拉克曼说，一旦出海，漂流的微生物足够结实，可以发展其他海洋居住的适应性。数百万年后，这些生物就准备好了"铤而走险"，进化成今天的自由漂浮的光合作用的原球藻。归根结底，这是关于生态系统的共同进化。有了这些甲壳素筏子，节肢动物和蓝细菌都能够扩展到开放的海洋。最终，这有助于现代海洋生态系统的崛起。