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未知的海洋浮游植物光合作用過程可能產生了地球總氧氣產量的12%

2023-06-30 11:29:42 來源：cnBeta

根據最近的研究，你剛剛進行的 10 次呼吸中有1次是由于一種新發現的促進海洋浮游植物光合作用的細胞機制而帶來的氧氣。加州大學圣地亞哥分校斯克里普斯海洋學研究所的一組研究人員稱這種迄今未知的機制為“groundbreaking”，它負責海洋中 7% 至 25% 的氧氣生產和碳固定。考慮到陸地上的光合作用，據估計，這一過程可產生高達地球總氧氣量的 12%。

(資料圖片)

科學家們早就認識到浮游植物（在水生環境中漂浮的微生物）的重要性，因為它們具有光合作用的能力。這些微小的海洋藻類構成了水生食物網的基礎，估計產生了地球上約 50% 的氧氣。

這項新研究于 5 月 31 日發表在《當代生物學》雜志上，確定了質子泵酶（稱為 VHA）如何幫助浮游植物全球產生氧氣和固碳。

“這項研究代表了我們對海洋浮游植物理解的突破，”主要作者 Daniel Yee 說，他在攻讀博士學位期間進行了這項研究。斯克里普斯海洋學學生，目前擔任歐洲分子生物學實驗室和法國格勒諾布爾阿爾卑斯大學聯合博士后研究員。 “經過數百萬年的進化，海洋中的這些小細胞進行微小的化學反應，特別是產生這種增強光合作用的機制，從而塑造了這個星球上的生命軌跡。”

Yee 與斯克里普斯生理學家 Martín Tresguerres（他的共同顧問之一）以及斯克里普斯和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的其他合作者密切合作，揭示了稱為硅藻的特定浮游植物群的復雜內部運作機制，硅藻是著名的單細胞藻類。因為它們的裝飾性細胞壁是由二氧化硅制成的。

了解“質子泵”酶

Tresguerres 實驗室之前的研究致力于確定各種生物體如何在對海洋生命至關重要的過程中使用 VHA。這種酶幾乎存在于從人類到單細胞藻類的所有生命形式中，其基本作用是改變周圍環境的 pH 值。

“我們將蛋白質想象成樂高積木，”研究合著者 Tresguerres 解釋道。 “這些蛋白質總是做同樣的事情，但根據它們與其他蛋白質的配對，它們可以實現截然不同的功能。”

在人類中，這種酶有助于腎臟調節血液和尿液功能。巨蛤利用這種酶溶解珊瑚礁，并分泌一種酸，在珊瑚礁上鉆洞以躲避。珊瑚利用這種酶來促進共生藻類的光合作用，而被稱為食骨蠕蟲的深海蠕蟲則利用這種酶來溶解鯨魚等海洋哺乳動物的骨頭，以便它們吃掉它們。這種酶也存在于鯊魚和鰩魚的鰓中，是調節血液化學機制的一部分。在魚眼中，質子泵有助于輸送氧氣，從而增強視力。

回顧之前的研究，Yee 想知道 VHA 酶是如何在浮游植物中使用的。他著手通過結合 Tresguerres 實驗室的高科技顯微鏡技術和已故斯克里普斯科學家 Mark Hildebrand 實驗室開發的遺傳工具來回答這個問題，Mark Hildebrand 是硅藻方面的領先專家，也是 Yee 的聯合顧問之一。

使用這些工具，他能夠用熒光綠色標簽標記質子泵，并將其精確定位在葉綠體周圍，葉綠體被稱為“細胞器”或硅藻細胞內的特殊結構。與其他藻類相比，硅藻的葉綠體被一層額外的膜包圍，包圍著二氧化碳和光能轉化為有機化合物并以氧氣形式釋放的空間。

“我們能夠生成這些圖像，顯示感興趣的蛋白質以及它在具有許多膜的細胞內部的位置，”Yee 說。 “結合量化光合作用的詳細實驗，我們發現這種蛋白質實際上通過提供更多的二氧化碳來促進光合作用，葉綠體利用二氧化碳來產生更復雜的碳分子，如糖，同時還產生更多的氧氣作為副產品。產品。”

建立了底層機制后，團隊就能夠將其與進化的多個方面聯系起來。硅藻源自大約 2.5 億年前原生動物和藻類之間的共生事件，最終導致兩種生物融合為一，稱為共生。作者強調，一種細胞消耗另一種細胞的過程（稱為吞噬作用）在自然界中廣泛存在。吞噬作用依靠質子泵來消化作為食物來源的細胞。然而，就硅藻而言，發生了一些特殊的情況，被吃掉的細胞沒有被完全消化。

捕食者的質子泵驅動的酸化最終促進了所攝入獵物的光合作用，而不是一個細胞消化另一個細胞。隨著進化時間的推移，這兩種獨立的生物體融合為一，就是我們現在所說的硅藻。

并非所有藻類都具有這種機制，因此作者認為這種質子泵使硅藻在光合作用方面具有優勢。他們還指出，當硅藻在2.5億年前起源時，大氣中的氧氣大幅增加，藻類中新發現的機制可能在其中發揮了作用。

據信，從地下提取的大多數化石燃料都源自沉入海底的生物質（包括硅藻）經過數百萬年的轉化，從而形成了石油儲備。研究人員希望他們的研究能夠為改善光合作用、碳封存和生物柴油生產的生物技術方法提供靈感。此外，他們認為這將有助于更好地了解全球生物地球化學循環、生態相互作用以及氣候變化等環境波動的影響。

“這是過去幾十年共生領域最令人興奮的研究之一，它將對全世界未來的研究產生巨大影響，”Tresguerres說。

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