微生物進(jìn)化事故如何改變地球大氣

編者按：光合作用除了茂密的雨林或者陸地植被，更重要的來(lái)源是浮游植物。新研究發(fā)現，一些浮游植物體內多了一層內膜，這層內膜攜帶了一種“質(zhì)子泵”酶，這種酶能夠增強浮游植物將二氧化碳轉化為其他物質(zhì)的能力。本文來(lái)自翻譯。

一提到光合作用，人們首先想到的可能是茂密的雨林或其他郁郁蔥蔥的陸地植被。然而，充滿(mǎn)海洋的浮游植物云是自然界中這一過(guò)程的主要驅動(dòng)力。這種類(lèi)似植物的單細胞水生微生物產(chǎn)生了大氣中50%以上的氧氣，并吸收了近一半的二氧化碳，將其轉化為葡萄糖、脂肪、蛋白質(zhì)和其他有機分子，為海洋的食物網(wǎng)提供營(yíng)養。

最近發(fā)表在《當代生物學(xué)》（Current Biology）雜志上的一項研究最終確定了這種無(wú)與倫比的光合作用效率的來(lái)源。新研究發(fā)現，一些浮游植物體內多了一層內膜，這層內膜攜帶了一種“質(zhì)子泵”酶，這種酶能夠增強浮游植物將二氧化碳轉化為其他物質(zhì)的能力。這種蛋白質(zhì)改造所帶來(lái)的增強似乎有助于產(chǎn)生近12% 的空氣中的氧氣和多達25%的海洋中“固定”碳（鎖定在有機化合物）。

令人驚訝的是，這種光合作用創(chuàng )新似乎是偶然從浮游植物祖先的一種最初用于消化的膜蛋白進(jìn)化而來(lái)的。除了解釋這些細胞的光合作用能力，這項新工作還有助于證實(shí)這樣一種理論，即這些浮游植物是通過(guò)一種原生動(dòng)物和一種生命力頑強的紅色藻類(lèi)之間的共生聯(lián)盟而產(chǎn)生的。

哈佛大學(xué)醫學(xué)院研究膜蛋白功能的細胞生物學(xué)家丹尼斯·布朗（Dennis Brown）并沒(méi)有參與這項研究，他說(shuō)：“我發(fā)現，我們已經(jīng)了解了幾十年的質(zhì)子酶竟然能夠維持地球上如此重要的現象，這實(shí)在令人吃驚�！�

研究人員知道，浮游植物中的某些種類(lèi)——硅藻、甲藻和繭石藻，因其卓越的光合作用能力而脫穎而出。這些細胞非常善于從環(huán)境中吸收二氧化碳，并將其導入葉綠體進(jìn)行光合作用，但它們?yōu)楹稳绱松瞄L(cháng)光合作用的細節卻一直不是很清楚。不過(guò)，這三類(lèi)浮游植物的一個(gè)獨特之處是，它們的葉綠體周?chē)�有一層額外的膜。

七年前，這項新研究的第一作者、微生物學(xué)家丹尼爾·易（Daniel Yee）在加州大學(xué)圣地亞哥分校斯克里普斯海洋研究所攻讀博士學(xué)位時(shí)，正在研究硅藻。光合作用雖然并不是他的研究重點(diǎn)，但他試圖了解硅藻如何調節其內部酸度，以幫助儲存養分和構建堅韌的硅細胞壁，他一直注意到它們的葉綠體周?chē)�有一層獨特的附加膜�?/span>

他了解到，研究人員普遍認為這層額外的膜是消化失敗后的殘留物�？茖W(xué)家們假設，大約2億年前，一種食肉原生動(dòng)物試圖捕食一種單細胞光合藻類(lèi)。它用一種叫做“食物泡”的膜結構將這種生命力頑強的藻類(lèi)包裹起來(lái)，以便對其進(jìn)行消化，但不知什么原因，藻類(lèi)并沒(méi)有被消化。相反，藻類(lèi)存活了下來(lái)，并成為原生動(dòng)物的共生伙伴，為它提供光合作用的成果。這種伙伴關(guān)系經(jīng)過(guò)幾代人的發(fā)展不斷加深，直到這種新的二合一生物進(jìn)化成我們今天所知的硅藻。但是，作為食物液泡的那層額外的膜從未消失。

20世紀90年代末，一些科學(xué)家提出假設，認為以前的食物泡仍有可能攜帶一種名為質(zhì)子泵的跨膜通道蛋白。質(zhì)子泵是一種用途非常廣泛的分子，在生物體內可以專(zhuān)門(mén)執行各種任務(wù)，從消化到調節血液酸度，再到幫助神經(jīng)元發(fā)送信號，新研究的資深共同作者、Yee在加州大學(xué)舊金山分校的前顧問(wèn)、微生物學(xué)家馬丁·特雷斯格雷斯（Martin Tresguerres）解釋說(shuō)。在哺乳動(dòng)物體內，有一種質(zhì)子泵能在骨骼區域內產(chǎn)生高腐蝕性的酸性環(huán)境，從而破壞骨骼的礦化結構，并隨著(zhù)時(shí)間的推移而溶解。

Yee 發(fā)現，同一種質(zhì)子泵還能幫助硅藻制造堅硬的硅質(zhì)外殼。但是，考慮到質(zhì)子泵的多功能性及其在生物體內的直接作用，我們認為質(zhì)子泵在生物體內的作用是有限的。

通過(guò)結合分子生物學(xué)技術(shù)，Yee和他的團隊證實(shí)，浮游植物葉綠體周?chē)�的額外膜確實(shí)含有一種活性的、功能性的質(zhì)子泵——一種被稱(chēng)為VHA的質(zhì)子泵，它通常在食物液泡中起消化作用。他們甚至將質(zhì)子泵與熒光蛋白融合，這樣他們就可以實(shí)時(shí)觀(guān)察它的工作情況。他們的觀(guān)察結果支持了硅藻如何獲得葉綠體周?chē)�的額外膜的內共生理論。

Yee、treresgures和他們的同事也對質(zhì)子泵如何影響葉綠體的光合活性感到好奇。為了找到答案，他們使用了一種抑制藥物，康納霉素A，來(lái)停止質(zhì)子泵的運作，同時(shí)他們監測浮游植物繼續將碳吸收到碳酸鹽中并產(chǎn)生氧氣的數量。他們發(fā)現質(zhì)子泵的抑制顯著(zhù)降低了細胞中的碳固定和氧產(chǎn)生。

進(jìn)一步的工作幫助他們了解泵通過(guò)在葉綠體附近濃縮碳來(lái)增強光合作用。泵將質(zhì)子從細胞質(zhì)轉移到外膜和葉綠體之間的隔室。隔間中酸度的增加導致更多的碳(以碳酸氫鹽離子的形式)擴散到隔間中來(lái)中和它。酶將碳酸氫鹽轉化為二氧化碳，然后二氧化碳就游離在葉綠體的碳固定酶附近。

研究人員利用硅藻和其他具有額外膜的浮游植物在全球海洋中的分布統計數據，推斷出VHA膜蛋白提高的效率幾乎占地球大氣氧氣的12%。此外，它還貢獻了每年海洋碳固定總量的7%到25%。這至少相當于35億噸碳，幾乎是全球航空業(yè)年排放量的四倍。根據研究人員的估算，VHA每年的碳排放量可能高達135億噸。

現在，科學(xué)家們在估算氣候變化對大氣中二氧化碳固定為有機分子的速度的影響時(shí)，可以將這一因素加入到其他考慮因素中，而大氣中二氧化碳固定為有機分子的速度決定了地球繼續變暖的速度。這也有助于討論海洋酸度的變化是否會(huì )對碳固定和氧氣產(chǎn)生的速度產(chǎn)生直接影響。Yee說(shuō)，科學(xué)家們還可以開(kāi)始探討，基于新發(fā)現的機制的生物技術(shù)解決方案是否可以加強碳固存過(guò)程，從而限制氣候變化。

Yee 現在是位于格勒諾布爾的法國國家科學(xué)研究中心細胞和植物生理學(xué)實(shí)驗室的博士后研究員，他為自己的團隊能夠為如此重要的生態(tài)生命形式如何進(jìn)行光合作用提供一種新機制而感到自豪。

“但我們也意識到，”他說(shuō)，“我們學(xué)得越多，知道的就越少�！�