每日看点!了不起的海洋硅藻!科学家发现硅藻光能利用新机制

来源:科普中国

出品:科普中国

作者: 周璐 高山(中国科学院海洋研究所)

监制:中国科普博览


(资料图片)

一提到食物链,大部分人的脑海中就会自动浮现出那句“大鱼吃小鱼,小鱼吃虾米”。不过,有没有朋友曾经思考过,小鱼吃虾米,虾米又吃什么呢?

海洋中的各种鱼类

(图片来源:Veer图库)

其实,在海洋中,还有许多比虾米更小,甚至用眼睛看不见的“原住民”,即形形色色的微生物,虾米通过滤食来吃掉它们(类似于喝水)。然而,正是这些处于海洋食物网最底层的微生物们,尤其是浮游植物,它们无时不刻地以小小的身躯支撑起整个海洋生态系统,承担着生产者的角色。

海洋中的硅藻和甲藻作为一对不知疲倦、各具特色的竞争者,它们为海洋动物提供食物来源,是不可或缺的重要存在。然而,对于人类活动而言,它们同时也是赤潮的主导者,尤其是甲藻赤潮常常在养殖生产中造成巨大的破坏。因此,如何消灭有毒赤潮也成为令人头痛的难题。

俗话说知己知彼,百战不殆,想要有利消灭有毒赤潮,我们就先得深入了解这对自然界的竞争者。

致命甲藻——制造陪葬者

每年夏天,当我们打开手机、在各种社交平台网上“冲浪”时,都会看到各种“蓝眼泪”、“荧光海”的新闻报道、长短视频等,“蓝眼泪”、“荧光海”也以其“美貌”吸引了众多游客拍照围观。而引发这一奇观的微生物——夜光藻,也是一种甲藻。**由于夜光藻中含有大量的荧光素,在受刺激时会发光,**于是就会形成“蓝眼泪”、“荧光海”这种仙境般梦幻的效果。

“蓝眼泪”

(图片来源:Veer图库)

“蓝眼泪”

(图片来源:Veer图库)

但是,千万不要被这种华丽的外表所欺骗,甲藻赤潮的爆发往往伴随着大量毒素的产生。甲藻虽然可以作为鱼类幼体的饵料,但甲藻中的一些类群,会产生多种毒素。

举个例子,西加鱼毒素即是由甲藻产生的聚醚类毒素的代表,作为电压依赖性Na+通道的激动剂,西加鱼毒素可增加细胞膜对Na+的通透性,产生强去极化,致使神经肌肉兴奋性传导发生改变,从而引起鱼类的神经麻木、代谢失调及呼吸障碍,最后导致鱼类大量死亡。

在赤潮多发区,甲藻死亡后所释放的藻毒素会对水体中的鱼类、贝类产生很大的危害,使之成为甲藻的陪葬者,从而造成渔业领域非常大的经济损失。

破浪显示“红潮”迹象

(图片来源:Veer图库)

既然甲藻赤潮的危害如此之大,那么我们应该如何治理呢?

渔业上一般采用化学药品灭藻剂进行喷洒,然而,药物的用量和副作用难以掌控。此外,还有一种顺其自然的控制手段,那就是促使有毒赤潮向无毒赤潮转化。

科学家通过研究发现,N/P可以指示赤潮发生过程中水体的营养状况,是藻类受N或P限制的重要指标。不同藻类生长要求的N/P是不同的,可能具有特异性,每种营养元素限制的状况通常会决定藻间竞争的结果。因此,可以通过调节水体的N/P,帮助无害的竞争者尤其是硅藻,在这场浮游植物的爆发大战中占据领先地位。

万能硅藻——海洋内卷之王

硅藻浑身是宝。

活着的时候,硅藻是重要的养殖饵料,尤其是贝类幼虫,如三角褐指藻、小新月菱形藻等等,具有营养丰富均衡、成本低廉、易消化和能够净化水质等优点。同时,硅藻还富含油脂,是生产生物柴油的明星原料生物。另外,硅藻中积累了许多有利于人类健康的生物活性物质,比如岩藻黄素、金藻昆布多糖、长链多不饱和脂肪酸二十碳五烯酸(EPA)以及二十二碳六烯酸(DHA)等等,大部分已用于生产药品或保健品。硅藻因其独特的硅质外壳,还被科学家们相中用以制作靶向治疗的药物载体。

活着的硅藻尚有如此多的功能,死后的硅藻也发挥着重要的作用。硅藻死后,它还是海底石油的原料以及勘探标记之一。此外,它的细胞壁还可以做成硅藻土产品,如日常就可以买到实用的硅藻土吸水垫。即使硅藻处于静止状态,它独特美丽而又丰富的外观也会被艺术家们相中。换句话说,硅藻简直就是传说中“别人家长得好看还努力的孩子”。

硅藻不仅“内卷”,它还极具“个性”。与我们熟知的绿色植物不同,硅藻的进化路线始终在海洋里,因而它走出了一条与众不同的进化道路——二次内共生

这种独特的进化路线源于生物发生的两次吞噬。目前普遍认为,第一次由真核生物吞噬了原核生物,才有了细胞内可以自主复制的膜细胞器叶绿体和线粒体。而硅藻由于二次吞噬的作用,其叶绿体膜呈现double即有4层。

尽管硅藻的叶绿体如此独特,也丝毫不影响其光合能力的异常强大。硅藻的分布从几千米深的昏暗海底到刺眼的海水表面,无论是弱光还是超强光,硅藻都能够及其有效的加以利用。这一点正是硅藻成为“海洋王者”的核心竞争力之一,强大的光合能力支持着硅藻完成提供全球20%以上初级生产力的“业绩”。

此消彼长:浮游植物的季节性演替

春天伸懒腰,冬天睡大觉,在我们适应和享受地球上美妙的四季变化时,这些古老的微生物也在体会着四季的变迁。

作为“海洋王者”,只要外界环境条件合适,硅藻就倾向于在海区中占据主导地位。因此,在初春时节,随着海冰融化,硅藻是最早起来干活的“劳模”,即先锋爆发藻种。而夏季主要是甲藻大规模爆发的时期,此时硅藻已经开始“打盹”衰退,直至冬天再回到自己的“老窝”(南极沉积物)中。

纵观全年,尽管硅甲藻的季节性交替爆发呈现如此趋势,但也不排除常常有“卷”起来的甲藻在春季就形成爆发。然而,甲藻的崛起离不开“巨人的肩膀”——硅藻的爆发,也就是说,硅藻的先锋地位始终是难以撼动的。

日月如梭,斗转星移,硅藻与甲藻的这种季节交替性爆发一直未变。科学家们从温度、营养、风力等角度切入,以解释甲藻后来居上,以及硅藻走向衰退的原因。然而,科学家们却始终没有找到揭示硅藻先锋爆发的关键线索。这不禁让我们陷入思考:难道还存在其他被忽略的线索?或者说是否需要我们将这些零碎的线索进行整合呢?

被忽略的KPI——波动光

为了解决这些问题,植物科学家,尤其是致力于提高作物抗逆性和产量的研究者们,逐渐关注到一个被忽略的外界环境因子——波动光。

在自然界中,光不是一成不变的,树叶冠层的遮挡、云层的移动等因素会使阳光强度从100%降低到10%。因而,光合生物始终要面临着波动光的威胁,为了应对这一胁迫,就要进化出多重机制来响应。

事实上,海洋中的波动光环境更为严峻。由于波浪、湍流、内波等的影响,浮游植物时刻面临着剧烈的垂直移动。因此,海洋藻类频繁地暴露在从饱和阳光到昏暗环境的波动之中,甚至有的海区可以在半米深的范围内产生从100%饱和阳光强度到1% 的变化。由此可见,与陆地、湖泊和河流相比,海洋中的光环境更加多变和复杂,这对海洋光合生物来说是个巨大的挑战。

综合海洋监测数据,科学家们模拟了不同强度的波动光水平,通过比较集中常见的赤潮硅甲藻后发现,硅藻在波动光下具有比甲藻更高效的光合能力,并且长得更快。这也就说明了在适应和利用波动光这一业绩指标上,硅藻“完胜”甲藻。

那么硅藻是怎么战胜对手,拥有极强的抗波动光能力的呢?科学家们通过一系列方法,包括基因编辑、光合电子传递测定、抑制剂、显微观察、细胞染色、转录组学与代谢组学、同位素标记的代谢流分析等等(总之尽量像硅藻一样努力),发现在硅藻中,PGR5/PGRL1这对光合作用抗逆关键蛋白发挥着关键作用,并且惊叹于硅藻的聪明之处,即在弱波动和强波动光下分别采取不同的应对策略。在海洋中才会发生的剧烈波动光条件下,PGR5蛋白才会有明显的响应,并且硅藻的光合作用会做出调整,光合放氧能力更强,从而能够更多地积累油脂,进一步提高自己的竞争能力。

结语

在不同强弱的波动光下采取差异性的应对策略,是硅藻的聪明之处,而通过调节水体的N/P来治理甲藻赤潮,则是人类的智慧所在。人类在科学技术的加持下,不断地认识自然,并且在合理的范围内改造自然。相信在未来,我们同自然界会有更近的距离、更加紧密的联系。

编辑:应奕可

参考文献:

【1】Dutkiewicz A, Muller RD, O"Callaghan S, Jonasson H. Census of seafloor sediments in the world"s ocean[J]. Geology, 2015, 43 (9):795-798.

【2】Zhou L, Gao S, Wu S, Han D, Wang H, Gu W, Hu Q, Wang J, Wang G. PGRL1 overexpression in Phaeodactylum tricornutum inhibits growth and reduces apparent PSII activity[J]. The Plant Journal, 2020, 103 (5):1850-1857.

【3】Zhou L, Wu SC, Gu WH, Wang LJ, Wang J, Gao S, Wang GC. Photosynthesis acclimation under severely fluctuating light conditions allows faster growth of diatoms compared with dinoflagellates[J]. BMC Plant Biology, 2021, 21:164.

【4】Zhou L, Gao S, Yang W, Wu S, Huan L, Xie X, Wang X, Lin S, Wang G (2022) Transcriptomic and metabolic signatures of diatom plasticity to light fluctuations. Plant Physiol.

关键词: 科学家们 浮游植物

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