未知的海洋浮游植物光合作用过程可能产生了地球总氧气产量的12%

科学家们早就认识到浮游植物（在水生环境中漂浮的微生物）的重要性，因为它们具有光合作用的能力。 这些微小的海洋藻类构成了水生食物网的基础，估计产生了地球上约 50% 的氧气。

这项新研究于 5 月 31 日发表在《当代生物学》杂志上，确定了质子泵酶（称为 VHA）如何帮助浮游植物全球产生氧气和固碳。

“这项研究代表了我们对海洋浮游植物理解的突破，”主要作者 Daniel Yee 说，他在攻读博士学位期间进行了这项研究。 斯克里普斯海洋学学生，目前担任欧洲分子生物学实验室和法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学联合博士后研究员。 “经过数百万年的进化，海洋中的这些小细胞进行微小的化学反应，特别是产生这种增强光合作用的机制，从而塑造了这个星球上的生命轨迹。”

Yee 与斯克里普斯生理学家 Martín Tresguerres（他的共同顾问之一）以及斯克里普斯和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的其他合作者密切合作，揭示了称为硅藻的特定浮游植物群的复杂内部运作机制，硅藻是著名的单细胞藻类。 因为它们的装饰性细胞壁是由二氧化硅制成的。

了解“质子泵”酶

Tresguerres 实验室之前的研究致力于确定各种生物体如何在对海洋生命至关重要的过程中使用 VHA。 这种酶几乎存在于从人类到单细胞藻类的所有生命形式中，其基本作用是改变周围环境的 pH 值。

“我们将蛋白质想象成乐高积木，”研究合著者 Tresguerres 解释道。 “这些蛋白质总是做同样的事情，但根据它们与其他蛋白质的配对，它们可以实现截然不同的功能。”

在人类中，这种酶有助于肾脏调节血液和尿液功能。 巨蛤利用这种酶溶解珊瑚礁，并分泌一种酸，在珊瑚礁上钻洞以躲避。 珊瑚利用这种酶来促进共生藻类的光合作用，而被称为食骨蠕虫的深海蠕虫则利用这种酶来溶解鲸鱼等海洋哺乳动物的骨头，以便它们吃掉它们。 这种酶也存在于鲨鱼和鳐鱼的鳃中，是调节血液化学机制的一部分。 在鱼眼中，质子泵有助于输送氧气，从而增强视力。

回顾之前的研究，Yee 想知道 VHA 酶是如何在浮游植物中使用的。 他着手通过结合 Tresguerres 实验室的高科技显微镜技术和已故斯克里普斯科学家 Mark Hildebrand 实验室开发的遗传工具来回答这个问题，Mark Hildebrand 是硅藻方面的领先专家，也是 Yee 的联合顾问之一。

使用这些工具，他能够用荧光绿色标签标记质子泵，并将其精确定位在叶绿体周围，叶绿体被称为“细胞器”或硅藻细胞内的特殊结构。 与其他藻类相比，硅藻的叶绿体被一层额外的膜包围，包围着二氧化碳和光能转化为有机化合物并以氧气形式释放的空间。

“我们能够生成这些图像，显示感兴趣的蛋白质以及它在具有许多膜的细胞内部的位置，”Yee 说。 “结合量化光合作用的详细实验，我们发现这种蛋白质实际上通过提供更多的二氧化碳来促进光合作用，叶绿体利用二氧化碳来产生更复杂的碳分子，如糖，同时还产生更多的氧气作为副产品。 产品。”

建立了底层机制后，团队就能够将其与进化的多个方面联系起来。 硅藻源自大约 2.5 亿年前原生动物和藻类之间的共生事件，最终导致两种生物融合为一，称为共生。 作者强调，一种细胞消耗另一种细胞的过程（称为吞噬作用）在自然界中广泛存在。 吞噬作用依靠质子泵来消化作为食物来源的细胞。 然而，就硅藻而言，发生了一些特殊的情况，被吃掉的细胞没有被完全消化。

捕食者的质子泵驱动的酸化最终促进了所摄入猎物的光合作用，而不是一个细胞消化另一个细胞。随着进化时间的推移，这两种独立的生物体融合为一，就是我们现在所说的硅藻。

并非所有藻类都具有这种机制，因此作者认为这种质子泵使硅藻在光合作用方面具有优势。 他们还指出，当硅藻在2.5亿年前起源时，大气中的氧气大幅增加，藻类中新发现的机制可能在其中发挥了作用。

据信，从地下提取的大多数化石燃料都源自沉入海底的生物质（包括硅藻）经过数百万年的转化，从而形成了石油储备。 研究人员希望他们的研究能够为改善光合作用、碳封存和生物柴油生产的生物技术方法提供灵感。 此外，他们认为这将有助于更好地了解全球生物地球化学循环、生态相互作用以及气候变化等环境波动的影响。

“这是过去几十年共生领域最令人兴奋的研究之一，它将对全世界未来的研究产生巨大影响，”Tresguerres说。