新方法揭示海洋微生物在碳循环中的巨大作用

毕格罗海洋科学实验室的研究人员领导的一项新研究表明，一小部分海洋微生物负责海洋中大部分氧气的消耗和二氧化碳的释放。发表在《自然》杂志上的这一令人惊讶的发现来自一种新方法，该方法提供了对这些有助于控制大气和海洋之间复杂的二氧化碳交换的生物体的前所未有的洞察力。

来自Bigelow实验室、维也纳大学、西班牙海洋学研究所和普渡大学的13名研究人员共同撰写了这项研究，该研究检查了称为原核浮游生物的海洋微生物，这是一大群细菌和古细菌，占海洋细胞的90%以上。该团队发现，不到3%的原核浮游生物细胞占该组消耗的所有氧气的三分之一。

“这对我们了解海洋中的碳循环如何运作具有重大意义，”毕格罗实验室的博士后科学家、共同主要作者JacobMunson-McGee说。“如果这些过程由一小部分微生物主导，那将是我们目前对这一基本海洋过程的看法的重大转变。”

原核浮游生物利用有机物通过称为细胞呼吸的过程产生能量，该过程消耗氧气并释放二氧化碳。为了估计海洋微生物的呼吸量，研究人员通常将它们的呼吸总和除以微生物的数量。然而，这种方法并没有考虑到构成海洋原核浮游生物的绝大多数不同类型的生物，每种生物的功能可能不同。这项新研究揭示了其中的一些差异并提出了新问题。

“我们发现一种微生物与另一种微生物之间存在千倍的差异，”负责该项目的高级研究科学家RamunasStepanauskas说。“令人困惑的是，消耗大部分氧气并释放大部分二氧化碳的微生物并不是海洋中的主要微生物。不知何故，呼吸不多的生物更成功，这非常令人费解。”

该团队认为，最多产的原核浮游生物可能从阳光中汲取能量，这将有助于解释它们在开阔海洋生态系统中的丰富性。

为了解这些单细胞生物，该团队开发了一种新方法来连接单个细胞的功能和遗传密码。一个生物体的基因是它的能力蓝图——不一定是它做什么。通过将细胞的功能和基因联系起来，研究人员深入了解了微生物在环境中的独特作用。

新方法使用荧光探针来观察原核浮游生物的实际行为。研究人员将探针应用于微生物，根据它们的活动对它们进行染色。它们呼吸得越多，它们就变得越亮。然后他们测量了这种荧光信号，并用它来对细胞进行分类，以进行后续的遗传分析。

对于自然研究，科学家们将该技术应用于缅因湾以及大西洋、太平洋和地中海的几个地点的原核浮游生物。

“当我想到这种新方法可以做什么时，它非常令人兴奋，”博士后科学家MelodyLindsay说，她帮助领导了这项技术的发展，并且是这篇新论文的共同主要作者。“它使我们能够在极其敏感的水平上提出详细的问题。我们可以用它来了解单细胞生物的能力，甚至可以用它来探索深海或其他行星等未被充分研究的地方的生命。”

每加仑海水中有数十亿个原核浮游生物细胞，代表着海洋中数百万种尚未被彻底研究的物种。这项研究可以帮助为需要有关微生物在全球碳过程(包括气候变化)中的作用的准确信息的计算机模型提供动力。

“我一直对微生物的多样性感到惊讶，”Munson-McGee说。“一段时间以来，科学界已经知道微生物在遗传上的差异令人难以置信，但我们才刚刚开始了解它们实际功能的复杂性。这再次提醒我们微生物是多么了不起。”