Nature：新研究发现一小部分海洋微生物在碳循环中起着巨大作用

在一项新的研究中，来自美国比格洛海洋科学实验室、普渡大学、奥地利维也纳大学和西班牙海洋研究所的研究人员指出，一小部分海洋微生物对海洋中氧气的消耗和二氧化碳的释放负大部分责任。这一令人惊讶的发现来自于一种新的方法，从而为这些有助于控制大气和海洋之间复杂二氧化碳交换的微生物提供了前所未有的见解。相关研究结果于2022年12月7日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Decoupling of respiration rates and abundance in marine prokaryoplankton”。

这些作者研究了称为原核浮游生物（prokaryoplankton）的海洋微生物，原核浮游生物是一个庞大的细菌和古生菌群体，占海洋中细胞的90%以上。他们发现，不到3%的原核浮游生物细胞占了该群体消耗的所有氧气的三分之一。

论文共同第一作者、比格洛海洋科学实验室博士后科学家Jacob Munson-McGee说，“这对我们理解海洋中的碳循环如何运作有很大的影响。如果这一过程是由一小部分微生物主导的，那么这与我们目前对这一基础海洋过程的看法是一个重大转变。”

浮游原生动物利用有机物通过一种称为细胞呼吸（cellular respiration）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，这些作者通常将它们的呼吸总量除以微生物的数量。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，每一种类型生物的功能都可能不同。这项新研究揭示了其中的一些差异，并提出了新的问题。

论文通讯作者Ramunas Stepanauskas说，“我们看到从一种微生物到另一种微生物有千倍的差异。令人困惑的是，消耗大部分氧气和释放大部分二氧化碳的微生物并不是海洋中的主导生物。不知何故，不怎么呼吸的生物在海洋中更成功，这相当令人费解。”

这些作者认为，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放的海洋生态系统中的丰富程度。

为了了解这些单细胞生物，他们开发了一种新方法，将单个细胞的功能和遗传密码联系起来。通过将一个细胞的功能和基因相关联在一起，他们获得了对这些微生物的独特环境作用的系见解。这种新方法使用荧光探针来观察原核浮游生物实际上在做什么。他们将一种探针应用于微生物，根据它们的活动对它们进行染色。它们呼吸得越多，它们就变得越明亮。他们随后测量了这种荧光信号，并利用它来对这些微生物细胞进行分选，以便进行后续的遗传分析。

变形菌视紫质光合作用对原核浮游生物呼吸的潜在影响。图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05505-3。

在这项新的研究中，这些作者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方的原核浮游生物。

论文共同第一作者Melody Lindsay说，“当我想到这种新方法可以做什么时，它是相当令人兴奋的。它使我们能够在一种令人难以置信的灵敏度水平上提出详细的问题。我们可以用它来观察单细胞生物的能力，甚至用它来探索深海等未被研究的地方的生命，或者可能是其他星球上的生命。”

每加仑海水中有数十亿个原核浮游生物细胞，代表着海洋中尚未被彻底研究的数百万个物种。这项新的研究可能有助于开发计算机模型，这些模型需要关于微生物在全球碳过程中的作用的准确信息，包括气候变化。

Munson-McGee说，“我一直对微生物的多样性感到惊奇。科学界已经知道微生物在遗传上有惊人的差异，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。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Jacob H. Munson-McGee et al. Decoupling of respiration rates and abundance in marine prokaryoplankton. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05505-3.

2. New method reveals marine microbes' outsized role in carbon cycle
https://phys.org/news/2022-12-method-reveals-marine-microbes-outsized.html