摘要：在浩瀚的海洋中，隐匿着一位勤勉非凡的生物——微小而翠绿的原绿球藻（Prochlorococcus marinus），它以其不可思议的存在，成为了海洋生态系统中不可或缺的一员。这种比人类红细胞更为娇小的单细胞微型浮游生物，广泛点缀于海洋的表层水域，是地球上数量最

在浩瀚的海洋中，隐匿着一位勤勉非凡的生物——微小而翠绿的原绿球藻（Prochlorococcus marinus），它以其不可思议的存在，成为了海洋生态系统中不可或缺的一员。这种比人类红细胞更为娇小的单细胞微型浮游生物，广泛点缀于海洋的表层水域，是地球上数量最为庞大的光合作用生物之一，其固碳能力甚至足以与陆地上的作物相抗衡。如今，科学家们的深入探索，进一步揭示了这位微小绿色生物在海洋碳循环与碳储存中所扮演的举足轻重的角色。

最近，来自麻省理工学院（MIT）的研究团队在《Science Advances》上发表了一项令人瞩目的研究成果，揭示了原绿球藻在调节海洋生态方面的又一神奇功能——“DNA构建块的交叉喂养”。他们指出，这些微小的生命体能够将自身多余的化合物慷慨地释放到周围的海洋环境中，而这些化合物随后成为了其他海洋生物不可或缺的营养源泉、能量补给站或代谢调节剂。简而言之，原绿球藻所排放的废弃物，对其他微生物而言，却是宝贵的生命之泉。

尤为引人入胜的是，这种交叉喂养的过程展现出了一种规律的周期性：原绿球藻通常在夜幕降临时分释放这些分子，而其他微生物则如同等待已久的食客，迅速将其吸收利用。对于海洋中数量最为庞大的细菌之一——SAR11而言，这些夜间的“美味佳肴”宛如一剂温柔的放松剂，能够有效减缓它们的代谢速率，为次日的精神焕发积蓄力量。

通过这种独特的交叉喂养机制，原绿球藻不仅是在简单地处理自身的多余物质，更是在为众多微生物群落的可持续生长提供着不可或缺的助力。这种互动模式，或许正是全球范围内微生物日常节律的基石所在。

MIT的教授、该研究的共同作者Sallie “Penny” Chisholm，早在1986年便参与了原绿球藻的发现之旅。她感慨道：“长久以来，海洋生态系统中这两类最为丰富的微生物之间的神秘关系，一直是海洋学家们孜孜不倦探索的谜题。”如今，她补充道：“我们终于得以一窥它们之间那精妙绝伦的协作机制，正是这种协作，维系着广袤海域中微生物的生长与生态平衡。”

鉴于原绿球藻与SAR11在表层海洋中的广泛分布，研究团队推测，它们之间的这种分子交换，很可能是海洋中最关键、最重要的交叉喂养关系之一，对海洋碳循环产生着深远的影响。

该研究的第一作者、MIT地球、大气与行星科学系的研究员Rogier Braakman表示：“通过细致入微地探究交叉喂养的细节与多样性，我们正逐步揭开塑造碳循环的神秘面纱，揭示出那些推动地球生态系统运转的关键力量。”

01

揭秘海洋之谜：发现神秘“漂流者”揭秘海洋之谜：发现神秘“漂流者”

交叉喂养现象在微生物王国中颇为常见，但这一复杂过程往往在那些紧密相连的微生物群落中得到了更为详尽的探究。以人类肠道为例，其中的微生物因彼此间距离极近，能够轻松实现资源的互换与共享，从而共同促进生长与繁荣。

相比之下，原绿球藻作为一种自由漂浮的微生物，其生活环境充满了海洋表层水流的不断翻腾与混合。尽管科学家们早已推测这些浮游生物在某种程度上参与了交叉喂养，但关于它们如何具体互动以及哪些微生物能够从中获益的疑问，却长期笼罩在迷雾之中。一个主要的挑战在于，原绿球藻释放的物质浓度极低，几乎难以被现有的检测手段所捕捉。

然而，在2023年的一项突破性研究中，Braakman与伍兹霍尔海洋研究所的科学家们携手合作，利用他们独创的先进技术，成功实现了对海水中微量有机化合物的精确测量。在实验室的严格条件下，研究人员精心培育了多种原绿球藻菌株，并对其释放的各类物质进行了深入细致的分析。结果揭示，原绿球藻主要分泌的物质包括嘌呤和嘧啶——这两种物质恰恰是构成DNA不可或缺的基本单元。更为引人注目的是，这些分子中还富含氮元素，这一发现令研究团队倍感困惑。

原绿球藻主要栖息于氮含量相对匮乏的海洋区域，按照常理，它们应当尽可能地保留所有含氮化合物以满足自身的生长需求。那么，究竟是什么原因促使它们选择释放这些珍贵的氮源呢？这一谜题还有待科学家们进一步探索与解答。

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全球共鸣：奏响时代交响乐

在最新的科研探索中，研究人员对原绿球藻的交叉喂养机制及其对海洋微生物多样性的影响进行了深入而细致的剖析。

他们首先聚焦于原绿球藻如何合成并利用嘌呤与嘧啶这两种关键化合物，并探究其释放至周围环境的机制。通过对比已公开的基因组数据，研究团队精心筛查了与嘌呤、嘧呤代谢紧密相关的基因序列。他们惊奇地发现，这些化合物在合成后主要服务于DNA的构建与微生物基因组的复制过程。尽管大部分嘌呤和嘧啶会被微生物回收再利用，但仍有一小部分被慷慨地释放到海洋环境中。原绿球藻似乎以极高的效率利用这些宝贵资源，仅在必要时才将多余部分排出体外。

研究团队进一步挖掘基因表达数据，揭示了一个有趣的现象：回收嘌呤和嘧啶的基因在黄昏时分，即基因组复制活动达到高峰后的数小时内，才迎来表达的高峰期。这一发现激发了他们探究哪些生物能够利用原绿球藻夜间释放的这些分子的浓厚兴趣。

为了解答这一疑问，研究人员对300多种异养微生物的基因组进行了详尽分析。这些异养微生物依赖消耗有机碳来维持生命活动，而非通过光合作用合成碳。研究团队推测，这些微生物或许能够利用原绿球藻释放的有机废弃物作为营养来源。分析结果显示，绝大多数异养微生物都携带有与吸收嘌呤或嘧啶相关的基因，部分微生物甚至同时具备吸收这两种化合物的能力。这表明，在交叉喂养的演化历程中，微生物沿着多样化的路径发展，以适应各种资源利用策略。

在进一步的研究中，团队特别关注了海洋中数量最为庞大的异养微生物——SAR11。他们发现，SAR11的不同菌株在利用嘌呤的方式上存在显著差异：有的菌株能够直接吸收并充分利用嘌呤，而有的则将其分解为能量、碳或氮源。那么，驱动这种多样化利用策略的背后力量是什么呢？

答案蕴藏于当地环境的微妙影响之中。研究团队通过宏基因组分析，对全球600多个海水样本中的微生物集体基因组序列进行了全面比较，并结合采样地点的环境数据进行了深入分析。他们惊讶地发现，当海水中的氮含量较低时，SAR11会优先利用嘌呤中的氮元素；而在氮含量充足的情况下，它们则将嘌呤作为碳源或能量来源。这一发现揭示了在不同海洋环境下，微生物群落如何在选择压力的作用下灵活调整代谢策略，以适应环境变迁。

“这项研究揭示了海洋微生物之间建立起了比我们预期更为复杂的相互作用关系，这些关系极大地促进了它们的生长潜力。”论文的共同作者Kujawinski感慨道。

为了验证这一机制，研究团队在实验室中精心设计了实验，观察嘌呤对SAR11的直接影响。他们将细菌置于不同浓度的嘌呤环境中进行培养，意外地发现嘌呤会减缓细菌的正常代谢活动，甚至抑制其生长速度。然而，当细胞面临环境压力时，这些细菌仍然能够茁壮成长，产生健康强壮的细胞。这表明，嘌呤引发的代谢暂停可能有助于细菌调整状态，为生长积蓄能量，从而更好地应对外界环境的挑战。

“原绿球藻每日释放嘌呤的脉冲，可能是一种日常循环的抑制信号，使SAR11的代谢活动暂时停滞，以便在第二天太阳升起时，它们能够做好充分准备，迎接新的一天。”Braakman解释道，“因此，我们认为原绿球藻在海洋代谢的日常‘交响乐’中扮演着至关重要的指挥角色。交叉喂养在这些微生物之间创造了全球范围内的同步节律，共同编织着海洋生态的和谐乐章。”

这项研究得到了西蒙斯基金会和美国国家科学基金会的慷慨资助。

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来源：华远系统