微生物或微生物是推動海洋中大規(guī)模生態(tài)和生物地球化學(xué)過程的引擎。

它們大規(guī)模地處理光和營養(yǎng)物質(zhì)，代表了海洋食物網(wǎng)的基礎(chǔ)。

雖然海洋中的微生物活動通常已被大規(guī)模研究，以了解全球氧氣生產(chǎn)和二氧化碳封存等情況，但越來越多的證據(jù)表明，單個細(xì)胞復(fù)雜的小規(guī)模運(yùn)動在塑造海洋生產(chǎn)力方面發(fā)揮著重要作用。

細(xì)菌游向大型浮游植物

兩種類型的微生物在海洋中占主導(dǎo)地位，浮游植物和細(xì)菌。

浮游植物是開闊海洋中的微小“植物”，吸收陽光并利用這種能量來制造食物和氧氣。浮游植物和細(xì)菌之間的營養(yǎng)交換調(diào)節(jié)海洋生產(chǎn)力。

在顯微鏡下，經(jīng)常看到海洋細(xì)菌(約一微米，或1/1000毫米寬)聚集在大型浮游植物細(xì)胞(如硅藻，大小約為0.5至<>毫米)周圍，以滲入環(huán)境的營養(yǎng)物質(zhì)為食。

浮游植物周圍營養(yǎng)豐富的區(qū)域，稱為藻圈，吸引細(xì)菌，細(xì)菌通過稱為趨化性的過程在它們身上定居。

然而，浮游植物有各種各樣的形狀和大小，最豐富的也是一些最小的。

像集球藻這樣的微微浮游生物(這是一種稱為藍(lán)藻的光合細(xì)菌)可以比硅藻小數(shù)百倍。

由于它們的體積很小 - 只有幾微米寬 - 普遍的觀點(diǎn)是微微浮游植物和其他細(xì)菌之間的細(xì)胞間相互作用是不可能的。相互碰撞以分享營養(yǎng)的機(jī)會似乎非常渺茫，就像大海撈針中找到其他針一樣。

跟隨[化學(xué)]錢

我們與悉尼科技大學(xué)和世界各地氣候變化集群的同事合作，設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型 - 發(fā)表在Nature Microbiology上 - 以測試游泳和導(dǎo)航是否以及如何幫助細(xì)菌找到這些微微浮游植物“大海撈針”。

為了測試營養(yǎng)物質(zhì)是否在這些不同的生物之間轉(zhuǎn)移，我們用不同形式的氮和碳(稱為穩(wěn)定同位素)分別培養(yǎng)細(xì)菌和浮游植物，然后在實(shí)驗(yàn)室中將它們一起培養(yǎng)三個小時(shí)。

接下來，我們的團(tuán)隊(duì)測量了單個細(xì)胞的氮和碳組成，發(fā)現(xiàn)其中一些營養(yǎng)物質(zhì)確實(shí)在兩種生物體之間轉(zhuǎn)移。

細(xì)菌運(yùn)動有多重要?

在實(shí)驗(yàn)中，我們使用了趨化細(xì)菌——它們可以游向食物。但是游泳對這種營養(yǎng)交換很重要嗎，事實(shí)上，對于海洋中如此小的細(xì)胞來說，游泳有什么意義嗎?

為了找到答案，我們用兩種不同類型的細(xì)菌重復(fù)了這些實(shí)驗(yàn)：可以游泳但不能向食物導(dǎo)航的細(xì)菌和根本不會游泳的細(xì)菌。

在每種情況下，與浮游小植物的營養(yǎng)交換要低得多。

這表明普遍的看法是錯誤的。細(xì)菌游泳行為是交換營養(yǎng)和使用趨化性的關(guān)鍵;細(xì)菌確實(shí)可以鎖定其營養(yǎng)豐富的微微浮游植物目標(biāo)。

數(shù)學(xué)建模向我們展示了它是如何完成的

盡管細(xì)菌的感知和運(yùn)動很復(fù)雜，但它們的行為可以通過簡化的數(shù)學(xué)模型非常準(zhǔn)確地捕獲。

一個好的數(shù)學(xué)模型的偉大之處在于，它不僅能重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還能為系統(tǒng)提供新的見解，而這些見解在其他方面是很難或不可能看到的。

我們的數(shù)學(xué)模型直接模擬了數(shù)千個細(xì)菌在一小滴海水中游泳的運(yùn)動。

該模型支持我們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即游泳增強(qiáng)了浮游植物的營養(yǎng)吸收。它還使我們能夠跟蹤單個細(xì)菌細(xì)胞，并計(jì)算它們始終與食物來源的距離。

一種新型共生

我們發(fā)現(xiàn)，能夠進(jìn)行趨化性的細(xì)菌會游向浮游生物熱點(diǎn)，但會經(jīng)常“迷路”并移開。

它們的目標(biāo)非常小，信號非常弱，即使有非常精確的導(dǎo)航，它們也不可能無限期地居住在浮游植物細(xì)胞附近。它們的游泳運(yùn)動會無意中將它們帶離細(xì)胞，然后它們必須找到返回或另一個細(xì)胞的路，對于這些微小的細(xì)菌來說，這是一個相當(dāng)費(fèi)力的過程。

這似乎是一種非常低效的獲取營養(yǎng)的方式，但就像賭場最終總是贏一樣，趨化細(xì)胞比那些無法導(dǎo)航的細(xì)胞多獲得160%的營養(yǎng)。

這是因?yàn)檫@些細(xì)菌在每個熱點(diǎn)周圍非常狹窄的營養(yǎng)豐富的環(huán)境中花費(fèi)的時(shí)間更長。

更頻繁地訪問營養(yǎng)脈沖和稍長的時(shí)間會導(dǎo)致隨著時(shí)間的推移顯著提高生長速度。

我們團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)代表了一種新的共生形式，其中生物體之間發(fā)生顯著的雙向交換，但時(shí)間短短幾秒鐘。這些結(jié)果與典型的共生形成鮮明對比，后者涉及生物體無限期地彼此靠近。

微尺度運(yùn)動是關(guān)鍵

我們工作的主要發(fā)現(xiàn)是細(xì)胞行為在塑造微生物之間的代謝伙伴關(guān)系方面具有巨大的作用。

盡管細(xì)胞非常小，但單個細(xì)胞的精細(xì)運(yùn)動提供了顯著的優(yōu)勢，最終擴(kuò)大到提高生長速度，并有助于塑造整體海洋生產(chǎn)力。

在海洋之外，這項(xiàng)工作還表明，趨化性可能在一系列其他環(huán)境中的單個細(xì)胞之間的代謝交換中發(fā)揮意想不到的作用。

　　免責(zé)聲明：本文由用戶上傳，與本網(wǎng)站立場無關(guān)。財(cái)經(jīng)信息僅供讀者參考，并不構(gòu)成投資建議。投資者據(jù)此操作，風(fēng)險(xiǎn)自擔(dān)。 如有侵權(quán)請聯(lián)系刪除！