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

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

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和二氧化碳封存等情況，但越來越多的證據表明，單個細胞復雜的小規(guī)模運動在塑造海洋生產力方面發(fā)揮著重要作用。

細菌游向大型浮游植物

兩種類型的微生物在海洋中占主導地位，浮游植物和細菌。

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。浮游植物和細菌之間的營養(yǎng)交換調節(jié)海洋生產力。

在顯微鏡下，經?？吹胶Ｑ蠹毦?約一微米，或1/1000毫米寬)聚集在大型浮游植物細胞(如硅藻，大小約為0.5至<>毫米)周圍，以滲入環(huán)境的營養(yǎng)物質為食。

浮游植物周圍營養(yǎng)豐富的區(qū)域，稱為藻圈，吸引細菌，細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(這是一種稱為藍藻的光合細菌)可以比硅藻小數百倍。

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

跟隨[化學]錢

我們與悉尼科技大學和世界各地氣候變化集群的同事合作，設計了一系列實驗和數學模型 - 發(fā)表在Nature Microbiology上 - 以測試游泳和導航是否以及如何幫助細菌找到這些微微浮游植物“大海撈針”。

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

接下來，我們的團隊測量了單個細胞的氮和碳組成，發(fā)現其中一些營養(yǎng)物質確實在兩種生物體之間轉移。

細菌運動有多重要?

在實驗中，我們使用了趨化細菌——它們可以游向食物。但是游泳對這種營養(yǎng)交換很重要嗎，事實上，對于海洋中如此小的細胞來說，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菌重復了這些實驗：可以游泳但不能向食物導航的細菌和根本不會游泳的細菌。

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。細菌游泳行為是交換營養(yǎng)和使用趨化性的關鍵;細菌確實可以鎖定其營養(yǎng)豐富的微微浮游植物目標。

數學建模向我們展示了它是如何完成的

盡管細菌的感知和運動很復雜，但它們的行為可以通過簡化的數學模型非常準確地捕獲。

一個好的數學模型的偉大之處在于，它不僅能重現實驗數據，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。

我們的數學模型直接模擬了數千個細菌在一小滴海水中游泳的運動。

該模型支持我們的實驗發(fā)現，即游泳增強了浮游植物的營養(yǎng)吸收。它還使我們能夠跟蹤單個細菌細胞，并計算它們始終與食物來源的距離。

一種新型共生

我們發(fā)現，能夠進行趨化性的細菌會游向浮游生物熱點，但會經常“迷路”并移開。

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

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，趨化細胞比那些無法導航的細胞多獲得160%的營養(yǎng)。

這是因為這些細菌在每個熱點周圍非常狹窄的營養(yǎng)豐富的環(huán)境中花費的時間更長。

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

我們團隊的發(fā)現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，但時間短短幾秒鐘。這些結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。

微尺度運動是關鍵

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

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

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

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