海洋中的微型植物通过生物物理途径捕获二氧化碳

作者K.E.D.可恩,科学作家

海水硅藻(硅藻纲)。资料来源:诺伯特·兰格博士/ Shutterstock.com

一项开创性的研究表明,被称为硅藻的微型海水植物最初是通过生物物理过程而不是生化过程捕获二氧化碳的。硅藻吸收的二氧化碳相当于世界上所有森林吸收的二氧化碳总和,了解这一过程将如何应对不断上升的二氧化碳水平至关重要。这项研究提供了关于硅藻在自然海洋条件下使用何种机制以及它们对海洋条件变化的敏感性的初步证据。

硅藻是一种微小的单细胞植物——不超过0.5毫米——生活在阳光穿透量充足的海洋表面。尽管它们的体积不大,但它们是世界上去除大气中二氧化碳的最强大的资源之一。目前,它们每年通过光合作用去除或“固定”100亿至200亿公吨的二氧化碳。

但是对于硅藻利用的是什么生物机制,以及这些过程是否会随着海洋酸度、温度,特别是二氧化碳浓度的上升而变得不那么有效,我们所知不多。一项新的研究雷竞技rebat植物科学前沿表明硅藻主要使用一种途径将二氧化碳集中在碳固定酶附近,即使在更高的二氧化碳浓度下,这种途径也会继续发挥作用。

“我们证明了海洋硅藻在固定大气二氧化碳方面是超级聪明的,即使是在现在的二氧化碳水平。海洋表面二氧化碳浓度的变化并没有影响基因表达和用于碳固定的五种关键酶的丰度,”该研究的小组组长,印度国家海洋研究所科学与工业研究委员会的海曼蒂·比斯瓦斯博士说。“这回答了海洋硅藻如何应对未来大气中二氧化碳水平上升的关键问题。”

植物王国已经进化出了一系列从空气或水中浓缩二氧化碳并将其转化为有机碳的机制。通过这种方式,植物将二氧化碳转化为葡萄糖和其他碳水化合物,并将其用作建筑材料和能量存储。

但这些不同的机制各有优缺点。有点讽刺的是,唯一的固定碳的酶,rubisco,在固定二氧化碳方面是出了名的低效,因此植物需要在这个酶附近保持二氧化碳的高水平。


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为了更好地了解硅藻用来浓缩二氧化碳的机理,Biswas和她的合作者,来自法国巴黎师范学院生物研究所Supérieure的Chris Bowler博士和Juan Jose Pierella Karluich博士,挖掘了塔拉海洋研究探险队的数据集。从2009年到2013年,国际Tara探险队从世界各地收集了海洋浮游生物样本。

其中包括来自不同大小的硅藻的200多个宏基因组(显示了负责五种关键酶的基因的丰富性)和220多个宏转录组(显示了五种关键酶的基因的表达)。

比斯瓦斯和她的合作者特别感兴趣的是五种关键碳固定酶的基因出现的频率,以及它们的丰度和表达水平是否因位置和条件而有任何差异。

在所有测量的样本中,有一种酶的含量大约是其他任何一种酶的10倍。这种被称为碳酸酐酶的酶具有特别的信息价值,因为它也证实了硅藻在细胞内积极地吸入溶解的二氧化碳,而不是首先通过生物化学方法转化二氧化碳。

该团队还观察到关键酶基因表达的复杂不同模式,这些模式因纬度和温度的不同而不同。研究人员希望通过未来更广泛探险的新数据集了解到更多信息。

比斯瓦斯说:“到目前为止,我们的研究表明,尽管二氧化碳水平存在变化,但这些微小的自养生物在细胞内高浓度二氧化碳方面效率很高。”“这可能是它们有能力修复地球上近五分之一的全球碳固定的原因。”

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