了不起的海洋硅藻！科學家發(fā)現(xiàn)硅藻光能利用新機制

出品：科普中國

作者: 周璐 高山（中國科學院海洋研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

一提到食物鏈，大部分人的腦海中就會自動浮現(xiàn)出那句“大魚吃小魚，小魚吃蝦米”。不過，有沒有朋友曾經思考過，小魚吃蝦米，蝦米又吃什么呢？

海洋中的各種魚類

（圖片來源：Veer圖庫）

其實，在海洋中，還有許多比蝦米更小，甚至用眼睛看不見的“原住民”，即形形色色的微生物，蝦米通過濾食來吃掉它們（類似于喝水）。然而，正是這些處于海洋食物網最底層的微生物們，尤其是浮游植物，它們無時不刻地以小小的身軀支撐起整個海洋生態(tài)系統(tǒng)，承擔著生產者的角色。

海洋中的硅藻和甲藻作為一對不知疲倦、各具特色的競爭者，它們?yōu)楹Ｑ髣游锾峁┦澄飦碓矗遣豢苫蛉钡闹匾嬖?。然而，對于人類活動而言，它們同時也是赤潮的主導者，尤其是甲藻赤潮常常在養(yǎng)殖生產中造成巨大的破壞。因此，如何消滅有毒赤潮也成為令人頭痛的難題。

俗話說知己知彼，百戰(zhàn)不殆，想要有利消滅有毒赤潮，我們就先得深入了解這對自然界的競爭者。

致命甲藻——制造陪葬者

每年夏天，當我們打開手機、在各種社交平臺網上“沖浪”時，都會看到各種“藍眼淚”、“熒光?！钡男侣剤蟮馈㈤L短視頻等，“藍眼淚”、“熒光?！币惨云洹懊烂病蔽吮姸嘤慰团恼諊^。而引發(fā)這一奇觀的微生物——夜光藻，也是一種甲藻。**由于夜光藻中含有大量的熒光素，在受刺激時會發(fā)光，**于是就會形成“藍眼淚”、“熒光海”這種仙境般夢幻的效果。

“藍眼淚”

（圖片來源：Veer圖庫）

“藍眼淚”

（圖片來源：Veer圖庫）

但是，千萬不要被這種華麗的外表所欺騙，甲藻赤潮的爆發(fā)往往伴隨著大量毒素的產生。甲藻雖然可以作為魚類幼體的餌料，但甲藻中的一些類群，會產生多種毒素。

舉個例子，西加魚毒素即是由甲藻產生的聚醚類毒素的代表，作為電壓依賴性Na+通道的激動劑，西加魚毒素可增加細胞膜對Na+的通透性，產生強去極化，致使神經肌肉興奮性傳導發(fā)生改變，從而引起魚類的神經麻木、代謝失調及呼吸障礙，最后導致魚類大量死亡。

在赤潮多發(fā)區(qū)，甲藻死亡后所釋放的藻毒素會對水體中的魚類、貝類產生很大的危害，使之成為甲藻的陪葬者，從而造成漁業(yè)領域非常大的經濟損失。

破浪顯示“紅潮”跡象

（圖片來源：Veer圖庫）

既然甲藻赤潮的危害如此之大，那么我們應該如何治理呢？

漁業(yè)上一般采用化學藥品滅藻劑進行噴灑，然而，藥物的用量和副作用難以掌控。此外，還有一種順其自然的控制手段，那就是促使有毒赤潮向無毒赤潮轉化。

科學家通過研究發(fā)現(xiàn)，N/P可以指示赤潮發(fā)生過程中水體的營養(yǎng)狀況，是藻類受N或P限制的重要指標。不同藻類生長要求的N/P是不同的，可能具有特異性，每種營養(yǎng)元素限制的狀況通常會決定藻間競爭的結果。因此，可以通過調節(jié)水體的N/P，幫助無害的競爭者尤其是硅藻，在這場浮游植物的爆發(fā)大戰(zhàn)中占據(jù)領先地位。

萬能硅藻——海洋內卷之王

硅藻渾身是寶。

活著的時候，硅藻是重要的養(yǎng)殖餌料，尤其是貝類幼蟲，如三角褐指藻、小新月菱形藻等等，具有營養(yǎng)豐富均衡、成本低廉、易消化和能夠凈化水質等優(yōu)點。同時，硅藻還富含油脂，是生產生物柴油的明星原料生物。另外，硅藻中積累了許多有利于人類健康的生物活性物質，比如巖藻黃素、金藻昆布多糖、長鏈多不飽和脂肪酸二十碳五烯酸(EPA)以及二十二碳六烯酸(DHA)等等，大部分已用于生產藥品或保健品。硅藻因其獨特的硅質外殼，還被科學家們相中用以制作靶向治療的藥物載體。

活著的硅藻尚有如此多的功能，死后的硅藻也發(fā)揮著重要的作用。硅藻死后，它還是海底石油的原料以及勘探標記之一。此外，它的細胞壁還可以做成硅藻土產品，如日常就可以買到實用的硅藻土吸水墊。即使硅藻處于靜止狀態(tài)，它獨特美麗而又豐富的外觀也會被藝術家們相中。換句話說，硅藻簡直就是傳說中“別人家長得好看還努力的孩子”。

硅藻不僅“內卷”，它還極具“個性”。與我們熟知的綠色植物不同，硅藻的進化路線始終在海洋里，因而它走出了一條與眾不同的進化道路——二次內共生。

這種獨特的進化路線源于生物發(fā)生的兩次吞噬。目前普遍認為，第一次由真核生物吞噬了原核生物，才有了細胞內可以自主復制的膜細胞器葉綠體和線粒體。而硅藻由于二次吞噬的作用，其葉綠體膜呈現(xiàn)double即有4層。

盡管硅藻的葉綠體如此獨特，也絲毫不影響其光合能力的異常強大。硅藻的分布從幾千米深的昏暗海底到刺眼的海水表面，無論是弱光還是超強光，硅藻都能夠及其有效的加以利用。這一點正是硅藻成為“海洋王者”的核心競爭力之一，強大的光合能力支持著硅藻完成提供全球20%以上初級生產力的“業(yè)績”。

此消彼長：浮游植物的季節(jié)性演替

春天伸懶腰，冬天睡大覺，在我們適應和享受地球上美妙的四季變化時，這些古老的微生物也在體會著四季的變遷。

作為“海洋王者”，只要外界環(huán)境條件合適，硅藻就傾向于在海區(qū)中占據(jù)主導地位。因此，在初春時節(jié)，隨著海冰融化，硅藻是最早起來干活的“勞?！?，即先鋒爆發(fā)藻種。而夏季主要是甲藻大規(guī)模爆發(fā)的時期，此時硅藻已經開始“打盹”衰退，直至冬天再回到自己的“老窩”（南極沉積物）中。

縱觀全年，盡管硅甲藻的季節(jié)性交替爆發(fā)呈現(xiàn)如此趨勢，但也不排除常常有“卷”起來的甲藻在春季就形成爆發(fā)。然而，甲藻的崛起離不開“巨人的肩膀”——硅藻的爆發(fā)，也就是說，硅藻的先鋒地位始終是難以撼動的。

日月如梭，斗轉星移，硅藻與甲藻的這種季節(jié)交替性爆發(fā)一直未變。科學家們從溫度、營養(yǎng)、風力等角度切入，以解釋甲藻后來居上，以及硅藻走向衰退的原因。然而，科學家們卻始終沒有找到揭示硅藻先鋒爆發(fā)的關鍵線索。這不禁讓我們陷入思考：難道還存在其他被忽略的線索？或者說是否需要我們將這些零碎的線索進行整合呢？

被忽略的KPI——波動光

為了解決這些問題，植物科學家，尤其是致力于提高作物抗逆性和產量的研究者們，逐漸關注到一個被忽略的外界環(huán)境因子——波動光。

在自然界中，光不是一成不變的，樹葉冠層的遮擋、云層的移動等因素會使陽光強度從100%降低到10%。因而，光合生物始終要面臨著波動光的威脅，為了應對這一脅迫，就要進化出多重機制來響應。

事實上，海洋中的波動光環(huán)境更為嚴峻。由于波浪、湍流、內波等的影響，浮游植物時刻面臨著劇烈的垂直移動。因此，海洋藻類頻繁地暴露在從飽和陽光到昏暗環(huán)境的波動之中，甚至有的海區(qū)可以在半米深的范圍內產生從100%飽和陽光強度到1% 的變化。由此可見，與陸地、湖泊和河流相比，海洋中的光環(huán)境更加多變和復雜，這對海洋光合生物來說是個巨大的挑戰(zhàn)。

綜合海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)，科學家們模擬了不同強度的波動光水平，通過比較集中常見的赤潮硅甲藻后發(fā)現(xiàn)，硅藻在波動光下具有比甲藻更高效的光合能力，并且長得更快。這也就說明了在適應和利用波動光這一業(yè)績指標上，硅藻“完勝”甲藻。

那么硅藻是怎么戰(zhàn)勝對手，擁有極強的抗波動光能力的呢？科學家們通過一系列方法，包括基因編輯、光合電子傳遞測定、抑制劑、顯微觀察、細胞染色、轉錄組學與代謝組學、同位素標記的代謝流分析等等（總之盡量像硅藻一樣努力），發(fā)現(xiàn)在硅藻中，PGR5/PGRL1這對光合作用抗逆關鍵蛋白發(fā)揮著關鍵作用，并且驚嘆于硅藻的聰明之處，即在弱波動和強波動光下分別采取不同的應對策略。在海洋中才會發(fā)生的劇烈波動光條件下，PGR5蛋白才會有明顯的響應，并且硅藻的光合作用會做出調整，光合放氧能力更強，從而能夠更多地積累油脂，進一步提高自己的競爭能力。

結語

在不同強弱的波動光下采取差異性的應對策略，是硅藻的聰明之處，而通過調節(jié)水體的N/P來治理甲藻赤潮，則是人類的智慧所在。人類在科學技術的加持下，不斷地認識自然，并且在合理的范圍內改造自然。相信在未來，我們同自然界會有更近的距離、更加緊密的聯(lián)系。

編輯：應奕可

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