作者:孙超岷 来源:中科院之声 发布时间:2022-3-14 9:10:9
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深海到底有没有能利用光的生命存在?

 

海洋约占地球表面总面积的71%,其中90%的海洋平均水深大于1000米,被称为深海,是地球上人们了解最少的生境之一。深海蕴含着巨量的生物资源和特殊的生命过程,亟待我们去认识和开发。

提起深海,很多人都想到黑暗、阴森、可怕等字眼,认为那里一直是神秘而永恒的黑暗环境。但让人大感意外的是,越来越多的研究证据表明,不仅深海热液区,其他深海生境(如冷泉)也存在不同形式地质光或生物发光。

是的,你没有听错,在暗无边界的深海中有百分之九十的生物都会发光,它们形态各异,有的长得像哈密瓜,有的像外星飞碟……

众所周知,万物生长靠太阳。的确,真光层生物的生长或多或少地都会受到光的影响。那么既然深海有光的存在,是否已经进化出一些生命体能利用这些微弱但足以支撑微小生命的光呢,比如微生物?答案是肯定的。

中国科学院海洋研究所孙超岷研究团队近几年一直致力于深海光能利用微生物的发现及光能利用机制研究,发现了一系列能利用光能的深海“小精灵”——微生物。

2021年,研究团队发现了一种深海热液细菌能在细胞表面形成大量规则的硫化镉矿物质,而这些矿物质具有典型纳米光学材料的光电子吸收特性,这种深海细菌能巧妙利用这种特性利用热液口发出的光使其更好地适应深海环境。同年,研究团队又发现另一种深海热液细菌能合成一种光敏色素,这种蛋白能帮助细菌利用热液口发出的微弱的红外光。

2022年,研究团队又从深海冷泉环境利用蓝光富集的方法培养了一株细菌,这株细菌能借助其自身产生的一种蓝光感受器感受蓝光,而蓝光恰恰是深海动物的主要发光类型。值得注意的是,蓝光感受器的同源蛋白广泛分布于深海微生物中,表明了很多深海微生物也能通过类似的途径感受并利用蓝光。这些微生物都是非光合细菌,也就是说他们不是借助典型光合作用途径利用光能。

那么,是否有深海微生物能通过经典的光合作用途径利用光能呢?最近,孙超岷研究团队在深海冷泉生境的确发现了这一类微生物的存在——绿弯菌,以前被称为“绿色非硫细菌”,是细菌域中一个多样性较高的类群。绿弯菌成员广泛分布在海洋生态系统中,而且丰度非常高,但深海生境中被培养的类群屈指可数,属于典型的难培养微生物,其生物学特性在国内外基本处于空白。研究团队经过近两年的艰难摸索,终于培养出了这一类奇特的细菌。令人惊奇的是,这类细菌在实验室和深海条件下都能借助光合作用途径利用红光,这株光合绿弯菌的发现也为深海光合微生物的存在提供了实证。

那么,为什么深海微生物要进化出如此多样的光能利用途径呢?很好理解,深海相对于近海及陆地环境,缺少能支撑其生长的足够能量,在竞争激烈的生存环境中,如果能利用微弱的光能无疑能让这些微生物在生存竞争中胜出,继续繁衍自己的后代。在未来的研究中应该培养更多能利用光能的深海微生物,解析其光能利用机制,了解深海微生物利用光能的真实目的。

此外,深海是否存在更多特殊的光,是否有更多的光能利用微生物和新途径存在深海生物中?这些问题也无时无刻不在拷问着深海科研工作者。

相比于无际的太空,人类对深海的了解还远远不够。得益于国家深海探测装备和技术的飞速发展,我们已经能够深潜到万米之深的马里亚纳海沟,未来我们将亲临深海去捕捉深海微弱的光,去找寻能够利用这些微光的深海“小精灵”,并利用特殊的仪器和这些“小精灵”对话,去了解他们利用光能的特殊本领和真实目的!

参考文献:

1. Rikuan Zheng, Ruining Cai, Chong Wang, Rui Liu, Chaomin Sun*. Characterization of the first cultured representative of Candidatus Thermofonsia Clade 2 within Chloroflexi reveals its phototrophic lifestyle. mBio, 2022, 13(2): e00287-22. Doi: 10.1128/mbio.00287-22.

2. Yeqi Shan, Ge Liu, Ruining Cai, Rui Liu, Rikuan Zheng, Chaomin Sun*. A deep-sea bacterium senses blue light via a BLUF-dependent pathway. mSystems, 2022, 7(1): e01279-21. Doi: 10.1128/msystems.01279-21.

3. Ge Liu, Yeqi Shan, Rikuan Zheng, Rui Liu, Chaomin Sun*. Growth promotion of a deep-sea bacterium by sensing infrared light through a bacteriophytochrome photoreceptor. Environmental Microbiology, 2021, 23(8):4466-4477. Doi: 10.1111/1462-2920.15639.

4. Ning Ma, Zhongli Sha, Chaomin Sun*. Formation of cadmium sulfide nanoparticles mediates cadmium resistance and light utilization of the deep-sea bacterium Idiomarina sp. OT37-5b. Environmental Microbiology, 2021, 23(2):934-948. doi: 10.1111/1462-2920.15205.

5. Haddock S H , Moline M A , Case J F . Bioluminescence in the Sea[J]. Ann Rev Mar, 2010, 2(1):443-493.[2] Martini S , Haddock S . Quantification of bioluminescence from the surface to the deep sea demonstrates its predominance as an ecological trait[J]. Scientific Reports, 2017, 7:45750.

6. Haddock S H , Moline M A , Case J F . Bioluminescence in the Sea[J]. Ann Rev Mar, 2010, 2(1):443-493.

来源:中国科学院海洋研究所

 
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