海洋中最勤奮的生物之一是微小且帶有翡翠色調的原綠球藻（Prochlorococcus marinus）。這種比人類紅血球還要小的單細胞微型浮遊生物廣泛分布在海洋表層水域，是地球上數量最多的光合作用生物，原綠球藻的固碳能力甚至可與陸地作物相媲美。如今，科學家研究發現，這種微小的綠色生物在海洋碳迴圈和碳儲存中扮演著至關重要的角色。
最近，MIT 的科學家發現了原綠球藻在調節海洋生態方面的一項新功能——「DNA構建塊的交叉餵養」。在發表在 Science Advances 上的一篇論文中，研究團隊指出，這些微生物會將多余的化合物釋放到周圍環境中，這些化合物隨後被其他海洋生物吸收，用作營養來源、能量供應或代謝調節物。換句話說，原綠球藻排放的廢棄物成了其他微生物的寶貴資源。
更有趣的是，這種交叉餵養表現出規律的周期性：原綠球藻通常在夜間釋放這些分子，而其他微生物會迅速將其吸收。研究發現，對於海洋中最豐富的細菌之一 SAR11 而言，這些夜間的「零食」具有類似放松劑的作用，能夠減緩它們的代謝速度，為第二天的活躍狀態積蓄能量。
透過這種交叉餵養，原綠球藻不僅僅是在簡單地釋放多余物質，還在幫助眾多微生物群落實作永續生長。這種互動模式可能為全球範圍內微生物的日常節律奠定了基礎。
MIT 教授、該研究的共同作者 Sallie 「Penny」 Chisholm 表示：「海洋生態系中兩類最豐富微生物之間的關系一直是海洋學家關註的謎題。」早在 1986 年，她便參與了原綠球藻的發現。她補充道：「如今，我們終於能夠窺見它們之間精妙的協作關系，這種協作維持了廣闊海域中微生物的生長與生態平衡。」
由於原綠球藻和 SAR11 廣泛分布於表層海洋，研究團隊推測，這些分子之間的交換可能是海洋中最關鍵的交叉餵養關系之一，在海洋碳迴圈中發揮著重要作用。
「透過深入研究交叉餵養的細節和多樣性，我們正逐步揭示塑造碳迴圈的關鍵力量。」該研究的第一作者、MIT 地球、大氣與行星科學系研究員 Rogier Braakman 表示。
參與這項研究的其他MIT合作者還包括 Brandon Satinsky、Tyler O’Keefe、Shane Hogle、Jamie Becker、Robert Li、Keven Dooley 和 Aldo Arellano。此外，來自伍茲霍爾海洋研究所的 Krista Longnecker、Melissa Soule和Elizabeth Kujawinski 也共同參與了研究。
發現「漂流者」
交叉餵養在微生物世界中十分普遍，但這一過程通常在關系密切的群落中得到了更深入的研究。例如，在人類腸道內，微生物彼此距離很近，能夠輕松地交換資源並共同受益。
相比之下，原綠球藻是一種自由漂浮的微生物，時常受到海洋表層水流的翻騰和混合作用。盡管科學家早已推測這些浮遊生物在一定程度上參與了交叉餵養，但它們具體如何互動以及哪些微生物從中受益，一直難以明確。由於原綠球藻排放的物質濃度極低，難以被檢測，這也為研究帶來了不小的挑戰。
然而，在 2023 年的一項研究中，Braakman 與伍茲霍爾海洋研究所的科學家合作，利用他們開創的技術成功測量了海水中的微量有機化合物。在實驗室中，研究人員在不同條件下培養了多種原綠球藻菌株，並對其釋放的物質進行了分析。結果顯示，原綠球藻主要分泌的物質包括嘌呤和嘧啶，它們是 DNA 的重要構建塊。此外，這些分子還富含氮，這一發現令研究團隊感到疑惑。
原綠球藻主要生活在氮含量較低的海洋區域，按照常理，它們理應盡可能保留所有含氮化合物。那麽，為什麽它們會選擇釋放這些珍貴的化合物呢？
全球「交響樂」
在最新的研究中，研究人員深入探討了原綠球藻的交叉餵養機制及其對多種海洋微生物的影響。
首先，他們研究了原綠球藻如何合成並利用嘌呤和嘧啶，並將這些化合物釋放到周圍環境中。透過對已發表的基因組進行比較，研究團隊篩查了與嘌呤和嘧啶代謝相關的基因。他們發現，這些化合物一旦合成，主要被用於 DNA 的生成和微生物基因組的復制。盡管大部份嘌呤和嘧啶會被回收再利用，但最終仍有少量被釋放到環境中。原綠球藻似乎在盡可能高效地利用這些化合物後，將多余的部份排放出去。
研究團隊進一步分析了基因表現數據，發現回收嘌呤和嘧啶的基因在黃昏時段基因組復制高峰的幾小時後才達到表達高峰。這一發現促使他們深入探究，哪些生物可能從原綠球藻夜間釋放的分子中獲益。
為了解答這個問題，研究人員分析了 300 多種異營微生物的基因組。異營微生物透過消耗有機碳維持生存，而不是依靠光合作用合成碳。研究團隊推測，這些異營微生物可能會利用原綠球藻釋放的有機廢棄物。分析結果顯示，大多數異營微生物都攜帶與吸收嘌呤或嘧啶相關的基因，部份微生物甚至同時具備吸收兩種化合物的能力。這表明，微生物在交叉餵養過程中沿著不同的前進演化路徑發展，以適應各種資源利用方式。
進一步研究中，團隊特別關註一種偏好嘌呤的微生物——SAR11，它是海洋中數量最多的異營微生物。在比較 SAR11 不同菌株的基因時，他們發現，各菌株在利用嘌呤的方式上存在差異：有些菌株能夠直接吸收並完整利用嘌呤，而有些則將嘌呤分解為能量、碳或氮。這種多樣化的利用策略背後究竟是什麽因素在驅動？
答案在於當地環境的影響。研究團隊透過宏基因組分析，對全球 600 多個海水樣本中的微生物集體基因組序列進行了比較，並結合采樣地點的環境數據進行分析。結果發現，當海水中的氮含量較低時，SAR11 會利用嘌呤中的氮元素；而在氮含量充足的情況下，它們則將嘌呤作為碳源或能量來源。這一發現揭示了不同海洋環境下，微生物群落在選擇壓力作用下如何靈活調整代謝策略。
「這項研究表明，海洋中的微生物之間建立了超出我們預期的復雜關系，這些關系促進了它們的生長潛力。」這篇論文的共同作者 Kujawinski 表示。
為了進一步驗證這一機制，研究團隊在實驗室中開展了實驗，觀察嘌呤對 SAR11 的直接影響。他們將細菌培養在不同濃度的嘌呤環境中，意外地發現嘌呤會減緩細菌的正常代謝活動，甚至抑制其生長速度。然而，當細胞處於環境壓力條件下時，這些細菌依然能夠生長出強壯健康的細胞。這表明，嘌呤引發的代謝暫停可能幫助細菌調整狀態，為生長積蓄能量，從而更好地應對外界壓力。
「原綠球藻每日釋放嘌呤的脈沖，可能是一種日常迴圈的抑制訊號，使 SAR11 的代謝暫時停滯，以便在第二天太陽升起時，它們能做好充分準備。」 Braakman 表示，「因此，我們認為原綠球藻在海洋代謝的日常‘交響樂’中扮演著指揮者的角色。交叉餵養在這些微生物之間創造了全球範圍的同步節律。」
這項研究得到了西蒙斯基金會和美國國家科學基金會的部份資助。
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