海洋微生物的新型光合作用

科学家发现一种蓝藻光合作用细菌能绕过标准光合作用的反应过程，以最低限度利用光的方式，用更简单和更经济的光合机制直接给细胞活动提供动力，使得它们在缺乏铁离子的海洋中也能茂盛生长。他们发现，参与这一反应进程的酶是plastoquinol终端氧化酶。该发现具有重要的突破性意义。

　　

生物通报道：光合作用可以说是地球上最重要的生物反应过程，美国卡内基研究所的科学家作出一个惊人的发现：自然界中存在一个新的光合作用转换过程。植物、藻类，以及一些细菌的光合作用，依靠日光生产出的食物几乎养活了所有生物，而且在此过程中，这些光合生物释放氧气和吸收二氧化碳。 但亚瑟·格罗斯曼（Arthur Grossman）和他同事发表在《Biochimica et Biophysica Acta and Limnology and Oceanography》上的两个研究表明，某些海洋微生物通过进化发展出一种方式，使得它们没有释放氧气或摄取二氧化碳的情况下，还是获得相当大比例的能量。这一发现不仅让科学家对光合作用的基本有了新认识，更重要的是，它也可能关系到在海洋中的微生物如何影响日益严重的大气中的二氧化碳。

格罗斯曼的研究小组研究了海洋聚球藻（Synechococcus）的光合作用，它是一种被称为蓝藻（以前称为蓝绿藻）的光合细菌。世界大部分地区的海洋浮游植物都是这些单细胞生物，对全球初级生产力有着重要贡献。格罗斯曼和他的同事们想知道如何，聚球藻为何得以在大部分海洋缺乏铁离子的水域中茂盛生长，因为某些光合作用的正常活性需要高含量的铁。 在贫营养（营养贫乏）海洋中，这种活性是非常重要的。要知道，贫营养海洋包括约一半的海洋区域。

格罗斯曼说，看来，在贫营养海洋的聚球藻，通过绕过标准光合作用的反应过程，至少有一部分已经解决了铁的问题。在大部分时间里，这些生物越过了光合作用中需要铁的阶段。 现在看来，这也就是在这个阶段，其中光合作用从大气中吸收二氧化碳。

参与该项研究的肖恩·贝利（Shaun Bailey）说，我们很快就意识到，聚球藻有一些不同的东西。二氧化碳的吸收和光合活性极不相称，所以我们知道，被光合作用消耗的东西是二氧化碳以外的东西，它可能是氧。研究人员已经初步确定了，参与这一反应进程的酶是plastoquinol终端氧化酶，简称为ptox。他们指出，理解开放海洋生态系统的净初级生产力时，须考虑这一新的反应过程。

在正常的光合作用中，光能将水分子裂解。这将释放出氧，并提供电子来固定大气中的二氧化碳和制造富含能量的分子，如糖类。在新发现的反应过程中，这些电子的大部分并非是用来固定二氧化碳，而是去把水分子重新结合，这导致氧的产出比我们想象的少得多。

贝利说，可能看起来像是，细胞在光驱动下只做了徒劳的水源循环。但是，这不是事实的真相，因为这种新型的循环也是一种利用太阳光来产生能量的方法，同时避免光吸收可能会对光合器官造成的损害。

由光驱动的水源循环来捕捉能量是至关重要的，因为海洋蓝藻不断使用能源，以在他们的环境获取微薄的营养养分。研究生凯特·麦基（Kate Mackey）从大西洋和太平洋的海洋取得了样本，直接测量其光合作用，他发现了这个在自然界中发生的新现象。他说，低营养，低铁环境了占大约一半的世界的海洋面积，因此，他们代表了很大一部分可供光合作用的地球表面。 我们的研究结果表明，这种新型的循环发生在两个主要海洋盆地，表明大量从阳光获得的能源，远离了光合作用中的碳固定。这可能意味着，开阔海洋中光合生物清除二氧化碳的数量，比过去所认为的要少得多。

卡内基研究所的乔·贝瑞表示，这一发现是一个典范，让我们重新认识在广袤的，营养缺乏的开阔海洋中，生物体发生的光合作用。说乔浆果的卡内基研究所的部全球生态。 我们曾经想当然地认为，海洋微生物像高等植物一样，光合作用的目的是用二氧化碳制造碳水化合物并将其存储供以后使用，作为任何数目的细胞功能或增长的能量来源。现在我们知道，某些生物绕过这个复杂的过程，以最低限度利用光的方式，用更简单和更经济的光合机制直接给细胞活动提供动力。 我们虽然不知道这一结果的全部意义，尚未实现，但是可以确定的是，这回改变我们解释在海洋中光合色素的光学测量方式，已经构建海洋生产力模式的方式。

内基学院的植物生物学系的主任沃尔夫·弗罗默赞扬该发现具有重要的突破性意义。如果我们以为我们已完全了解光合作用，那么这项研究证明，对这些基本的生理过程，有很多地方是值得深入了解的。格罗斯曼实验室的结果连同先前多伦多大学报道的另一项研究，都有证据显示在海洋蓝藻中编码ptox的基因似乎很普遍，这将为海洋初级生产力的建模提供基础。（生物通，揭鹰）