在整個海洋中，數以億計的類似植物的微生物組成了一個無形的浮動森林。當它們漂移時，這些微小的生物體利用陽光從大氣中吸走二氧化碳。這些進行光合作用的浮游生物，吸收的二氧化碳幾乎與世界上的陸地森林一樣多。它們吸收碳的能力中有相當一部分來自於原球藻–一種翡翠色的自由漂浮物，是當今海洋中最豐富的浮游植物。

新的研究表明，Prochlorococcus微生物的古代沿海祖先通過在甲殼素顆粒上漂流而在海洋中定居。資料來源：Jose-Luis Olivares/MIT

但是，原綠球菌並不總是居住在開放水域。這種微生物的祖先可能更接近海岸，那裡營養物質豐富，生物體在海底的公共微生物墊中生存。那麼，這些沿海居民的後代是如何最終成為今天開放海洋的光合作用的動力源的呢？

麻省理工學院的科學家認為，漂流是關鍵所在。在一項新的研究中，他們提出原球藻的祖先獲得了一種抓住甲殼素的能力–古代外骨骼的降解顆粒。微生物搭上了路過的片狀物，利用這些顆粒作為筏子，進一步向海中冒險。這些甲殼素筏子可能還提供了必要的營養物質，為微生物提供了燃料，使它們在旅途中得以維持。

這樣，一代又一代的微生物可能有機會進化出新的能力，以適應開放的海洋。最終，它們會進化到可以跳船，並作為今天的自由漂浮的海洋居民而生存。

麻省理工學院地球、大氣和行星科學系（EAPS）的研究科學家Rogier Braakman說：”如果原綠球菌和其他光合生物沒有在海洋中定居，我們將看到一個非常不同的星球。”正是由於它們能夠附著在這些甲殼素筏上，使它們能夠在地球生物圈的一個全新的、巨大的部分建立一個立足點，以一種永遠改變地球的方式。”

Braakman和他的合作者在5月9日發表在PNAS上的一項研究中提出了他們新的”甲殼素筏”假說，以及支持這一觀點的實驗和遺傳分析。

麻省理工學院的共同作者是Giovanna Capovilla、Greg Fournier、Julia Schwartzman、Xinda Lu、Alexis Yelton、Elaina Thomas、Jack Payette、Kurt Castro、Otto Cordero和麻省理工學院教授Sallie（Penny）Chisholm，以及來自包括伍茲霍爾海洋學研究所在內的多個機構的同事。

一個奇怪的基因

原球藻是屬於被稱為皮青菌類的兩個主要群體之一，它們是地球上最小的光合作用生物。另一組是新球藻，一種密切相關的微生物，可以在海洋和淡水系統中大量發現。這兩種生物都通過光合作用謀生。

但事實證明，原球藻的一些菌株可以採取其他生活方式，特別是在光照不足的地區，光合作用難以維持。這些微生物是”混合營養”的，它們混合使用一系列碳捕獲策略來生長。

Chisholm實驗室的研究人員在尋找混合營養的跡象時，偶然發現幾個現代原球菌菌株中的一個共同基因。該基因編碼了分解甲殼素的能力，甲殼素是一種富含碳元素的材料，來自節肢動物（如昆蟲和甲殼動物）脫落的外殼。

卡波維拉說：”這非常奇怪，”當她作為博士後加入實驗室時，她決定更深入地研究這一發現。

在這項新的研究中，卡波維拉進行了實驗，觀察原球菌是否真的能以一種有用的方式分解甲殼素。該實驗室以前的工作表明，甲殼素降解基因出現在生活在低光照條件下的原球菌菌株和新球菌中。該基因在居住在更多陽光照射區域的原球菌中缺失。

在實驗室裡，卡波維拉將甲殼素顆粒引入低光照和高光照菌株的樣本中。她發現，含有該基因的微生物可以降解甲殼素，其中，只有適應低光照的原綠球菌似乎從這種分解中受益，因為它們似乎也因此而生長得更快。這些微生物還可以粘附在甲殼素片上–這一結果使布拉克曼特別感興趣，他研究代謝過程的進化以及它們塑造地球生態的方式。

他說：”人們總是問我：這些微生物是如何在早期海洋中殖民的？而當吉奧在做這些實驗時，出現了這個’哈’的時刻。”

布拉克曼想知道： 這個基因會不會存在於原球菌的祖先中，使沿海微生物能夠附著在甲殼素上並以其為食，然後乘著片狀物出海？

這一切都在時間上

為了測試這個新的”甲殼素筏”假說，研究小組將目光投向了Fournier，他擅長在歷史中追踪微生物物種的基因。2019年，Fournier的實驗室為那些表現出甲殼素降解基因的微生物建立了一個進化樹。從這棵樹上，他們注意到一個趨勢： 微生物只有在節肢動物在一個特定的生態系統中變得豐富之後才開始使用甲殼素。

為了使甲殼素筏假說成立，該基因必須在節肢動物開始在海洋環境中定居後不久就出現在原綠球菌的祖先中。

研究小組查閱了化石記錄，發現水生的節肢動物物種在古生代早期，即大約5億年前開始大量出現。根據Fournier的進化樹，那也恰好是甲殼素降解基因出現在原球藻和新球藻的共同祖先中的時間。

Fournier說：”這個時間點是相當可靠的。海洋系統正充斥著這種以甲殼素形式存在的新型有機碳，正如使用這種碳的基因在所有不同類型的微生物中傳播一樣。而這些甲殼素顆粒的移動突然為微生物打開了機會，使其真正進入了開放的海洋。”

甲殼素的出現可能對生活在低光照條件下的微生物特別有利，例如沿著沿海的海底，許多遠古細菌被認為生活在那裡。對這些微生物來說，甲殼素將是一個非常需要的能量來源，也是它們離開公共的沿海環境的一個途徑。

布拉克曼說，一旦出海，漂流的微生物足夠結實，可以發展其他海洋居住的適應性。數百萬年後，這些生物就準備好了”鋌而走險”，進化成今天的自由漂浮的光合作用的原球藻。歸根結底，這是關於生態系統的共同進化。有了這些甲殼素筏子，節肢動物和藍細菌都能夠擴展到開放的海洋。最終，這有助於現代海洋生態系統的崛起。