史丹佛大學的研究人員在一種微生物中發現了一種令人著迷的基因異常，這種異常可能對海洋碳儲存產生重大影響。 這些微生物通常被稱為藍綠藻或藍細菌，它們具有一種普遍存在的酶的兩種不同形式，而這種酶很少同時出現在同一生物體中。

史丹佛大學的研究人員發現，某些藍綠藻同時擁有兩種形式的RuBisCo 酶，這種罕見的組合可能會增強它們有效儲存碳的能力，尤其是在低氧海洋區域。 這項發現揭示了這些微生物如何適應具有挑戰性的環境，並可能對海洋碳儲存和作物工程產生影響。

史丹佛大學多爾永續發展學院地球系統科學助理教授、11月25日發表在《美國國家科學院院刊》上的這項研究的資深作者安妮-德卡斯（Anne Dekas）說：”這是科學界的一個偉大範例，去尋找一樣東西，但最終卻發現了其他更好的東西。

科考船上的船員和史丹佛大學的科學家正在準備一排瓶子，這些瓶子將進入海洋，並採集海水進行DNA 分析。 類似的取樣方法為研究提供了數據。 資料來源：Anne Dekas

數十億年前，早在植物出現之前，藍藻就發明了含氧光合作用。 在利用二氧化碳和陽光生產食物的過程中，這種廣泛存在的微生物會向空氣中釋放氧氣，使我們星球的大氣層成為今天地球上各種生命的樂園。德卡斯說：「藍藻可以說是地球上最重要的生命形式。它們為地球大氣層提供了氧氣，並掀起了一場生物革命」。

與植物一樣，藍藻也使用一種名為核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（或RuBisCo）的酵素將二氧化碳轉化為生物質。 作為自然界中最豐富的蛋白質之一，RuBisCo 有多種形式： 最常見的一種稱為I 型RuBisCo，通常使用一種稱為羧酶體的結構來選擇性地與二氧化碳而非氧氣反應，從而使光合作用有效地進行。 具有較少見的第二種酵素的生物缺乏羧酶體，但可以在氧氣稀缺的環境中有效地利用二氧化碳製造生物質。

裝有水下深處海洋樣本的瓶子被拖回水面。 圖片來源：Anne Dekas

第一作者、地球系統科學博士後亞歷克斯-賈菲（Alex Jaffe）說，通常情況下，生物體只有一種形式的RuBisCo。 因此，當他在研究海洋微生物的碳固定過程中偶然發現這項規則的例外時，他感到非常驚訝。 賈菲當時正在分析從中美洲和南美洲沿岸深海採集的海水樣本中提取的DNA，他注意到一些淺水DNA樣本不小心溜了進來。 他發現這些樣本中的藍藻似乎具有兩種RuBisCo 形式的基因。賈菲說：”我最初的反應是這可能是錯的。”

進一步的研究證實，兩種形式的酶都存在於淺水藍藻中，並被積極用於光合作用，不過要了解藍藻如何使用這兩種形式的酶，還需要進行更多的測試。擁有兩種形式的酶，可能會比只有一種酶時從水中清除更多的二氧化碳，或者可能會更有效地清除二氧化碳。

效率可能是樣本原產地生存的關鍵，在海面下約50 到150 公尺的氧氣最低區，氧氣和光都很短缺。德卡斯說：”在那裡生存非常困難。對於光合生物來說，當光照不足時，能量就會很少。”

這些發現有助於科學家預測，隨著氣候變遷擴大了低氧區，海洋的碳封存能力可能會發生怎樣的變化。 一些藍藻同時具有兩種形式的RuBisCo，這項發現表明，它們儲存碳的效率可能比以前所了解的更高，並可能隨著低氧區的擴大而大量繁殖。

德卡斯地球微生物實驗室的研究人員將剛採集的海水從大型樣本瓶中倒入較小的試管中，他們將在研究船上對這些海水進行分析。 圖片來源：安妮-德卡斯

如果兩個RuBisCos 真的比一個好，那麼這項發現還可能帶來更有效率的作物生產。 數十年來，研究人員一直在試圖設計一種RuBisCo 形式，使作物能夠以更少的肥料和水獲得更多的生長。賈菲說：”我們期待著與植物工程方面的研究人員一起繼續思考這個問題，看看它是否能結出一些果實，無論是文字上的還是隱喻上的。”

這些發現讓團隊對生命適應挑戰性環境的能力有了新的體會。儘管這些基因是生物新陳代謝的核心，但它們實際上非常靈活，可以以我們意想不到的方式重新配置和組合。

編譯自/ ScitechDaily