切萨皮克湾细菌如何在阳光下吃点心

切萨皮克湾以其蓝蟹而闻名，但那些甲壳类动物的数量远远超过了更多的居民：细菌。每毫升海湾水都是成千上万的海洋微生物的家园，这些海洋微生物是海湾生态系统的关键组成部分。为了保护这些生态系统，科学家们想要了解这些细菌如何自我喂养。

现在，特拉华大学的一组研究人员发现，大约40%的切萨皮克湾细菌利用阳光作为补充能量的来源。他们的研究结果发表在7月份的“应用与环境微生物学”杂志上，他们研究的照片刊登在期刊的封面上。

海湾细菌以溶解在水中的营养物为食，例如碳，其在植物和其他生物分解时产生。然而，海湾中的一些细菌也可以使用视紫红质从太阳中获取能量，视紫红质是人眼用来处理光的光敏蛋白。产生视紫红质的微生物利用光来产生化学能。

“长期以来，我们一直认为这个系统就像细胞的备用发生器一样，当细菌细胞没有足够的有机碳可以产生所需的能量时，细菌细胞就可以从阳光中获取能量，” Julia Maresca，特拉华大学土木与环境工程副教授。

她的发现正在改变这种范式。

“光不是备用发电机，而是许多细菌常用的额外能量来源，”她说。“他们不必拥有它 - 它们在黑暗中运行得很好。但是当它们拥有它时，它给了它们额外的能力。”

为了解决这个问题，研究小组研究了切萨皮克湾的细菌，这种细菌含有丰富的碳，以及其他营养来源，如氮和磷。

“这些微生物不会挨饿，所以他们真的不需要备用发电机，但很多都有这种非常简单的光系统，”Maresca说。

Maresca和她的团队首先在从萨斯奎哈纳河到大西洋的切萨皮克湾进行为期五天的巡航期间收集样本。他们在每天上午11点和晚上11点丢弃收集瓶。

以前的研究表明切萨皮克湾高达90%的微生物可能含有制造视紫红质的遗传物质。Maresca的结果与该估计结果一致 - 但并非所有具有制造视紫红质的基因的细菌实际上都是如此。

“我们之前没做过的事情就是确定实际生产视紫红质的微生物有多少，”Maresca说。“如果他们有这个基因，他们就有可能制造这个系统，但在过去，我们无法弄清楚究竟有多少细胞在制造它。”

为了确定这一点，研究人员必须能够在细菌细胞中拾取非常微弱的标记物。Maresca与特拉华生物技术研究所的副科学家兼原子力和单分子显微镜专家Chandran Sabanayagam合作开发了一种检测方法。他们使用全内反射荧光显微镜，这种方法长期用于检测蛋白质，但尚未应用于自然系统。

结果令人惊讶。

“我们认为我们会看到，随着细菌饥饿的指标增加，我们会看到更多的光线使用，”Maresca说。“我们所看到的恰恰相反。”

细菌在藻类和其他产生碳的生物体的存在下更经常产生视紫红质。与靠近萨斯奎哈纳河的咸水较少相比，它们在靠近海洋的咸水中产生更多的视紫红质。研究小组发现，总共有大约40%的海湾微生物产生了视紫红质。

“我们实际上认为这里发生的事情不是使用这些视紫红质作为备用发电机，而是更像太阳能电池板，让你将能源卖回电网，”马雷斯卡说。“这是奖金而不是备份，所以它让他们能够做比平常更多的事情。”

需要更多的研究来确定细菌对额外能量的作用，但是它们可以用它来获取更多的营养物质甚至游泳，这是合理的。

像这样的研究也很重要，因为它们提供了一些洞察地球上某些阳光照射的地方 - 因为不到1%被植物捕获用于光合作用，Maresca说。