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海洋裡靜悄悄的世代革命:海洋中的細菌和碳循環

Photo credit: Øystein Paulsen - MAR-ECO. CC BY-SA 3.0. https://goo.gl/GmTvbF

磷蝦是海洋生態系裡重要的生物,死後屍體成為漂浮在海水裡的幾丁質顆粒。Photo credit: Øystein Paulsen – MAR-ECO. CC BY-SA 3.0.

回到以前的店家、學校、公司、團體常會讓人心裡浮出一堆感嘆。以前在這裡當家的不是這些人啊,才幾年不見,原本的熟悉的主要成員慢慢被現在這批人給取代了。有人說這樣的改朝換代是順應潮流,是跟上時代,有人會抱怨說這是劣幣驅良幣。不過這是適者生存的結果,雖然不見得符合你心裡認定的理想狀態。

要描述這樣的現象,生物學家可能比較喜歡自然演替(succession)這個名詞。自然演替可能出現在地球上每個被生物佔據的角落。例如都市的出現讓很多生物從地表消失,夜鶯成為都市人晚間熟悉的聲音,八哥開始大量出現在我每天上班要經過的大馬路上。這些都是你我小時候不會看到的景象,然而在這幾年或幾十年的時間裡,生物的演替帶走了一些老朋友,也帶來了新朋友。我們很難阻擋這種變化的發生(總不能摧毀城市吧),但是一直試著理解這些變化怎麼發生,並且評估可能造成的影響。只是我們總是只注意那些我們看得到的生物上發生的演替,看不到的角落裡一樣發生著某些生物消滅其它生物的案件。在生長快速的微生物世界裡,演替的故事應該更多吧。

海面下的碳封存

正當地球上的人類(只有某些)為了空氣裡有太多的碳而憂心的同時,海面下有更多的碳在流轉。二氧化碳在被植物藻類菌類以光合作用轉換為有機物之後暫時從空氣中消失,這些有機物可能是屍體,可能是微生物的分泌物,被動地跟著水流和重力的拉扯而移動。在它們從海平面往地心緩緩移動的過程中,或許碰上覺得它美味的生物,會游過來啃一口帶走一些養份。但是大部份從海面落下的有機物,最終還是會再經由另外一隻生物的呼吸作用或厭氧代謝,又回到空氣裡成為我們的煩惱。有一部份的有機物在這過程中逃過生物的代謝網,沉積到海洋的深處去,把碳永遠封在又黑又冷的海底。這些海洋中有機物小顆粒的下沉過程發生了什麼事,跟地球上的碳平衡,或者誇張點說跟人類的存活,是有關聯的。

到底在這個過程中,是誰在這些在海中緩緩下沉的有機物碎片上做了什麼事呢?你當然不會想要帶個顯微鏡潛水盯著一顆小碎片做追踪報導,事實上這樣做也看不到什麼東西。一篇剛出爐的研究提供了有趣的線索。首先,海洋裡的有機物碎片到底是什麼?這些有機物可能來自屍體或分泌物,如果是這樣的話那主要成份會是蛋白質跟簡單醣類,這些東西在養份不多的環境裡很快就會吃光光,有機會到處漂的,大概會是從大量節肢動物屍體來的幾丁質碎片。

各種蝦、蟹皆屬於節肢動物門,圖為加州刺龍蝦(Panulirus interruptus) source:wikipedia

各種蝦、蟹皆屬於節肢動物門,圖為加州刺龍蝦(Panulirus interruptus)
source:wikipedia

在實驗室追踪漂流中的有機顆粒

要介紹的這篇研究,設定的目標就是要弄清楚幾丁質在海洋中的命運。研究人員拿了直徑為 40 微米(um, 40 um = 1/25 mm)的幾丁質顆粒來當餌球,看看海洋裡的細菌會怎麼佔領這顆小球。更精準點說,要看看細菌社會在這顆小球上發生的自然演替。

不過研究人員可沒打算為這演替守上五年十年,他們只打算觀察大概,六天。

在這六天裡能看到什麼變化呢?面對這個小球,細菌得先降落在上面,附著把自己黏好,住下來再說。研究人員追踪小球上的細菌數目(以 16S rDNA 套數為估算指標),大概花了兩天菌口數就維持穩定了。在這兩天的時間內,細菌的多樣性先是在第一天快速上升,看起來一開始是個誰都能移民過來,佔地為王先搶先贏的局面。後來菌口多了,出現激烈搶奪,只留下競爭力比較強的強者物種稱霸,導致在第二天就出現多樣性快速下降的狀況。才兩天,這裡的社會已經改過朝換過代了。

是誰住在那顆星球上

那到底都是些什麼樣的細菌,出現在這些幾丁質小球上呢?

研究人員把小球上的細菌 DNA 全部收集下來,經過仔細的定序,並且解讀出這些序列分別是什麼基因,他們發現在第一天裡海水裡路過的細菌都能來坐坐,但是到了第二天細菌數量變多,最後能留下來的很多是能利用幾丁質當養份的細菌。這結果顯示,如果一個菌種能開發別人不能使用的資源,就能為自己帶來優勢及存活的機會,這一點在人的和在細菌的世界都是一樣的。這時期裡不少細菌能分泌胞外酵素分解幾丁質,而且讓附近的細菌共享分解出來的醣類,也經由大家一起製造酵素,讓細胞附近的酵素維持在高濃度來提高分解效率,達成彼此同工共享的雙贏結果。

改朝換代

你以為這些能利用幾丁質的細菌們從此分工共享,就過著幸福快樂的日子了嗎?我也這樣想,不過事情並沒有我想得這麼簡單。

研究人員發現第三天起情況發生改變。這時細菌的多樣性又開始增加,而幾丁質利用細菌的數量開始出現緩慢的下降走勢。他們發現在第三天之後出現的細菌不太會利用幾丁質,甚至連別的細菌切開幾丁質之後流出的醣類都不吃,所以這些新來的細菌是完全不能自己從幾丁質萃取到養份的。

研究人員選了兩株第三天新出現的細菌,來測試它們跟第二天出現的幾丁質分解菌配對後能不能在幾丁質上生活。他們拿新來的菌跟第二天菌株裡會共享幾丁質的菌株一起培養,發現長得很好。但是當他們拿這些菌跟第二天菌株裡不分享幾丁質的菌株一起培養時,發現這些新來的菌居然長得更好。這些新來的菌到底是吃什麼長大的呢?顯然這些新來的細菌從幾丁質分解菌手上得到了某些好東西來當養份活下來,或者它們硬是從幾丁質分解菌那裡搶奪了什麼資源來使用。雖然這個研究裡還看不出兩群細菌間互通了什麼有無,但是至少我們知道了細菌的世界沒有我們想像中的那麼簡單。

螢光顯微鏡下的野生海洋微生物。 source:Microscale marine interactions may shape critical carbon cycles Credit: Massachusetts Institute of Technology

螢光顯微鏡下的海洋微生物。
source:Microscale marine interactions may shape critical carbon cycles
Credit: Massachusetts Institute of Technology

你那顆幾丁質球到底吃掉了沒有

海洋裡不知道有多少顆的幾丁質球,到底走上了什麼樣的命運?從這篇研究報告裡看起來,幾丁質的分解至少不會像點蠟燭一樣,點了火就會一路燒到完。幾丁質在經過第二個時期幾丁質代謝菌的努力下,的確消化掉了一些。不過第三天起新出現的菌株卻把第二期的細菌的工作給壓制住了。如果這個群聚走到幾丁質代謝菌消失這一步後就回不去了,那碳最終可能將以幾丁質的形式在海底封存。如果這個循環可以一再啟動,那就有更多的幾丁質可以變成二氧化碳回到大氣裡。六天之後發生的事,還要等待後續的研究來提供答案。

研究原文

  • Datta et al. 2016. Microbial interactions lead to rapid micro-scale successions on model marine particles. Nature Communications 7: 11965. doi:10.1038/ncomms11965.

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關於作者

陳俊堯

慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。