最小的浮游植物与细菌之间短暂的相互作用有助于塑造全球海洋生产力

微生物或微生物是推动海洋中大规模生态和生物地球化学过程的引擎。

它们大规模地处理光和营养物质，代表了海洋食物网的基础。

虽然海洋中的微生物活动通常已被大规模研究，以了解全球氧气生产和二氧化碳封存等情况，但越来越多的证据表明，单个细胞复杂的小规模运动在塑造海洋生产力方面发挥着重要作用。

细菌游向大型浮游植物

两种类型的微生物在海洋中占主导地位，浮游植物和细菌。

浮游植物是开阔海洋中的微小“植物”，吸收阳光并利用这种能量来制造食物和氧气。浮游植物和细菌之间的营养交换调节海洋生产力。

在显微镜下，经常看到海洋细菌(约一微米，或1/1000毫米宽)聚集在大型浮游植物细胞(如硅藻，大小约为0.5至<>毫米)周围，以渗入环境的营养物质为食。

浮游植物周围营养丰富的区域，称为藻圈，吸引细菌，细菌通过称为趋化性的过程在它们身上定居。

然而，浮游植物有各种各样的形状和大小，最丰富的也是一些最小的。

像集球藻这样的微微浮游生物(这是一种称为蓝藻的光合细菌)可以比硅藻小数百倍。

由于它们的体积很小 - 只有几微米宽 - 普遍的观点是微微浮游植物和其他细菌之间的细胞间相互作用是不可能的。相互碰撞以分享营养的机会似乎非常渺茫，就像大海捞针中找到其他针一样。

跟随[化学]钱

我们与悉尼科技大学和世界各地气候变化集群的同事合作，设计了一系列实验和数学模型 - 发表在Nature Microbiology上 - 以测试游泳和导航是否以及如何帮助细菌找到这些微微浮游植物“大海捞针”。

为了测试营养物质是否在这些不同的生物之间转移，我们用不同形式的氮和碳(称为稳定同位素)分别培养细菌和浮游植物，然后在实验室中将它们一起培养三个小时。

接下来，我们的团队测量了单个细胞的氮和碳组成，发现其中一些营养物质确实在两种生物体之间转移。

细菌运动有多重要?

在实验中，我们使用了趋化细菌——它们可以游向食物。但是游泳对这种营养交换很重要吗，事实上，对于海洋中如此小的细胞来说，游泳有什么意义吗?

为了找到答案，我们用两种不同类型的细菌重复了这些实验：可以游泳但不能向食物导航的细菌和根本不会游泳的细菌。

在每种情况下，与浮游小植物的营养交换要低得多。

这表明普遍的看法是错误的。细菌游泳行为是交换营养和使用趋化性的关键;细菌确实可以锁定其营养丰富的微微浮游植物目标。

数学建模向我们展示了它是如何完成的

尽管细菌的感知和运动很复杂，但它们的行为可以通过简化的数学模型非常准确地捕获。

一个好的数学模型的伟大之处在于，它不仅能重现实验数据，还能为系统提供新的见解，而这些见解在其他方面是很难或不可能看到的。

我们的数学模型直接模拟了数千个细菌在一小滴海水中游泳的运动。

该模型支持我们的实验发现，即游泳增强了浮游植物的营养吸收。它还使我们能够跟踪单个细菌细胞，并计算它们始终与食物来源的距离。

一种新型共生

我们发现，能够进行趋化性的细菌会游向浮游生物热点，但会经常“迷路”并移开。

它们的目标非常小，信号非常弱，即使有非常精确的导航，它们也不可能无限期地居住在浮游植物细胞附近。它们的游泳运动会无意中将它们带离细胞，然后它们必须找到返回或另一个细胞的路，对于这些微小的细菌来说，这是一个相当费力的过程。

这似乎是一种非常低效的获取营养的方式，但就像赌场最终总是赢一样，趋化细胞比那些无法导航的细胞多获得160%的营养。

这是因为这些细菌在每个热点周围非常狭窄的营养丰富的环境中花费的时间更长。

更频繁地访问营养脉冲和稍长的时间会导致随着时间的推移显着提高生长速度。

我们团队的发现代表了一种新的共生形式，其中生物体之间发生显着的双向交换，但时间短短几秒钟。这些结果与典型的共生形成鲜明对比，后者涉及生物体无限期地彼此靠近。

微尺度运动是关键

我们工作的主要发现是细胞行为在塑造微生物之间的代谢伙伴关系方面具有巨大的作用。

尽管细胞非常小，但单个细胞的精细运动提供了显着的优势，最终扩大到提高生长速度，并有助于塑造整体海洋生产力。

在海洋之外，这项工作还表明，趋化性可能在一系列其他环境中的单个细胞之间的代谢交换中发挥意想不到的作用。

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