據(jù)美國(guó)物理學(xué)組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，海洋中極為豐富的單細(xì)胞生物硅藻存在與動(dòng)物相類(lèi)似的尿素循環(huán)，這種循環(huán)使硅藻能有效地利用碳和氮。該論文發(fā)表在近期出版的《自然》雜志上。

 

硅藻類(lèi)是十分微小的生物，為真核藻類(lèi)，多數(shù)為單細(xì)胞生物，具有由硅構(gòu)成的獨(dú)特細(xì)胞壁。硅藻類(lèi)是了解海洋生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)是否健康的關(guān)鍵生物，并負(fù)責(zé)制造海洋中的碳和氧，大氣中約五分之一氧氣由其光合作用產(chǎn)生。海洋硅藻還是水生動(dòng)物的食料，它們處在食物鏈底層，是海洋中的主要初級(jí)生產(chǎn)力。海洋環(huán)境如果受到富營(yíng)養(yǎng)污染，常使某些硅藻如骨條藻、菱形藻、盒形藻、角毛藻、根管藻、海鏈藻等生殖過(guò)盛，形成赤潮，使水質(zhì)惡劣，對(duì)漁業(yè)及其他水產(chǎn)動(dòng)物帶來(lái)嚴(yán)重危害。

 

美國(guó)克雷格·文特爾研究所的安德魯·艾倫及法國(guó)巴黎高等師范學(xué)校生物系克里斯·鮑勒領(lǐng)導(dǎo)的研究小組認(rèn)為，這種尿素循環(huán)可能是導(dǎo)致上升流出現(xiàn)后，硅藻主導(dǎo)海洋環(huán)境的主要原因。所謂上升流是一種海洋學(xué)現(xiàn)象，指富含營(yíng)養(yǎng)的海水流向海表面。在上升流出現(xiàn)時(shí)，硅藻能夠迅速?gòu)拈L(zhǎng)期缺乏營(yíng)養(yǎng)的狀態(tài)下得到恢復(fù)，并能迅速增殖。

 

在此前的研究中，艾倫、鮑勒及其同事對(duì)羽紋綱硅藻、三角褐指藻進(jìn)行了基因組測(cè)序，確定硅藻的基因起源新方法。同時(shí)，他們還研究了硅藻的代謝，結(jié)果發(fā)現(xiàn)硅藻以鐵代謝為始。

 

在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，艾倫及其同事研究了硅藻的進(jìn)化史，并重點(diǎn)探討了三角褐指藻營(yíng)養(yǎng)代謝機(jī)制，發(fā)現(xiàn)硅藻有功能性尿素循環(huán)。這一發(fā)現(xiàn)十分驚人，因?yàn)槿藗円恢闭J(rèn)為，尿素循環(huán)起源于多細(xì)胞生物，對(duì)促進(jìn)脊椎動(dòng)物的生理進(jìn)化和發(fā)育具有十分重要的作用。比如，尿素合成可控制魚(yú)類(lèi)如鯊魚(yú)、鰩及硬骨魚(yú)類(lèi)體內(nèi)的鹽分及礦物質(zhì)，同時(shí)對(duì)兩棲類(lèi)和哺乳動(dòng)物的氨解毒十分關(guān)鍵。哺乳動(dòng)物體內(nèi)氨基酸脫氨以及腸道內(nèi)細(xì)菌分解含氮物質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生氨，這是一種有毒的代謝產(chǎn)物，氨的解毒主要是在肝內(nèi)合成尿素，隨尿排出體外。動(dòng)物的尿素循環(huán)是細(xì)胞碳和氮廢物排出的關(guān)鍵，是碳循環(huán)和氮循環(huán)機(jī)制進(jìn)化的選擇。而氨解毒是陸上生活的先決條件，是高蛋白飲食必要的生化途徑。

 

現(xiàn)在艾倫及其同事的研究證明，尿素循環(huán)在多細(xì)胞出現(xiàn)數(shù)十億年前已經(jīng)存在。該小組利用RNA干擾技術(shù)沉默了硅藻關(guān)鍵的尿素循環(huán)酶。馬克斯普朗克研究所的阿利斯代爾·弗尼則負(fù)責(zé)評(píng)估硅藻的樣本和對(duì)照組的尿素循環(huán)代謝。艾倫分析數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)尿素循環(huán)代謝產(chǎn)物是硅藻細(xì)胞碳循環(huán)和氮循環(huán)的關(guān)鍵，其代謝產(chǎn)物，對(duì)促進(jìn)硅藻從營(yíng)養(yǎng)缺乏狀態(tài)中復(fù)蘇并進(jìn)行指數(shù)性增長(zhǎng)十分重要和關(guān)鍵。

 

這項(xiàng)工作還表明，由于具有與動(dòng)物類(lèi)似的尿素循環(huán)等生化代謝途徑，硅藻與動(dòng)物的關(guān)系可能比植物更密切。