海洋微生物可在食物稀缺时巧妙地合作收集食物
Coscinodiscus wailesii 硅藻附有 Pseudovorticella coscinodisci 纤毛虫外缘。条纹线来源于纤毛虫外生体产生的流动。源视频以每秒 500 帧的速度捕获，图像在 200 帧间隔内集成了粒子路径。图片来源：Kanso 等人，PNAS，2021。
显微镜(microscope)是一种借助物理方法产生物体放大影像的仪器。最早发明于16世纪晚期，至今已有400多年的历史。现在，它已经成为了一种极为重要的科学仪器，广泛地用于生物、化学、物理、冶金、酿造等各种科研活动，对人类的发展做出了巨大而卓越的贡献。
当采摘物很少时，饥饿的海洋微生物会做什么？它必须捕获营养物质——氮、磷或铁——才能生存，但在广阔的海洋中，营养物质极其稀缺。而且风险很高：海洋微生物群落推动了许多维持地球上所有生命的元素循环。
本周《美国国家科学院院刊》报道了一项针对这一挑战的巧妙解决方案。在低营养环境中，海洋微生物可以聚集在一起，并与表面上具有振动的毛状附属物（纤毛）的更小的细胞相连。跳动的纤毛产生微电流，可以在微生物的范围内吸收多达 10 倍的营养物质，从而通过合作提供食物。
普罗维登斯学院和伍兹霍尔海洋生物实验室 (MBL) 的高级通讯作者约翰·H·科斯特洛说，即使海洋非常动荡，微生物也可以捎带进入联盟进行分工，大部分研究都是在那里进行的。
“在所有条件下，除了最极端的混合，这些微生物细胞生活在比海洋混合产生的涡流更小的流体空间中，”科斯特洛说。“在他们的世界里，周围的液体总是粘稠的，他们不会像人类感觉到的那样经历湍流漩涡。”
该团队使用一种称为粒子图像测速 (PIV) 的技术来测量光合海洋硅藻Coscinodiscus wailesii周围流体流动的方向和大小，无论是否附着有纤毛虫“伙伴” Pseudovorticella coscinodisci。他们发现，由纤毛跳动产生的流体流动可以增加硅藻细胞表面的营养通量，比单独的硅藻通量高 4-10 倍。
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这种合作解决方案是微生物应对低营养环境的一种方式。另一种先前已知的单个细胞策略是下沉到更深的深度，这会在细胞和周围水之间产生相对运动，并增加其暴露于更高营养浓度的情况。
“在低营养条件下，下沉可能会很好地发挥作用，在这种条件下，混合会使细胞从深处重新循环到阳光照射的层，”科斯特洛说。“这样，硅藻沉没的风险可能会被返回高光环境的可能性所抵消。但在低混合条件下，与纤毛虫形成联合体可能是解决营养供应不足的更有利的解决方案。”
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硅藻是用于从大气中去除二氧化碳的最重要的单细胞光合作用组之一。因此，这项研究有助于阐明海洋与大气的交流，这对于了解气候变化变得越来越重要。
“我们已经描述了一种协作解决方案——联合体的形成——已经在微观尺度上进化，使这种大型硅藻物种能够成功地在低营养水域中生存，否则这似乎会限制它的成功，”科斯特洛说。
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