새로운 연구에 따르면 탄소 포획 식물성 플랑크톤이 키틴 입자를 타고 래프팅 하여 바다를 식민지로 만들었습니다.

바다 전체에 수십억의 식물과 같은 미생물이 보이지 않는 떠 다니는 숲을 구성합니다. 표류하면서 작은 유기체는 햇빛을 사용하여 대기에서 이산화탄소를 빨아들입니다. 총체적으로 이 광합성 플랑크톤 또는 식물성 플랑크톤은 세계의 육상 삼림만큼의 CO2를 흡수합니다. 그들의 탄소 포획 근육의 측정 가능한 부분은 오늘날 바다에서 가장 풍부한 식물성 플랑크톤인 에메랄드빛을 띤 자유 부유물인 프로클로로코쿠스에서 나옵니다.

그러나 Prochlorococcus는 항상 열린 바다에 서식하지 않았습니다. 미생물의 조상은 영양분이 풍부하고 유기체가 해저의 공동 미생물 매트에서 살아남은 해안에 더 가깝게 붙어 있었을 가능성이 있습니다. 그렇다면 이 해안 거주자들의 후손들은 어떻게 오늘날 탁 트인 바다의 광합성 강국이 되었습니까?

MIT 과학자들은 래프팅이 핵심이라고 믿습니다. 새로운 연구에서 그들은 Prochlorococcus의 조상이 키틴(고대 외골격의 분해된 입자)에 달라붙는 능력을 획득했다고 제안합니다. 미생물은 지나가는 조각을 타고 뗏목으로 사용하여 더 멀리 바다로 모험을 떠납니다. 이 키틴질 뗏목은 필수 영양소를 제공하여 이동하는 동안 미생물에 연료를 공급하고 유지했을 수도 있습니다.

이렇게 강화된 미생물 세대는 대양에 적응할 수 있는 새로운 능력을 진화시킬 기회를 가졌을 것입니다. 결국, 그들은 배를 뛰어넘어 오늘날 살고 있는 자유롭게 떠다니는 바다 거주자로 살아남을 수 있는 지점까지 진화했을 것입니다.

“프로클로로코쿠스와 다른 광합성 유기체가 바다를 식민지화하지 않았다면 우리는 매우 다른 행성을 보고 있었을 것입니다. “그들이 이 키틴질 뗏목에 부착할 수 있었기 때문에 지구를 영원히 변화시킨 방식으로 행성 생물권의 완전히 새롭고 거대한 부분에 발판을 마련할 수 있었습니다.”

Braakman과 그의 협력자들은 이번 주에 게재된 연구에서 아이디어를 뒷받침하는 실험 및 유전 분석과 함께 새로운 “키틴질 뗏목” 가설을 발표했습니다. PNAS.

MIT 공동 저자는 Giovanna Capovilla, Greg Fournier, Julia Schwartzman, Xinda Lu, Alexis Yelton, Elaina Thomas, Jack Payette, Kurt Castro, Otto Cordero 및 MIT 연구소 Sallie (Penny) Chisholm 교수와 우즈 홀 해양 연구소.

이상한 유전자

프로클로로코커스는 지구상에서 가장 작은 광합성 유기체인 피코시아노박테리아로 알려진 부류에 속하는 두 개의 주요 그룹 중 하나입니다. 다른 그룹은 시네코코쿠스(Sinechococcus)로 바다와 민물 시스템에서 풍부하게 발견되는 밀접하게 관련된 미생물입니다. 두 유기체 모두 광합성을 통해 생계를 유지합니다.

그러나 Prochlorococcus의 일부 변종은 특히 광합성을 유지하기 어려운 저조도 지역에서 대체 생활 방식을 채택할 수 있음이 밝혀졌습니다. 이 미생물은 성장을 위해 다른 탄소 포집 전략을 혼합하여 사용하는 “혼합영양” 미생물입니다.

Chisholm 연구실의 연구원들은 Prochlorococcus의 여러 현대 변종에서 공통 유전자를 우연히 발견했을 때 혼합영양의 징후를 찾고 있었습니다. 이 유전자는 곤충과 갑각류와 같은 절지동물의 벗겨진 껍질에서 나오는 탄소가 풍부한 물질인 키틴을 분해하는 능력을 암호화했습니다.

그녀가 박사후 연구원으로 연구실에 합류했을 때 발견을 더 깊이 파고들기로 결정한 Capovilla는 “그것은 매우 이상했습니다.”라고 말했습니다.

새로운 연구를 위해 Capovilla는 Prochlorococcus가 실제로 유용한 방식으로 키틴을 분해할 수 있는지 알아보기 위한 실험을 수행했습니다. 연구실에서의 이전 연구는 키틴 분해 유전자가 저조도 조건에서 사는 프로클로로코쿠스(Prochlorococcus) 변종과 시네코코쿠스(Synechococcus)에서 나타났다는 것을 보여주었다. 햇빛이 더 많이 드는 지역에 서식하는 Prochlorococcus에서는 유전자가 누락되었습니다.

실험실에서 Capovilla는 저조도 및 고조도 균주 샘플에 키틴 입자를 도입했습니다. 그녀는 유전자를 포함하는 미생물이 키틴을 분해할 수 있다는 것을 발견했으며, 이들 중 저조도에 적응한 프로클로로코커스만이 결과적으로 더 빨리 자라는 것처럼 보였기 때문에 이 분해로부터 이익을 얻는 것으로 보였습니다. 미생물은 또한 키틴 플레이크에 달라붙을 수 있습니다. 그 결과 신진대사 과정의 진화와 지구의 생태계를 형성한 방식을 연구하는 Braakman은 특히 흥미를 느꼈습니다.

“사람들은 항상 저에게 묻습니다. 어떻게 이 미생물이 초기 바다를 식민지로 만들었습니까?” 그는 말한다. “그리고 Gio가 이러한 실험을 하고 있을 때 ‘아하’ 하는 순간이 있었습니다.”

Braakman은 궁금해했습니다. 이 유전자가 Prochlorococcus의 조상에 존재하여 해안 미생물이 키틴에 부착하여 먹이를 먹고 조각을 타고 바다로 나갈 수 있었습니까?

모든 것은 타이밍에 달려있다

이 새로운 “키틴 뗏목” 가설을 테스트하기 위해 팀은 역사를 통해 미생물 종에 걸쳐 유전자를 추적하는 것을 전문으로 하는 Fournier를 찾았습니다. 2019년 Fournier의 연구실은 키틴 분해 유전자를 나타내는 미생물에 대한 진화 계통도를 구축했습니다. 이 나무에서 그들은 경향을 발견했습니다. 미생물은 특정 생태계에서 절지동물이 풍부해진 후에야 키틴을 사용하기 시작합니다.

키틴질 뗏목 가설이 성립하려면 절지동물이 해양 환경에 정착하기 시작한 직후 프로클로로코쿠스의 조상에 유전자가 존재해야 합니다.

연구팀은 화석 기록을 살펴보고 약 5억년 전 고생대 초기에 수생 절지동물 종들이 풍부해졌다는 사실을 발견했습니다. Fournier의 진화 계통도에 따르면, 그것은 또한 키틴 분해 유전자가 Prochlorococcus와 Synecococchus의 공통 조상에 나타나는 시기에 발생합니다.

Fournier는 “타이밍이 아주 확실합니다. “이 탄소를 사용하는 유전자가 모든 다른 유형의 미생물에 퍼져 있는 것처럼 해양 시스템은 키틴 형태의 이 새로운 유형의 유기 탄소로 범람하게 되었습니다. 그리고 이러한 키틴 입자의 움직임은 갑자기 미생물이 실제로 드넓은 바다로 나가십시오.”

키틴의 출현은 고대 피코시아노박테리아가 살았던 것으로 생각되는 해안 해저와 같이 저조도 조건에서 사는 미생물에게 특히 유익했을 수 있습니다. 이 미생물들에게 키틴은 절실히 필요한 에너지원이었을 뿐만 아니라 공동의 해안 틈새에서 벗어날 수 있는 방법이었을 것입니다.

Braakman은 일단 바다에 나가면 래프팅 미생물이 다른 해양 거주 적응을 개발할 수 있을 만큼 충분히 튼튼하다고 말합니다. 수백만 년 후, 유기체는 “돌입”할 준비가 되어 오늘날 존재하는 자유롭게 떠다니는 광합성 프로클로로코쿠스로 진화했습니다.

“결국 이것은 함께 진화하는 생태계에 관한 것입니다.”라고 Braakman은 말합니다. “이 키틴질 뗏목으로 절지동물과 시아노박테리아가 넓은 바다로 확장할 수 있었습니다. 궁극적으로 이것은 현대 해양 생태계의 부상에 씨앗을 뿌리는 데 도움이 되었습니다.”

이 연구는 Simons Foundation, EMBO Long-Term Fellowship 및 Human Frontier Science Program의 지원을 받았습니다. 이 논문은 SCOPE(Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology)의 기여입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/05/230511164508.htm