海洋硅藻存在與動物類似尿素循環(huán)

日期：2011-05-19 08:17:15

據(jù)美國物理學(xué)組織網(wǎng)近日報道，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，海洋中極為豐富的單細胞生物硅藻存在與動物相類似的尿素循環(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。

硅藻類是十分微小的生物，為真核藻類，多數(shù)為單細胞生物，具有由硅構(gòu)成的獨特細胞壁。硅藻類是了解海洋生態(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物的食料，它們處在食物鏈底層，是海洋中的主要初級生產(chǎn)力。海洋環(huán)境如果受到富營養(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、海鏈藻等生殖過盛，形成赤潮，使水質(zhì)惡劣，對漁業(yè)及其他水產(chǎn)動物帶來嚴重危害。

美國克雷格·文特爾研究所的安德魯·艾倫及法國巴黎高等師范學(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，指富含營養(yǎng)的海水流向海表面。在上升流出現(xiàn)時，硅藻能夠迅速從長期缺乏營養(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、鮑勒及其同事對羽紋綱硅藻、三角褐指藻進行了基因組測序，確定硅藻的基因起源新方法。同時，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。

在這項工作的基礎(chǔ)上，艾倫及其同事研究了硅藻的進化史，并重點探討了三角褐指藻營養(yǎng)代謝機制，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，因為人們一直認為，尿素循環(huán)起源于多細胞生物，對促進脊椎動物的生理進化和發(fā)育具有十分重要的作用。比如，尿素合成可控制魚類如鯊魚、鰩及硬骨魚類體內(nèi)的鹽分及礦物質(zhì)，同時對兩棲類和哺乳動物的氨解毒十分關(guān)鍵。哺乳動物體內(nèi)氨基酸脫氨以及腸道內(nèi)細菌分解含氮物質(zhì)時會產(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。動物的尿素循環(huán)是細胞碳和氮廢物排出的關(guān)鍵，是碳循環(huán)和氮循環(huán)機制進化的選擇。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·弗尼則負責(zé)評估硅藻的樣本和對照組的尿素循環(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)物是硅藻細胞碳循環(huán)和氮循環(huán)的關(guān)鍵，其代謝產(chǎn)物，對促進硅藻從營養(yǎng)缺乏狀態(tài)中復(fù)蘇并進行指數(shù)性增長十分重要和關(guān)鍵。

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