当前位置:首 页 >人物
小海藻 大角色
来源:中国科学报      作者:唐一尘      时间:2017-03-22 20:22      关键词:原绿球藻,Penny,Chisholm
摘要:原绿球藻生活在广泛的水域中,细胞规模庞大,总体重量相当于2.2亿辆大众甲壳虫汽车。这种丰度让原绿球藻成为海洋食物网络和气候领域的“重量级选手”。Penny Chisholm 35年来一直爱好微生物。对于她而言,这是一个完美但难懂的伙伴。

 

Penny Chisholm 图片来源:KEN RICHARDSON

Penny Chisholm 35年来一直爱好微生物。对于她而言,这是一个完美但难懂的伙伴。

乍看上去,Chisholm的“爱人”只是一颗绿色的微粒,在海洋中“畅游全世界”。但Chisholm却发现了原绿球藻背后的复杂故事。这种藻青菌是海洋中最小且最丰富的光合作用细胞。据估算,它们进行了全球约5%的光合作用。

原绿球藻有许多生态型,从能照射到阳光的洋面到200米的深水区均能蓬勃发展。它们共有约8万个基因,足以解决在海洋各个角落面临的问题。“这是一种美丽的小生物,并有点像超个体。它有故事能讲给我们听。”Chisholm说。

一提到原绿球藻,Chisholm总有说不完的话。而藻类研究工作让她受到一位美国总统的接见并与儿童科普读物出版社合作。“她希望每个人都喜爱这种海藻。”Chisholm长期合作的实验室管理员Allison Coe说。

在职业生涯早期,作为美国麻省理工学院(MIT)的一名单身女性和生物学家,Chisholm必须克服科学和文化障碍,利用最先进的技术揭露原绿球藻的秘密,同时她还与其他女性同事一起应对性别歧视问题。

Chisholm的安静和坚持不懈激励着其他人,也让她载誉而归。这几年里,她获得了美国国家科学奖,并成为MIT 13个学院教授之一,伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)海洋生物学家Heidi Sosik提到,这“为未来学界发送了一个重要信息,你不需要通过大吵大闹或极为高调来达到目的”。

现在,Chisholm的微生物“伙伴”的特性在不断凸显,例如对气候的影响。而且,Chisholm和两位同事将很快为大家呈现原绿球藻在进化中起到重要作用的证据。他们表示,这种微生物不仅提供了大量氧气,还加速了海洋中早期生命的爆发以及远古地球大气层含氧量的提升。正如MIT海洋学家Mick Follows所说,Chisholm“漂亮地为人们呈现了这种微生物是如何作用及海洋世界是如何被组织起来的”。

在正确的时间和地点

Chisholm表示,作为一名女性,自己在上世纪60年代进入大学主要是为了“寻找一个丈夫”。然而,大学毕业后,她决定攻读博士学位。在纽约州立大学,她的主要研究方向是眼虫属的营养循环。这也是一种单细胞光合作用体,但主要存在于淡水中。之后,由于斯克里普斯海洋研究所有更充足的经费用于海洋微生物生态学研究,她来到这里。

1976年,MIT向Chisholm抛出橄榄枝。她接受了邀请,但也知道自己很难获得终身职位。也许答案就在一张老照片上:一个小个子年轻女子站在一群中年白人男性之中。

但MIT为Chisholm提供了拥抱大海的机会,并让她不断找寻深深吸引自己的问题答案:微生物如何影响海洋。“她认为,要想有新发现,就必须以越来越高的分辨率观察海洋。”蒙特利湾水族馆研究所海洋微生物进化学家Alexandra Worden说。

上世纪80年代,由于过于微小,大部分海洋浮游生物尚未被发现。Chisholm和自己第一位博士后Robert Olson,决定使用流式细胞分析仪过滤海水,以便进行更好的分析。如此一来,Olson注意到一种红色荧光信号。该信号十分微小,以至于最初被他们认为是电子噪音。但他们发现,随着海水深度和温度的不同,这个信号也会有变化,这暗示它可能来自某种生物。

1988年,Chisholm等人发表了这一新发现,1992年,他们将其命名为原绿球藻。他们也意识到自己并非首个看见这种微生物的人,但没有人曾意识到它代表了一种新生物体。“我们是在正确的时间和地点,使用正确的设备,解答了它们是谁。”Chisholm说。

新技术新突破

数年来,没有人能在实验室培养活的原绿球藻,因此研究它的唯一方法就是在大海中。而且,虽然斯克里普斯海洋研究所海洋学家Brian Palenik在1990年就能在试管中培育原绿球藻,但科学家又花费了10年才能维持许多实验需要的纯培养(只在单一种类存在的状态下进行的生物培养)。

即便今天也没有人能对原绿球藻进行遗传修饰,而这是研究其他生物体使用的标准方法。

尽管存在这些挑战,Chisholm很快便怀疑这种简单丰富的生物体可能在海洋生态中起着重要作用。之后,Chisholm接到了“改变自己命运”的一通电话。MIT癌症研究人员Nancy Hopkins认为学校在实验室、薪酬和支持等方面歧视女性。Hopkins写了一封信要求学校展开调查,并希望有更多支持者。

虽然Chisholm从未认为自己是女权主义者或积极分子,但仍像其他16位女性高级职员那样签了字。“我们需要改变。”Chisholm回忆道。

最终,她们的抗议取得成效。1999年,相关调查结果对外公布,MIT领导层也提出建设性应对措施。“我们有了极大改变。”Chisholm说。

在帮助提升女性科学家地位后,她对微生物又有了新关注。该研究组在不同实验室环境中培养了样本,鉴别出5种重要的原绿球藻生态型,每种都能适合不同的光和温度组合。

2003年,美国能源部联合基因组研究所开始了微生物的首次基因测序,Chisholm认为这能测序两种原绿球藻物种。“我非常渴望这些结果。”她说。借助相关数据,Chisholm团队发现,适合高光度环境的生态型呈流线型——170万个碱基只有1700个基因。“这是我们见过的最简单的自我维持生物。”Chisholm的博士后Jamie Becker说。而低光照组则有240万个碱基、2275个基因。

随着新分子技术的出现,Chisholm等人能快速学习和使用它们。她相信这将帮助自己成功。

Chisholm实验室还发现,所有的主要原绿球藻生态型都有自己的基因“岛”—— 一种能给予针对环境的特定适应性变化的基因补丁。例如,一种“岛屿”能帮助这种微生物在磷水平极低的水中生存。Chisholm的博士后Debbie Lindell在2004年发现,噬菌体可能让这些“岛屿”和其他基因在不同的生态型中移动,这或许确保了原绿球藻适应变化的环境。

越来越大

直到15年前,Chisholm的实验室仍十分小。但随着研究人员的不断加入以及他们不再花费数周在海上取样和收集数据,而是返回实验室寻找探测微生物工作机理的新方法后,实验室在不断壮大。“所有的事情都令人兴奋。”Chisholm说。

而取自世界各地的样本显示,5种生态型不能涵盖原绿球藻的多样性。基因测试结果显示,1毫升水样中甚至有数百种原绿球藻种群共生,每种有超过100个独特基因。当他们能检测单个细胞的基因后,发现每个种群包含更多的基因变体。

尽管每个细胞只有约2000个基因,但Chisholm和同事估计,原绿球藻作为一个“总基因库”有约8万个基因。“这代表这些小家伙有庞大的信息。”她说,而且这可能隐藏了它们成功存活下来的秘密。

原绿球藻生活在广泛的水域中,细胞规模庞大,总体重量相当于2.2亿辆大众甲壳虫汽车。这种丰度让原绿球藻成为海洋食物网络和气候领域的“重量级选手”。

它是海洋营养匮乏水域的主要食物源,Becker提到,“原绿球藻能产生其他微生物食用的有机物”。Chisholm还指出,由于其在碳循环中的作用,这种微生物能调节温室气体二氧化碳的水平。

甚至,这些微小生物还可能改变陆地生命。Chisholm的博士后Rogier Braakman综合了原绿球藻的进化史,抽取了在不同生态型中活跃的基因和其生存的环境信息。Braakman检验了数千万年前这种微生物的新陈代谢活动,是否通过吸收大气中的二氧化碳并释放氧气为海洋之外的生命爆发铺平了道路。Chisholm表示这提出了一系列问题,值得探讨。

现在68岁的她没有考虑退休,“因为原绿球藻太有趣了,我非常感激它出现在我的生命里。”Chisholm说。(唐一尘编译)


相关留言: