太陽能浮游生物聽取 Monty Python 的建議:快跑

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赤潮異彎藻 (Heterosigma akashiwo) —— 一種原生生物,可以進行光合作用,也可以吃其他東西。請注意細胞內壁周圍突出的葉綠體。知識共享 Mikenish。點選圖片檢視連結和許可證。

至少瞪羚會跑。但如果你是一棵樹、一根草,或是一棵不幸的球莖甘藍,當你的捕食者(又名“食草動物”)的切割器、夾子或剪刀靠近時,你什麼也做不了。這就是大多數光合生物的命運,我們這些陸地居民傾向於認為它們是植物。但並非所有都如此。

在水生微生物世界中,有些光合生物顯然還有另一種選擇,當它們的食草動物靠近時:逃跑。


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羅德島大學海洋學研究生院的科學家們發現——並在最近一期的《公共科學圖書館·綜合》中報道——至少有一種海洋浮游植物可以逃離其捕食者,到低鹽避難所。在那裡,它們的生物學特性使它們能夠在捕食者無法生存的地方生長,並可能為該物種——赤潮異彎藻——在世界各地河口形成有害藻華的趨勢提供瞭解釋。

被吃掉是海洋中浮游植物最大的“死亡因素”(在海洋的叢林中,很難想象有很多浮游植物會老死)。超過 50% 的每日初級生產力(生物學家對新浮游植物的說法)被吃掉。因此,任何影響被吃掉多少的因素都可能對一天結束時有多少浮游植物在遊動產生重大影響。

一些浮游植物試圖透過改變形狀或主動分泌生物學家委婉地稱為“化學 deterrents”的物質來避免這種命運。但是,如果它們可以選擇另一種經過驗證的有效方法:逃跑呢?據羅德島的科學家們所知,以前沒有人問過浮游植物這個問題。

因此,他們向赤潮異彎藻提出了這個問題。這種小小的原生生物——屬於一個由其兩個不等的鞭毛定義的類群,稱為不等鞭毛類——顯然有潛力在其防禦中發揮積極作用。在這張圖中,你可以看到中央細胞核——透過一個基於微管的裝置連線到它的兩個鞭毛。帶剛毛的絨毛鞭毛拉動細胞穿過水,而指向尾部的鞭狀鞭毛則推動。細胞核周圍是線粒體 (M) 和葉綠體 (Gp)。

這就是為什麼它們稱之為不等鞭毛類:兩個形狀不同的鞭毛。帶剛毛的絨毛鞭毛拉動原生生物穿過水,而鞭狀鞭毛可以從後面推動。Hara 和 Chihara 1987;公共領域。點選圖片檢視連結。

赤潮異彎藻生長在世界各半球溫帶地區的近海水域中。它透過吞食細菌或在光照充足時啟動葉綠體太陽能收集系統來保持其營養選擇的多樣性。

赤潮異彎藻還有一個不幸的趨勢,就是形成赤潮。“Akashiwo”實際上是日語中表示這種現象的術語。科學家們仍然不確切地知道原因,但赤潮異彎藻的某些化學或物理屬性使其藻華對魚類和其他海洋生物有毒。當然,它也具有某種特性,使得大規模藻華首先成為可能。

為了測試異彎藻逃避捕食者的能力,科學家 Elizabeth Harvey 和 Susanne Menden-Deuer 將這種生物與一種名為Favella的微生物進行了對抗。Favella 是一種纖毛蟲,這是一類因其大量微小的跳動毛髮而得名的生物。特別是,它屬於一個名為“領鞭蟲”的類群。

異彎藻的捕食者之一:一種稱為領鞭蟲的纖毛蟲。這個物種,Dictyostera mitra,有一個網狀的、燒瓶狀的殼,纖毛蟲就位於其中。人們可以想象,除了提供保護外,這個優雅的杯子也是一個時髦的裝飾品,儘管在矽藻和有孔蟲擁擠的海洋中,爭奪“最酷炫外殼”的頭銜肯定競爭激烈。知識共享 Johnsterdolan,來自英語維基百科。點選圖片檢視許可證和連結。

正如你在這張另一種領鞭蟲物種的圖片中看到的那樣,這些生物的纖毛在其蛋白質外殼(也稱為 loricae(單數:lorica))的杯狀部分上方形成冠狀。這些外殼很容易形成化石,因此我們知道這個譜系非常古老,可以追溯到大約 4.5 億年前的奧陶紀。纖毛將藻類和細菌吸引到它們的厄運,同時還充當尋找浮游植物的推進系統。

Harvey 和 Menden-Deuer 將這兩種生物放在同一個水箱中。他們發現,暴露於Favella赤潮異彎藻比單獨放在海水中的遊得快得多。它們也比赤潮異彎藻對照組更快地向上游到實驗水箱表面的低鹽度“避難所”——一個旨在模擬河流河口條件的表面層,在河口,一層薄薄的河流淡水漂浮在海水之上。Favella無法在低鹽度水中生存。一旦異彎藻到達那裡,它們就會減速,導致它們在避難所中積聚。

新增不以赤潮異彎藻為食的捕食者和從含有以其為食的捕食者的水箱中過濾的水,導致了相同的逃跑反應,儘管較弱。

當科學家們去除低鹽度表層但保留捕食者時,異彎藻遊得更快了,但這次是向下遊,因為沒有低鹽度表層,捕食者聚集在頂部。這表明異彎藻不僅僅是對捕食者做出通用的向上遊動反應,它們是逃離捕食者。

作為一種策略,逃跑可能比其他捕食者威懾方法(如殺死或擊暈)具有一些優勢。逃跑不僅 1) 減少了你與捕食者相遇的機會,而且 2) 使你的捕食者可以自由地吃掉你不能逃跑的競爭對手之一,從而增加你的營養可用性。因此,逃跑能力可能是這些藻類擅長形成藻華的原因之一。

事實上,當科學家們將捕食者和獵物的耐鹽性納入模擬淡水錶面避難所的計算機模型時,只有加入赤潮異彎藻的逃跑行為,他們才能在兩天內產生藻華;如果沒有它,則需要六天。

科學家們總結說,逃跑效果非常好,這種防禦似乎沒有什麼成本。由於赤潮異彎藻對低鹽度水的耐受性很高,而其捕食者則不然,因此在低鹽度水中活動為該生物提供了巨大的競爭優勢。這些條件在不列顛哥倫比亞省的弗雷澤河河口等地區占主導地位,赤潮異彎藻以前曾在那裡發生過藻華。科學家們寫道,現場資料似乎表明,赤潮異彎藻藻華確實以“表面油膜”的形式出現,那裡同時存在低鹽度和強烈的陽光這兩個好處。

長期以來,富營養化一直被認為是導致有害藻華的驅動力。儘管這無疑在許多甚至大多數情況下都是如此,但這項研究表明,有可能以不涉及人為干預的方式產生藻華。儘管本文僅研究了一種物種,但其他浮游植物物種也可能利用類似的耐受性差異、其他物理或化學海洋屏障以及純粹的逃跑能力來發揮其優勢。還有多少這種微生物植物類似物可以逃跑?除非我們繼續尋找,否則我們不會知道。

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