海洋硅藻存在与动物类似尿素循环

2011-5-17 09:03 来源: 中国科学院
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  据美国物理学组织网近日报道,科学家发现,海洋中极为丰富的单细胞生物硅藻存在与动物相类似的尿素循环,这种循环使硅藻能有效地利用碳和氮。该论文发表在近期出版的《自然》杂志上。

  硅藻类是十分微小的生物,为真核藻类,多数为单细胞生物,具有由硅构成的独特细胞壁。硅藻类是了解海洋生态环境系统是否健康的关键生物,并负责制造海洋中的碳和氧,大气中约五分之一氧气由其光合作用产生。海洋硅藻还是水生动物的食料,它们处在食物链底层,是海洋中的主要初级生产力。海洋环境如果受到富营养污染,常使某些硅藻如骨条藻、菱形藻、盒形藻、角毛藻、根管藻、海链藻等生殖过盛,形成赤潮,使水质恶劣,对渔业及其他水产动物带来严重危害。

  美国克雷格·文特尔研究所的安德鲁·艾伦及法国巴黎高等师范学校生物系克里斯·鲍勒领导的研究小组认为,这种尿素循环可能是导致上升流出现后,硅藻主导海洋环境的主要原因。所谓上升流是一种海洋学现象,指富含营养的海水流向海表面。在上升流出现时,硅藻能够迅速从长期缺乏营养的状态下得到恢复,并能迅速增殖。

  在此前的研究中,艾伦、鲍勒及其同事对羽纹纲硅藻、三角褐指藻进行了基因组测序,确定硅藻的基因起源新方法。同时,他们还研究了硅藻的代谢,结果发现硅藻以铁代谢为始。

  在这项工作的基础上,艾伦及其同事研究了硅藻的进化史,并重点探讨了三角褐指藻营养代谢机制,发现硅藻有功能性尿素循环。这一发现十分惊人,因为人们一直认为,尿素循环起源于多细胞生物,对促进脊椎动物的生理进化和发育具有十分重要的作用。比如,尿素合成可控制鱼类如鲨鱼、鳐及硬骨鱼类体内的盐分及矿物质,同时对两栖类和哺乳动物的氨解毒十分关键。哺乳动物体内氨基酸脱氨以及肠道内细菌分解含氮物质时会产生氨,这是一种有毒的代谢产物,氨的解毒主要是在肝内合成尿素,随尿排出体外。动物的尿素循环是细胞碳和氮废物排出的关键,是碳循环和氮循环机制进化的选择。而氨解毒是陆上生活的先决条件,是高蛋白饮食必要的生化途径。

  现在艾伦及其同事的研究证明,尿素循环在多细胞出现数十亿年前已经存在。该小组利用RNA干扰技术沉默了硅藻关键的尿素循环酶。马克斯普朗克研究所的阿利斯代尔·弗尼则负责评估硅藻的样本和对照组的尿素循环代谢。艾伦分析数据后,发现尿素循环代谢产物是硅藻细胞碳循环和氮循环的关键,其代谢产物,对促进硅藻从营养缺乏状态中复苏并进行指数性增长十分重要和关键。

  这项工作还表明,由于具有与动物类似的尿素循环等生化代谢途径,硅藻与动物的关系可能比植物更密切。