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深海传感器显示珊瑚产生活性氧
来源:伍兹霍尔海洋研究所 发表于 2023/12/5

alvin 操纵器将 solaris 移动到 paragorgia arborea 群落的表面。图片来源:伍兹霍尔海洋研究所


就像我们一样,珊瑚吸入氧气并吃有机碳。就像我们一样,作为在体内转换能量和氧气的副产品,珊瑚会产生活性氧(ros),这是细胞在细胞分裂过程中自然产生的化合物家族,同时抵抗病原体,并执行其他生理功能。


但直到现在,还不知道健康的深海珊瑚是否会产生一种特殊类型的ros,称为超氧化物(o2•-).超氧化物是一种高反应性 ros,以影响海洋生态学、生物体生理学和驱动海洋中的化学反应而闻名,包括碳的分解以及金属和营养物质的生物利用度。


发表在pnas nexus上的一项研究揭示了深海珊瑚和海绵确实会产生ros超氧化物,这意味着这些化学物质对深海中的海洋生物和化学产生了一系列以前未知的影响。作者证明,ros不仅是一种应激反应,而且是其功能的基本组成部分。


在这项研究中,作者通过将一种名为solaris的深海化学发光传感器带入alvin潜水器上2000多米深的海洋中,直接测量了珊瑚周围水中的超氧化物。


“这是这种化学物质在深海中的测量,”伍兹霍尔海洋研究所(whoi)海洋化学和地球化学科学家、该研究的作者colleen hansel说。


探测海洋中的超氧化物是一项独特的具有挑战性的任务,需要从化学到物理学再到工程学的协作专业知识。作为一种高反应性化合物,超氧化物在水中只能持续几秒钟。whoi工程师jason kapit是该论文的合著者,william pardis以及hansel和副科学家scott wankel开发了solaris系统,作为一种机器人控制的仪器,能够在珊瑚表面吸入水。


水进入检测棒并在腔室内混合,在那里与超氧化物发生化学反应会产生可以实时测量的光。在这次探险中,魔杖的运动由阿尔文的机械臂控制,卡皮特和汉塞尔是三人小组的一部分,潜入阿尔文体内。


“这个项目的一个奇妙方面是,它以whoi特殊方式将科学和工程结合在一起,”kapit说。


2019 年 10 月,solaris 在加利福尼亚州海岸附近的蒙特利湾国家海洋保护区进行了潜水,在那里他们发现了生活在受保护的海洋环境中的大型健康珊瑚。这有助于消除超氧化物仅作为应激反应产生的可能性。


根据hansel的说法,他们测量的珊瑚正在用一种叫做nox的酶产生超氧化物,这种酶在细胞外将氧气转化为超氧化物,这意味着它可能是它们正常生命功能的基本组成部分 - 无论是生长,还是可能产生它来击晕猎物。他们研究中的深海珊瑚没有像浅珊瑚那样的藻类共生体 - 已知这些共生体会产生细胞外ros,并且长期以来一直被认为是起源于共生藻类。


这些发现排除了藻类作为超氧化物的来源,而是表明珊瑚动物本身或其细菌共生体是来源。如果没有进一步的研究,作者不能完全排除细菌可能在ros的产生中发挥作用,但作者认为这不太可能,因为这里研究的珊瑚中存在nox。


whoi 科学家 colleen hansel 在 hov alvin 内部。图片来源:伍兹霍尔海洋研究所)


“特别是在过去十年中,有许多研究开始确定细胞外ros的产生,如超氧化物,如何对生物体产生有益的方面,”海洋化学与地球化学联合项目学生lina taenzer说,该研究的主要作者,她于2019年加入whoi的hansel实验室。她还潜入alvin,用solaris测量超氧化物。


“令人着迷的是,珊瑚可以调节ros,以便向其他细胞发出信号,并改变它们的功能和对环境的反应,”taenzer说。“就细胞防御机制而言,这也很有趣。例如,如果生物体受到病原体的入侵,它们可能会产生强烈的氧化爆发。这是一种保护自己的化学战。另一方面,超氧化物的过量产生会对动物产生不利影响,并会降解体内蛋白质并分解dna。


物种多样性也很重要。在阿尔文潜水期间,taenzer偶然测量了各种物种,包括海绵和海星。


“有一个探索的方面,我们使用了一种以前从未使用过的新仪器,这让它非常令人兴奋和欣慰,”taenzer说。


虽然我们对深海珊瑚的功能和对环境的反应还有很多不了解,但这项研究有助于阐明珊瑚健康和活动的基本控制。科学家了解和分享的越多,他们就越能准确地预测珊瑚生态系统将如何应对海洋变暖和气候变化。


“如果我们不了解珊瑚目前在基线条件下的功能,就很难模拟珊瑚将如何应对不断变化的海洋条件,”汉塞尔说。“我们需要了解健康的珊瑚是什么样子的,生病的珊瑚是什么样子的,以及控制这些生物的健康和生理机能的一些因素是什么。


长期目标是使用solaris测量世界其他地区的珊瑚、深海海绵和其他产生ros的生物,以便更了解海洋生物如何影响海洋化学。


“在深海中发现这些高活性化合物也可能影响碳循环、金属循环和微生物生态学,仅举几例。在这一点上,这是一个完全未知的,但在更广泛的范围内思考是令人兴奋的,“汉塞尔说。

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