但是原绿球藻并不总是生活在开阔的水域。这种微生物的祖先可能更靠近海岸，那里的营养物质丰富，生物在海底的公共微生物垫中存活下来。那么，这些沿海居民的后代是如何最终成为今天开放海洋中光合作用的发电站的呢?

麻省理工学院的科学家认为漂流是关键。在一项新的研究中，他们提出原绿球藻的祖先获得了一种附着在几丁质上的能力——几丁质是古代外骨骼的降解颗粒。这些微生物搭上飘过的雪花，利用这些颗粒作为木筏，冒险前往更远的海域。这些甲壳素筏可能也提供了必要的营养，为微生物的旅程提供了燃料和支持。

因此，一代又一代的微生物可能有机会进化出适应开阔海洋的新能力。最终，它们会进化到可以跳船的地步，像今天这样自由漂浮的海洋生物一样生存。

“如果原绿球藻和其他光合生物没有在海洋中定居，我们将看到一个非常不同的星球，”麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)的研究科学家罗格尔·布拉克曼(Rogier Braakman)说。“事实上，它们能够附着在这些甲壳素筏上，使它们能够在地球生物圈的一个全新的、巨大的部分中建立立足点，从而永远改变了地球。”

Braakman和他的合作者提出了他们新的“几丁质筏”假说，以及支持这一观点的实验和基因分析PNAS。

麻省理工学院的合著者是Giovanna Capovilla、Greg Fournier、Julia Schwartzman、Xinda Lu、Alexis Yelton、Elaina Thomas、Jack Payette、Kurt Castro、Otto Cordero和麻省理工学院教授Sallie (Penny) Chisholm，以及来自包括伍兹霍尔海洋研究所在内的多个机构的同事。

一个奇怪的基因

原绿球藻是两个主要类群之一，属于被称为picocyanobacteria的一类，这是地球上最小的光合作用生物。另一组是聚球菌，一种密切相关的微生物，可以在海洋和淡水系统中大量发现。这两种生物都通过光合作用生存。

但事实证明，一些原绿球藻菌株可以采用另一种生活方式，特别是在光线不足、光合作用难以维持的地区。这些微生物是“混合营养的”，使用其他碳捕获策略的混合来生长。

奇泽姆实验室的研究人员在寻找混合营养的迹象时，偶然发现了几个原绿球藻现代菌株中的一个共同基因。这种基因编码了分解几丁质的能力，几丁质是一种富含碳的物质，来自节肢动物，如昆虫和甲壳类动物的脱落壳。

“这很奇怪，”卡波维拉说，当她作为博士后加入实验室时，她决定更深入地研究这一发现。

在这项新研究中，卡波维拉进行了实验，看看原绿球藻是否真的能有效地分解几丁质。先前在实验室的工作表明，几丁质降解基因出现在生活在弱光条件下的原绿球藻菌株和聚球藻菌株中。这种基因在生活在更多阳光照射地区的原绿球藻中缺失。

在实验室里，卡波维拉将几丁质颗粒引入弱光和强光菌株的样品中。她发现含有这种基因的微生物可以降解几丁质，而在这些微生物中，只有适应弱光的原绿球藻似乎从这种分解中受益，因为它们似乎也因此生长得更快。这些微生物也可能附着在几丁质薄片上——这一结果令研究代谢过程进化及其塑造地球生态方式的Braakman特别感兴趣。

“人们总是问我:这些微生物是如何在早期的海洋中定居的?”他说。“当吉奥做这些实验时，有一个‘啊哈’的时刻。”

布拉克曼想知道:这种基因是否存在于原绿球藻的祖先身上，从而使沿海微生物能够附着并以几丁质为食，并乘着几丁质薄片出海?

一切都取决于时机

为了验证这个新的“几丁质筏”假说，研究小组求助于富尼耶，他专门研究历史上不同微生物物种的基因。2019年，富尼耶的实验室为那些表现出几丁质降解基因的微生物建立了一棵进化树。从这棵树中，他们注意到一个趋势:只有在节肢动物在特定的生态系统中变得丰富之后，微生物才开始使用几丁质。

如果几丁质筏假说成立，那么这种基因必须在节肢动物开始在海洋环境中定居后不久就出现在原绿球藻的祖先身上。

研究小组研究了化石记录，发现节肢动物的水生物种在大约5亿年前的古生代早期变得丰富。根据Fournier的进化树，这也恰好是几丁质降解基因出现在原绿球藻和聚球藻的共同祖先身上的时间。

福尼耶说:“时机非常成熟。“海洋系统正充斥着这种以几丁质形式存在的新型有机碳，就像使用这种碳的基因在所有不同类型的微生物中传播一样。这些几丁质颗粒的运动突然为微生物真正进入开阔的海洋提供了机会。”

几丁质的出现可能对生活在低光条件下的微生物特别有益，比如沿海海底，人们认为古代的花青菌就生活在那里。对于这些微生物来说，几丁质是一种急需的能量来源，也是它们走出公共的沿海生态位的一种方式。

布拉克曼说，一旦出海，漂流的微生物就变得足够强壮，能够发展出其他的海洋生物适应能力。数百万年后，这些生物准备好“冒险一试”，进化成今天存在的自由漂浮、进行光合作用的原绿球藻。

“最终，这是关于生态系统的共同进化，”布拉克曼说。“有了这些几丁质筏，节肢动物和蓝藻都能够扩展到开阔的海洋中。最终，这为现代海洋生态系统的兴起埋下了种子。”

这项研究得到了西蒙斯基金会、EMBO长期奖学金和人类前沿科学计划的支持。这篇论文是西蒙斯海洋过程与生态合作组织(SCOPE)的贡献。