林子里的参天大树，对比你家鱼缸里浮游植物，谁的光合作用能力强？从效率上讲，浮游植物无敌。

提到光合作用，首先想到的可能是翠绿的陆地植被。然而，充满河流、海洋的云层般的浮游植物是自然界这一过程的主要驱动力。

一个微生物进化中的偶然事件，结果永久改变地球大气的故事。

浮游植物

浮游植物（Phytoplankton希腊语、植物漂流者）——植物状（奇形怪状）的单细胞水生微生物，或者说，是进行光合作用的微观原生生物和细菌。

它们栖息在地球上海洋和淡水有阳光照射的上层，非常多样化，从植物状藻类到装甲球石藻，最重要的类群包括硅藻、蓝藻和甲藻。绝大部分物种都小到用肉眼无法看见其个体。

浮游植物用它们小小的身躯吸收了全球近一半的二氧化碳，将其转化为葡萄糖、脂肪、蛋白质和其他有机分子，从而滋养了海洋的食物网。

虽然浮游植物仅占全球植物生物量的1%左右，但其光合作用活动产生的氧气产量在全球大气中超过50%。

就光合作用而言，这是种无与伦比的效率。

浮游植物是怎么做到的，长期以来一直困扰着科学家。

超级效率

某些浮游植物——比如硅藻、甲藻（可以形成蓝色荧光海）、颗石藻（coccolithophores）——因其卓越的光合作用能力脱颖而出。

这些细胞非常擅长从环境中吸收二氧化碳并将其引导至叶绿体进行光合作用，但它们为何如此擅长？细节一直不清楚。

然而，这三类浮游植物的一个独特特征是它们的叶绿体周围有一层额外的膜。

最近发表在《当代生物学》上的一项研究最终确定了这层膜的意义：额外的内膜，携带一种酶——「质子泵」酶，可增强将二氧化碳转化为其他物质的能力。

关于质子泵，猫子多说两句。

你可以将质子泵理解为，为了某项任务打造的高度专门的「势能」通道，可在生物膜上建立质子梯度，从消化到调节血液酸度，再到帮助神经元发送信号。

在进化过程中，质子泵曾多次独立出现。因此，不仅在自然界中，而且在单个细胞内，都可以发现进化上无关的不同质子泵。举个例子的话，比如，咱哺乳动物中，胃里有一种酶充当质子泵，可以产生高度腐蚀性的酸性条件，帮助我们消化、溶解。

在浮游植物这儿，这种酶（蛋白质修饰）带来的增强，非常有助于产生氧气，并“固定”（锁定在有机化合物中）碳。

进化的意外，从捕食到共生

令人惊讶的是，这种光合作用的创新，无与伦比的效率，似乎是从浮游植物祖先最初用于消化的膜蛋白偶然进化而来的。

这话怎么说？

浮游植物叶绿体周围的那层独特的、额外的附加膜，是一种古老的、失败的消化行为的残余物。

科学家推测，大约2亿年前，一种掠食性原生动物试图以单细胞光合藻类为食。它将有弹性的藻类包裹在一种称为食物液泡的膜结构中来消化它。

吃着吃着，在某一时刻，藻类和这种掠食者“达成了共识”——藻类不再被消化、存活下来并成为原生动物的共生伙伴，为其提供光合作用产生的营养（葡萄糖、脂肪、蛋白质）。

这种伙伴关系一代又一代地加深，直到它俩完全融合成一种全新的“二位一体”生物，最终进化成我们今天所知的硅藻。

最初，捕食用的液泡——额外膜层，就像是为了纪念2亿年的战争与和平，从未消失。

质子泵

通过分子生物学技术，研究人员发现，浮游植物叶绿体周围的额外膜含有一个活跃的、功能性的质子泵——称为VHA，通常在食物液泡中发挥消化作用。

这波科学家很好奇质子泵如何影响叶绿体的光合作用活动。

为了找到答案，他们使用了一种抑制性药物——停止了质子泵的运行，浮游植物“喘气困难”——虽然能继续将碳吸收到碳酸盐中并产生氧气，但碳固定和氧气产生的效率显著降低了。

抑制好理解，增强呢？

泵通过将碳集中在叶绿体附近来增强光合作用。泵将质子从细胞质转移到外膜和叶绿体之间的隔室。在隔室里，一顿操作（你要特好奇就留言，因为展开写有点麻烦），最终，二氧化碳和叶绿体之间形成极高的效率。

写在最后

猫子不打算在这继续往下刨了。

就像哲学、科学上的革命前辈都有类似的感悟：所学的知识像一个圆，学得越多，未知就越多，问题也越多。

咱普通人里，这年头依然爱读文字科普，能怀揣着问题看世界，并不断用知识去扩展自己的边界的已经是凤毛麟角了。

作者感谢你的关注(-_-)

#科普#