磷与甲藻（One Glance）

Sun, 05 Apr 2020 00:00:00 +0000

初识

强壮前沟藻。这个名字我念了无数遍，从最初的拗口到后来的脱口而出，像是在念一个老朋友的姓名。

它是一种有害赤潮甲藻，隶属于甲藻门，甲藻纲，腰鞭毛目，裸甲藻科，前沟藻属。分布在世界各热带和温带海域。在国内，主要在南海和海南三亚能看到它的身影¹。我不知道有没有人去统计过，这种小小的藻类每年造成了多少经济损失，又让多少沿海居民夜不能寐。我只知道，当我在显微镜下第一次看到它的时候，它的鞭毛在载玻片上划出优雅的弧线，那一刻我完全忘了它"赤潮生物"的恶名。

最初接触这个课题，是因为她。她的毕业论文就是这个方向——强壮前沟藻对膦酸酯的利用。她的导师给我们上过专业课，早就已经是熟面孔了；后来她选择做这个方向，其实也是顺延老师博士论文的研究。

那段时间的我自己有些茫然。程老师已经离开学校，剩下的事情只能远程沟通，偶尔发发邮件。看着她每天往实验室跑，和老师讨论进度，我有点被那种状态感染——至少她知道自己在做什么。

她做实验的时候，我有时也去实验楼蹭校园网。老师也是我舍友的导师，一点儿不把我当外人，偶尔会跟她开玩笑说：“让你男朋友多练习，以后可以帮忙。”

有一次陪她去办公室汇报进度。别看老师话不多，但问的问题很细：培养温度多少、光照强度多少、计数用的是哪种方法。她答得有些紧张，我在旁边坐着，插不上话，只能假装在看墙上贴的培养箱操作规程。

汇报结束后，老师送我们出来，路过走廊尽头的一排锥形瓶培养架，他指给我看：“这是另外几个课题组做的，有做东海原甲藻的，有做雨生红球藻的——你们海洋藻类这块，其实做得挺多的。“那时候我还不懂这个圈子，只觉得老师为人客气。后来才明白，这种"带你看看"的习惯，是对科研新手难得的温柔。

磷的宇宙

磷是DNA的骨架，是ATP的能量来源，是细胞膜磷脂双分子层的组成部分²。磷不仅影响着海洋浮游植物的细胞大小、营养状况、光合作用效率，更对群落的种类组成和数量有深远影响²。缺磷的浮游植物，像是被抽走了脊梁的人，生命变得脆弱而迟缓。

传统的海洋生态学认为，氮是主要的限制性营养元素。但越来越多的研究表明，在全球海域中，磷限制正在成为比氮限制更普遍的问题³⁴。在长远的地质时期，磷被认为是海洋生态系统中重要的终级限制性营养元素³⁴。

海洋中的溶解态磷主要包括溶解无机磷和溶解有机磷两种。无机磷可以直接被浮游植物利用，在光线充足且生产力高的真光层中会被快速消耗殆尽。而溶解有机磷则主要以两种形式存在：磷酸酯和膦酸酯。海水中约75%的高分子量溶解有机磷是磷酸酯，以C-O-P键为特征，主要存在于核酸以及膜磷脂等大分子中⁵。膦酸酯占海水中高分子量溶解有机磷的25%，以稳定而难以断裂的C-P键为特征，经常存在于含磷蛋白以及膜膦脂中⁵。

浮游植物可以利用磷酸酯，主要通过碱性磷酸酶的水解作用将C-O-P键断裂，释放出可供细胞利用的无机磷⁶。但膦酸酯的C-P键极为稳定，难以被一般的磷酸酶水解。细菌可以表达C-P裂解酶来利用膦酸酯，这在原核藻类如蓝藻中已有报道⁷。但真核浮游植物能否直接利用膦酸酯？这个问题在文献中少有定论，零星的报道也存在争议。

养藻

她用的实验材料是2-AEP，即2-氨基乙基膦酸，是一种典型的天然膦酸酯化合物。实验设置了三组条件：不加磷、不加磷但加2-AEP、加磷作为对照。

我帮她分担了一部分计数和测量的工作——说是帮忙，其实更像是在学习。她教我怎么用浮游生物计数板，怎么判断藻细胞的状态，什么时候该稀释、什么时候该补充营养液。听起来简单，做起来才知道，实验的每一个环节都藏着陷阱。藻种要活化、培养基要灭菌、抗生素要适量——除菌处理对藻的生长影响不大，但细菌污染会让整个实验报废⁸。

每隔两天取样一次。取1000微升藻液，视生长情况稀释后，加入Logul’s试剂，在显微镜下用浮游生物计数板人工计数。同时测量培养体系中无机磷的浓度——磷钼蓝法，取藻液过滤后加入试剂，静置片刻，通过分光光度计读数。数据点一个个累积，曲线在坐标纸上渐渐成形。

那段时间我们聊了很多。关于毕业以后要做什么，要不要继续考研，她说，“再做下去头发要掉光了”。我说我也不确定……两个人站在培养箱前面，一边看着那些锥形瓶，一边说着不着边际的话。那大概是那段日子里最轻松的时刻。

一眼看到头

实验结果出来那天，她沉默了很久。

到第八天的时候，三个条件下的磷酸盐浓度都趋近于零。加磷组的细胞密度开始下降，而不加磷和加2-AEP组的细胞密度始终没有明显增长。反复确认了计数结果，确认了仪器校准，确认了没有在某个环节犯蠢。

事实就是这样：强壮前沟藻不能利用2-AEP作为唯一的磷源。

那天从实验室出来，我们去后街买了烤冷面。两个人站在路灯下吃着，一时不知道该说什么。她的表情与其说是失落，不如说是某种释然——“至少结果很清晰，“她说，“阴性结果也是结果。”

我点点头，没有告诉她我心里其实松了一口气：她的论文可以写完了。

后来她跟我说，她其实早就猜到会是这样。“所以才不想继续考研、做实验，“她说，“一眼看到头。”

基因的故事

研究还要继续。老师建议她做一下基因分析，看看转录组里有没有与膦酸酯代谢相关的基因。我帮她跑了BLAST分析，结果出来的时候有点意外：强壮前沟藻转录组中确实存在phnW和ppd的同源序列。phnW编码2-氨基乙基膦酸-丙酮酸转氨酶，与C-P键有机磷的降解有关；ppd与磷酮酸脱羧酶同源，可能参与膦酸酯的合成代谢。

这意味着什么？意味着这种藻类的祖先或许曾经拥有过利用膦酸酯的能力，又在演化过程中失去了。而更可能的原因是——它缺少一种将胞外2-AEP转运到细胞内部的酶。外界的有机磷进不来，细胞内的酶只能干看着。

这个发现与同期其他研究者的发现一致。有研究表明，甲藻剧毒卡尔藻同样无法直接利用外部膦酸酯，但培养体系中存在的细菌能有效降解C-P键有机磷以释放出磷酸盐供藻细胞利用⁹。

老师看完结果，跟她说：“这个结论可以写。“语气平淡，但看得出他还是比较满意的。

尾声

后来，只有老师和我还保持着联系，互通鱼雁……

偶尔会想起那段日子。想起那些锥形瓶，培养箱，显微镜下游动的鞭毛。想起她站在培养箱前面说"一眼看到头"时的表情。

关于磷限制与海洋生态的关系，还有太多未知。膦酸酯在磷匮乏海域的生物地球化学循环是否与细菌群落结构有关？是否存在真核浮游植物能够直接利用自然合成的膦酸酯？膦酸酯转运蛋白在原核和真核之间的分布有什么规律？

这些问题没有在这次研究中得到回答。

膦酸酯要变成可吸收的磷，需要细菌来“翻译”。

强壮前沟藻依然在后街某个实验室的锥形瓶里摇曳它的鞭毛。它不知道我对它的期待，也不知道我的困惑。它只是按照自己的方式活着，消耗磷，响应光，在无人知晓的微观世界里完成它的生命循环。

而我们，大概也是这样。

林永水, 周近明, 何建宗. 赤潮生物[M]. 北京: 科学出版社, 2001. ↩︎
Paytan A, McLaughlin K. The oceanic phosphorus cycle[J]. Chemical Reviews, 2007, 107(2): 563-576. ↩︎ ↩︎
Toggweiler J R. An ultimate limiting nutrient[J]. Nature, 1999, 400(6744): 511-512. ↩︎ ↩︎
Tyrrell T. The relative influences of nitrogen and phosphorus on oceanic primary production[J]. Nature, 1999, 400(6744): 525-531. ↩︎ ↩︎

Dinoflagellate on TouchingFish.top

磷与甲藻（One Glance）

初识

磷的宇宙

养藻

一眼看到头

基因的故事

尾声