硅藻和植物一樣，通過光合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機物質(zhì)。它們含有葉綠素等光合色素，利用光能把二氧化碳和水合成糖類等有機物，并釋放出氧氣。在這個過程中，大量的二氧化碳從大氣中被吸收進入硅藻體內(nèi)，成為全球碳固定的重要環(huán)節(jié)。據(jù)研究，海洋中的硅藻每年通過光合作用固定的碳量可達數(shù)十億噸之多。當(dāng)硅藻死亡后，它們的有機物質(zhì)會向海洋深處沉降。這個過程被稱為生物泵。一部分有機碳在沉降過程中被分解重新釋放二氧化碳回到水體中，但仍有相當(dāng)一部分有機碳能夠到達深海并被長期儲存起來。這種生物泵作用將表層海水中吸收的二氧化碳有效地轉(zhuǎn)移到深海，從而減少了大氣中二氧化碳的含量。而且，硅藻的硅質(zhì)細胞壁在沉降過程中相對較重，能夠加速其下沉速度，進一步增強了生物泵的效率。

硅藻的碳固定是一種自然的生物過程，不需要額外的能源輸入，與一些人工碳捕獲技術(shù)相比，成本更低且效率較高。它們在全球的水域中廣泛存在，可以大規(guī)模地對碳排放進行處理。

除了處理碳排放，硅藻還是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。它們?yōu)楸姸嗟母∮蝿游锾峁┦澄飦碓?，維持了食物鏈的穩(wěn)定。同時，硅藻的大量繁殖可以影響水體的光學(xué)性質(zhì)、溫度等物理性質(zhì)，對局部氣候和生態(tài)環(huán)境有著深遠的調(diào)節(jié)作用。減少對海洋、湖泊等水域的污染，保護硅藻的生存環(huán)境是至關(guān)重要的。嚴(yán)格控制工業(yè)廢水、生活污水的排放，避免過度捕撈和破壞水生生態(tài)系統(tǒng)，可以保障硅藻的正常生長和繁殖，使其持續(xù)發(fā)揮碳固定的功能。

深入研究硅藻的生長特性和碳固定機制，通過實驗室模擬和實地觀測相結(jié)合的方式，找到促進硅藻生長的最佳條件。例如，可以探索不同的營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)、光照強度和水溫等因素對硅藻光合作用和生物泵作用的影響，從而有可能通過適當(dāng)?shù)娜藶楦深A(yù)來增強其碳處理能力。

硅藻作為一種天然的碳排放處理 “工具”，有著巨大的潛力。保護和利用好硅藻資源，深入研究其在碳循環(huán)中的作用機制并加以合理引導(dǎo)，將為全球應(yīng)對氣候變化和減少碳排放提供一個極具前景的方向。雖然目前還有很多研究和實踐工作需要開展，但硅藻已經(jīng)為我們打開了一扇通往更可持續(xù)的碳排放處理之路的大門。

隱秘小環(huán)藻屬于硅藻門、中心綱、圓篩藻目、圓篩藻科、小環(huán)藻屬。作為硅藻家族的重要成員，它在海洋生態(tài)系統(tǒng)中扮演著獨特的角色。

從形態(tài)特征上看，隱秘小環(huán)藻通常呈圓盤狀，細胞個體微小但結(jié)構(gòu)精巧。其細胞壁富含硅質(zhì)，這種硅質(zhì)化的細胞壁賦予了它獨特的形態(tài)和一定的機械強度。細胞壁上具有精美的花紋，這些花紋不僅是分類學(xué)上的重要依據(jù)，也在一定程度上影響著其生理功能。在光學(xué)顯微鏡下觀察，可以清晰地看到其對稱而規(guī)則的形態(tài)，宛如一件件精美的微觀藝術(shù)品。

隱秘小環(huán)藻廣泛分布于全球海洋環(huán)境中，無論是近海海域還是大洋區(qū)域，都有它們的蹤跡。它們對環(huán)境有一定的適應(yīng)性，在不同的溫度、鹽度和光照條件下都能生存。在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，隱秘小環(huán)藻是初級生產(chǎn)者的重要組成部分，通過光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并利用海水中的營養(yǎng)物質(zhì)合成有機物質(zhì)，為整個海洋食物鏈提供了基礎(chǔ)的能量和物質(zhì)來源。

而近期，相關(guān)的研究中發(fā)現(xiàn)了隱秘小環(huán)藻更為驚人的一面 —— 在脂質(zhì)生物合成方面有著巨大潛力。當(dāng)處于特定的實驗環(huán)境下，這種硅藻能夠高效地啟動脂質(zhì)合成過程。與其他已知的生物合成體系相比，隱秘小環(huán)藻在脂質(zhì)合成效率上表現(xiàn)突出。它可以在相對短的時間內(nèi)，將大量的底物轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)，其脂質(zhì)積累的速度之快，為大規(guī)模生產(chǎn)提供了可能性。

從應(yīng)用前景來看，這種脂質(zhì)生物合成潛力具有深遠意義。在能源領(lǐng)域，隨著全球?qū)稍偕茉吹男枨笈c日俱增，生物燃料成為了重要的發(fā)展方向。隱秘小環(huán)藻所合成的脂質(zhì)可以成為生產(chǎn)高質(zhì)量生物柴油的優(yōu)質(zhì)原料。通過先進的轉(zhuǎn)化技術(shù)，這些脂質(zhì)能夠被加工成清潔、可再生的能源，有效緩解傳統(tǒng)化石燃料帶來的能源壓力和環(huán)境問題。

不僅如此，在食品、化妝品等行業(yè)，從隱秘小環(huán)藻中提取的脂質(zhì)也有著廣闊的應(yīng)用前景。在食品工業(yè)中，其脂質(zhì)可以作為健康的油脂來源，富含不飽和脂肪酸等營養(yǎng)成分；在化妝品領(lǐng)域，這些脂質(zhì)可以用于制造高品質(zhì)的護膚品，為肌膚提供滋潤和保濕效果，滿足消費者對于天然、綠色產(chǎn)品的追求。

此外，對于環(huán)境保護而言，推廣隱秘小環(huán)藻脂質(zhì)生物合成的利用，有助于減少對傳統(tǒng)能源開采過程中對環(huán)境的破壞，同時，這種可持續(xù)的生產(chǎn)模式也符合全球環(huán)保理念的發(fā)展趨勢。

硅藻是一類具有色素體的單細胞藻類，廣泛分布于淡水、海水和半咸水中。它們的細胞外覆有一層堅硬的硅質(zhì)細胞壁，上面有著精美的花紋和圖案，仿佛是大自然用微觀畫筆精心雕琢的藝術(shù)品。

從生態(tài)角度來看，硅藻扮演著至關(guān)重要的角色。在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，硅藻是食物鏈的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)之一。它們通過光合作用吸收二氧化碳，釋放氧氣，為海洋生物提供了豐富的食物來源。據(jù)統(tǒng)計，硅藻每年可固定約 20% 的全球二氧化碳，對維持地球的生態(tài)平衡起著舉足輕重的作用。同時，硅藻的大量繁殖還可能形成 “藻華” 現(xiàn)象。雖然藻華在某些情況下可能對生態(tài)環(huán)境造成一定的負面影響，但也從側(cè)面反映了硅藻在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的重要地位。

硅藻的種類繁多，目前已知的硅藻種類超過一萬種。不同種類的硅藻在形態(tài)、大小和生態(tài)習(xí)性上都有所不同。有的硅藻呈圓形，有的呈長條形，還有的呈放射狀。它們的大小也差異巨大，小的硅藻只有幾微米，而大的硅藻則可達幾十微米。

在科研領(lǐng)域，硅藻也備受關(guān)注?？茖W(xué)家們通過研究硅藻的結(jié)構(gòu)和功能，為新材料的開發(fā)提供了靈感。例如，硅藻的硅質(zhì)細胞壁具有獨特的納米結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有很強的吸附能力和光學(xué)性能。研究人員正在嘗試模仿硅藻的細胞壁結(jié)構(gòu)，開發(fā)出具有高效吸附性能的新型材料，用于污水處理、空氣凈化等領(lǐng)域。同時，硅藻的光學(xué)性能也為新型光學(xué)材料的開發(fā)提供了可能性。

此外，硅藻在工業(yè)領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。硅藻土是由硅藻的細胞壁沉積形成的一種天然礦物材料，具有多孔、質(zhì)輕、吸附性強等特點。硅藻土被廣泛應(yīng)用于污水處理、建筑材料、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。在污水處理中，硅藻土可以有效地吸附水中的有害物質(zhì)，如重金屬離子、有機物等，凈化水質(zhì)。在建筑材料領(lǐng)域，添加了硅藻土的涂料、硅藻泥等產(chǎn)品，具有調(diào)節(jié)濕度、吸附甲醛、防火阻燃等功能。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，硅藻土可以作為一種天然的殺蟲劑，對環(huán)境友好，不會對土壤和農(nóng)作物造成污染。

總之，硅藻作為一種微小的生物，卻在生態(tài)、科研和工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。隨著科技的不斷進步，我們對硅藻的認識也將不斷深入，相信在未來，硅藻將為人類的可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻。

在生態(tài)系統(tǒng)中，短柄曲殼藻發(fā)揮著重要的益處作用。首先，作為浮游植物的一種，它是海洋食物鏈的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。許多海洋生物，如浮游動物等，都以短柄曲殼藻為食，是它們重要的食物來源，為海洋生物的生存和繁衍提供了能量支持。其次，短柄曲殼藻在光合作用過程中，能夠吸收大量的二氧化碳，并釋放出氧氣，對維持海洋生態(tài)系統(tǒng)的氣體平衡起著關(guān)鍵作用。這不僅有助于海洋生物的呼吸，對于調(diào)節(jié)全球氣候也有著積極的影響。

此外，短柄曲殼藻對于海洋環(huán)境的監(jiān)測也具有一定的價值。由于其對環(huán)境變化較為敏感，當(dāng)海洋環(huán)境發(fā)生變化時，短柄曲殼藻的種群數(shù)量、分布等特征也會相應(yīng)地發(fā)生改變。因此，科學(xué)家們可以通過研究短柄曲殼藻來了解海洋環(huán)境的變化情況，為海洋環(huán)境保護和管理提供科學(xué)依據(jù)。

隨著對短柄曲殼藻研究的不斷深入，相信它的更多價值和作用將會被逐漸發(fā)掘出來。我們應(yīng)當(dāng)更加重視對這種微小生物的研究和保護，讓它在海洋生態(tài)系統(tǒng)中繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。

在微觀的海洋與水域世界中，硅藻宛如一顆璀璨的明珠，從形態(tài)及作用上分別散發(fā)著獨特的魅力。

硅藻的形態(tài)之美令人贊嘆不已。

在顯微鏡之下，您會發(fā)現(xiàn)硅藻有的呈圓形，猶如精致的小圓盤，光滑而圓潤；有的則具有奇特的多邊形狀，邊緣線條或流暢或曲折，充滿藝術(shù)感。其細胞壁上常常有著細膩而精美的紋理，仿佛是大自然用最細膩的筆觸勾勒而成，這些紋理或呈規(guī)則的圖案排列，或展現(xiàn)出不規(guī)則的靈動之美。從形態(tài)之美來看，硅藻有著各種各樣精巧的形狀，不由得感嘆，大自然才是最好的設(shè)計師。

硅藻不僅美，其作用也非凡。

硅藻的特異功能在食品領(lǐng)域的應(yīng)用也呈現(xiàn)出獨特的魅力。

首先，硅藻富含豐富的營養(yǎng)成分。它含有多種礦物質(zhì)，如硅元素，這對于維持人體正常的生理機能有著重要意義。此外，還包含一些微量元素，為身體提供了多樣化的營養(yǎng)補充。

從食用價值來看，硅藻食品具有獨特的口感。有的硅藻制品具有細膩而獨特的質(zhì)感，能為食品增添別樣的風(fēng)味。在一些特色美食中，加入硅藻可以帶來新穎的飲食體驗。

在健康方面，硅藻食品也表現(xiàn)出一定的益處。研究表明，其所含的成分可能對人體的某些機能起到積極的調(diào)節(jié)作用，比如對骨骼和結(jié)締組織的健康可能有所助力。

目前，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些以硅藻為原料的食品，如硅藻餅干、硅藻面條等。這些產(chǎn)品不僅豐富了食品的種類，也為消費者提供了更多健康選擇。

硅藻，以其形態(tài)之美和特異功能，向我們展示了一個微觀卻又無比精彩的世界。它們是大自然的杰作，也是我們深入探索和理解生命奧秘的重要對象。讓我們一同走進硅藻的奇妙世界，領(lǐng)略這份獨特的美麗與神奇。

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光合作用是地球上規(guī)模最大、最為重要的化學(xué)反應(yīng)。光合生物重新塑造了地球表面和大氣層成分，也演化出了千姿百態(tài)的生命形態(tài)。其中，最為人所熟悉的就是陸地上各種各樣的綠色植物。

對于綠色植物而言，光合作用主要吸收的是紅光和藍紫光，該現(xiàn)象與綠色植物吸收光的基本單位有關(guān)。綠光波段的能量基本沒有被綠色植物所利用，這也是它們呈現(xiàn)綠色的主要原因。但是，自然界中并非沒有能利用綠光的光合生物。海洋藻類擁有色彩斑斕的捕光蛋白，比如藍藻的藻藍蛋白、紅藻的藻紅蛋白、硅藻的巖藻黃素—葉綠素蛋白等，可以幫助海藻在不同的海水深度利用不同的太陽光能。其中，海洋赤潮的主要“肇事者”硅藻可謂是最“成功”的光合生物之一，其分布范圍廣，吸收二氧化碳的能力約占全球生態(tài)系統(tǒng)的1/5，比熱帶雨林的貢獻還高。

此前研究表明，硅藻特有的捕光天線蛋白具有出色的藍綠光捕獲能力和極強的光保護能力。然而，硅藻光合膜蛋白的結(jié)構(gòu)長期沒有得到解析，極大限制了硅藻光合作用的研究。這次，科研人員解析了硅藻的主要捕光天線蛋白高分辨率結(jié)構(gòu)，這是硅藻的首個光合膜蛋白結(jié)構(gòu)解析研究工作，為研究硅藻的光能捕獲、利用和光保護機制提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)?；谠摮晒?，科學(xué)家有望設(shè)計出能夠利用綠光波段、具有高效捕光和光保護能力的新型作物，也可為現(xiàn)代化智能植物工廠的發(fā)展提供新方向。

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硅藻（wikipedia.org/wiki/Diatom）

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硅藻可能起源于紅藻的二次內(nèi)共生事件，是現(xiàn)代海洋最“成功”的浮游光合生物之一，也是是海洋赤潮的主要類群之一。硅藻具有很強的適應(yīng)能力，種類繁多，在海洋中從赤道到兩極都有分布，甚至在淡水、土壤和空氣中都可以生存。那么硅藻為何會如此“成功”呢？先前的研究表明，精致的硅納米結(jié)構(gòu)的細胞壁、緊密的線粒體和葉綠體能量偶聯(lián)、奇特的氮素代謝能力、強大高效的光合作用能力是硅藻能夠在海洋中繁盛的重要原因。硅藻捕光天線蛋白“巖藻黃素-葉綠素a/c蛋白復(fù)合體”（Fucoxanthin chlorophyll a/c protein，F(xiàn)CP）具有出色的藍綠光捕獲能力和極強的光保護能力，是硅藻細胞快速生長和繁殖的能量基礎(chǔ)【4,5】。然而，硅藻光合膜蛋白的結(jié)構(gòu)長期沒有得到解析，極大限制了硅藻光合作用的研究。

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圖1：三角褐指藻類囊體膜上的 FCP 二聚體晶體結(jié)構(gòu)。A和B：FCP 蛋白和晶體；蛋白中的葉綠素a（綠色），葉綠素c（洋紅色），巖藻黃素（橙色）和硅甲藻黃素（藍色）分子結(jié)構(gòu)分別以棍狀圖顯示。

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2019年2月8日，國際著名學(xué)術(shù)期刊 Science 在線發(fā)表了中國科學(xué)院植物研究所沈建仁和匡廷云研究團隊題為Structural basis for blue-green light harvesting and energy dissipation in diatoms 的研究長文（Article），報道了硅藻捕光天線蛋白 (FCP) 捕獲藍綠光和淬滅過剩激發(fā)能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。這是硅藻的第一個光合膜蛋白結(jié)構(gòu)解析研究工作（圖1和2），也是中國科學(xué)院植物研究所繼高等植物和紅藻重要光合膜蛋白的結(jié)構(gòu)與功能研究之后【6-8】，在海洋重要光合生物膜蛋白結(jié)構(gòu)與功能研究領(lǐng)域取得的又一重要突破。

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硅藻的FCP復(fù)合體屬于捕光天線復(fù)合物超級蛋白家族，但其氨基酸序列與高等植物和綠藻的葉綠素a/b捕光天線蛋白（LHC蛋白）的序列同源性很低【6】，特別是在N和C末端差異很大（圖3A）。尤其是 HelixD 和一些關(guān)鍵氨基酸丟失，導(dǎo)致 FCP 以同質(zhì)二聚體的方式聚合，而不是多年以來預(yù)測的三聚體模型。FCP 依賴類囊體膜基質(zhì)側(cè)表面的氫鍵和膜內(nèi)的兩個葉綠素以及一對 Helices C 形成的強力疏水作用形成二聚體（圖2）。

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圖2：FCP二聚體結(jié)合方式。A：葉綠素（Chl）a406和Helices C形成的大范圍疏水作用；B和C：類囊體膜表面的R104和S100側(cè)鏈形成一對氫鍵

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FCP 結(jié)合大量巖藻黃素和葉綠素c，可捕獲藍綠光，以適應(yīng)深水下弱光環(huán)境，也使得硅藻細胞呈現(xiàn)紅褐色。研究人員通過結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)，每個 FCP 單體中結(jié)合7個葉綠素a，7個巖藻黃素，2個葉綠素c，1個硅甲藻黃素和一些脂類及去垢劑分子（圖1和圖3）。每個 FCP 單體結(jié)合的葉綠素數(shù)量少于 LHCII 復(fù)合體中的14個葉綠素（圖3B）。2個葉綠素c都結(jié)合在葉綠素a和巖藻黃素形成的特征性口袋結(jié)構(gòu)中，每個葉綠素c分子分別與2個葉綠素a分子成簇，并與其中1個葉綠素a分子緊密耦合；每個葉綠素簇內(nèi)的葉綠素距離都在3.5?左右（圖4），可以使能量快速高效地傳遞。 FCP 二聚體內(nèi)部的葉綠素距離都在10?之內(nèi)，使激發(fā)能達到快速的平衡和傳遞。

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圖3：FCP 和 LHCII 結(jié)構(gòu)對比。A：Lhcf4 和 Lhcb1 的二級結(jié)構(gòu)差異；B:FCP結(jié)合的葉綠素a（綠色）和葉綠素c（洋紅色），LHCII 中的葉綠素a/b分別用藍色和銀色顯示。C:類胡蘿卜素結(jié)合位點對比。硅甲藻黃素:Ddx；葉黃素:Lut；紫黃質(zhì):Vio；新黃質(zhì):Neo。

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圖4： FCP 單體中的葉綠素c和巖藻黃素結(jié)合位點。A：對稱分布的葉綠素c和巖藻黃素及其結(jié)合的氨基酸側(cè)鏈。B和C：葉綠素簇與巖藻黃素分子的空間關(guān)系。

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巖藻黃素是具有共軛羰基的類胡蘿卜素，具有很強的溶劑效應(yīng)，其結(jié)合的極性的蛋白環(huán)境是捕獲綠光的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在每個 FCP 單體中，6個巖藻黃素分子插入到光合膜內(nèi)，另1個新型的巖藻黃素分子水平結(jié)合在膜表面，這拓展了類胡蘿卜素在捕光天線蛋白中的結(jié)合方式和綠光捕獲能力。其中 Fx303 和 Fx305 與高等植物的 Lutein 相似（圖3C），結(jié)合在完全疏水的膜內(nèi)蛋白環(huán)境中，以此推測其吸收光譜紅移最少，主要捕光藍綠光（460-500 nm）。結(jié)合在葉綠素c丙烯酸尾部的 Fx306 和 Fx307 的兩個末端基團都暴露在極性環(huán)境下，導(dǎo)致它們的吸收光譜紅移至 500-550 nm，可以幫助硅藻捕獲并利用綠光。平躺的 Fx304 也將兩個末端基團都暴露在膜表面，也是可以捕獲綠光的巖藻黃素分子。而 Fx301 和 Fx302 只有一個末端基團暴露在類囊體膜囊腔側(cè)（圖5A），捕獲綠光的能力介于前兩類之間。

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所有巖藻黃素與葉綠素距離都在 4 ?之內(nèi)，形成共軛系統(tǒng)的偶聯(lián)，使其捕獲的光能可以高效地向葉綠素傳遞，同時也可能使巖藻黃素作為光保護的有效分子（圖5 B-F）。硅甲藻黃素分子與 FCP 蛋白結(jié)合較弱，可能是與周圍的膜脂分子相關(guān)，以便于參加到硅藻的類胡蘿卜素循環(huán)中，進而使得硅藻適應(yīng)從水下到水面的快速劇烈的光環(huán)境變化（圖1和圖5）。

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圖5 巖藻黃素和硅甲藻黃素在 FCP 二聚體中的蛋白結(jié)合環(huán)境（A）以及與葉綠素之間的空間關(guān)系（B-G）。

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該高分辨率的 FCP 晶體結(jié)構(gòu)首次描繪了葉綠素c和巖藻黃素在光合膜蛋白中的結(jié)合細節(jié)，闡明了葉綠素和巖藻黃素在 FCP 復(fù)合體中的空間排布，揭示了葉綠素c和巖藻黃素捕獲藍綠光并高效傳遞能量的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；首次揭示了 FCP 二聚體的結(jié)合方式，對幾十年來硅藻主要捕光天線蛋白聚合狀態(tài)研究提供了第一個明確的實驗證據(jù)。這一研究工作為揭示光合作用光反應(yīng)拓展捕光截面和高效捕獲傳遞光能機理，以及硅藻超強的光保護機制提供了堅實的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；為實現(xiàn)光合作用寬幅捕獲和快速傳遞光能的理論計算提供了可能，為人工模擬光合作用機理提供了新理論依據(jù)。也為指導(dǎo)設(shè)計新型作物、提高植物的捕光和光保護效率提供了新思路和新策略。

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匡廷云院士與沈建仁研究員為該論文的通訊作者，王文達博士和于龍江博士為本文共同第一作者。本項目得到日本岡山大學(xué)的合作研究支持，也得到了上海光源同步輻射光源、日本 SPring8 和 KEK 同步輻射光源、以及瑞士 SLS 同步輻射光源的技術(shù)支持；中國科技部國家蛋白質(zhì)重點研發(fā)計劃、中組部人才支持項目、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項、中國科學(xué)院前沿重點項目和院長基金提供了經(jīng)費資助。

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據(jù)了解，該論文最初投稿的類型為report，Science 編輯部和四位 Reviewers 都對該高分辨率的海洋硅藻捕光天線蛋白工作給予了高度評價，認為這是非常出色和有科學(xué)意義的工作，是相關(guān)研究領(lǐng)域期待已久的結(jié)構(gòu)解析工作，并建議投稿的Report版本拓展為Article形式發(fā)表。

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論文原文鏈接：

http://science.sciencemag.org/content/363/6427/eaav0365

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? ? 本文轉(zhuǎn)自：BAP ?BioArt植物

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1836- 1837年彼得·卡斯滕在德國Haubelberg山的鉆井發(fā)現(xiàn)了一種呈白色或灰白色的礦物。這種礦物多孔性好，很容易搗成細而軟的粉末。沉睡了億萬年的硅藻再次出現(xiàn)在人類面前：硅藻死后，這些富含硅的硬殼通常被壓碎成細小、鋒利的碎片，在海洋中沉積，柔軟的、粉狀的、多孔的、富含硅的礦物。

硅藻土具有多種用途，在各行各業(yè)中享有盛名。

在它被發(fā)現(xiàn)之后，阿爾弗雷德·諾貝爾用它來制造炸藥，威廉·伯克菲爾德也用它來開發(fā)過濾蠟燭。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，硅藻土還被用作殺蟲劑，其鮮明的特性使其成為一種有效的害蟲殺手。昆蟲身上覆蓋著一層蠟脂，其功能是保持昆蟲體內(nèi)的水分。當(dāng)昆蟲接觸到硅藻土?xí)r，覆蓋在外骨骼外部的蠟脂被微小的硅藻土碎片所切割，導(dǎo)致昆蟲脫水。因此，這種物質(zhì)可以用來殺死花園中的害蟲、跳蚤、蒼蠅、臭蟲和其他昆蟲。

硅藻土還可以作為一種溫和的磨料，用于金屬拋光，面部磨砂和牙膏。

硅藻土也用于飲用水過濾過程。它也被用來過濾游泳池和魚缸、啤酒、葡萄酒、糖、糖漿、蜂蜜等。

它還用于吸收乙烯氣體，減少水果的腐爛和因此導(dǎo)致的貨架腐蝕，使貨架壽命更長。

近年來，人們發(fā)現(xiàn)硅藻土可以作為人體內(nèi)部的清潔劑，有效地清除寄生蟲和毒素，其中包括自由基和有害重金屬。由于硅藻土顆粒帶有電荷，它們吸引相反電荷的顆粒并將其困在蜂窩狀的結(jié)構(gòu)中，最終以身體廢物的形式排出體外。

本文涉及書籍有：

1. Evolution of Primary Producers in the Sea. Paul Falkowski, Andrew H. Knoll, 2007;
2. The Diatom World. Joseph Seckbach, Springer Netherlands, 2011;
3. Art forms of Nature. Ernst Haeckel, 1904.
4. 列文虎克的信件
5. Mr.C的信件

本文轉(zhuǎn)自：藻類產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新

作者：賈其坤

https://mp.weixin.qq.com/s/86veNbtuwOXTujmp6zyw2w

雖然用途廣泛，硅藻土看上去也不過就是白色土塊，平平無奇，但如果你把硅藻放在顯微鏡下的話，新世界的大門就此打開：

顯微鏡下的硅藻標(biāo)本。圖片：Klaus Kemp

顯微鏡下的異世界

硅藻個體非常小，一般只有2微米到200微米，最大的圓篩盤藻屬（Coscinodiscus）種類直徑也不過半毫米，肉眼顯然沒法看真切，因此在18世紀(jì)之前，人類從來沒有注意過它們的存在。

第一個在顯微鏡下觀察到硅藻的人很有可能是荷蘭人列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek），他自制的光學(xué)顯微鏡具有觀察硅藻的能力，他觀察過的樣本中也肯定有硅藻存在。然而可惜的是，他發(fā)表過的所有插畫中沒有任何一幅可以肯定是來自硅藻。

列文虎克簡易顯微鏡的復(fù)制品。圖片：Wellcome Images / wiki commons

真正可以確定的最早的硅藻觀察記錄，出自倫敦皇家學(xué)會在1703年收到的一篇稿件。作者姓名已不可考，但在文章插畫中，我們可以清晰地看到一種淡水硅藻：平板藻（Tabellaria?sp.）的身影。

最早的硅藻插畫（左）和現(xiàn)實中的平板藻（右）。左圖：Anonymous (1703).?Philos. Trans. R. Soc.?London.?23(288): 1494；右圖：EQAT?Phytoplankton

硅藻最早的科學(xué)記錄是100多年之后。1846年，荷蘭植物學(xué)家范登博世（R. B. van den Bosch）在他出版的澤蘭省藻類名錄中收錄了硅藻。而真正讓大家見識到硅藻之美的，還是恩斯特·?？藸枺‥rnst Haeckel）在1904年出版的《自然界的藝術(shù)形態(tài)》——當(dāng)然，與此同時，讓大家見識到的也有很多其他奇奇怪怪物種的美麗。

圖片：《自然界的藝術(shù)形態(tài)》 (1904)，Ernst Haeckel

圖片：《自然界的藝術(shù)形態(tài)》 (1904)，Ernst Haeckel

是動物還是植物？

一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，人們就在為硅藻到底是動物還是植物而爭論不休。

它曾被認為是種像草履蟲那樣的單細胞動物，然后又因為能夠進行光合作用，被分到了植物一邊——它們甚至還有細胞壁！

顯微鏡下的海生硅藻。圖片：NOAA / wiki commons

然而，真核生物遠非動植物兩分就可以簡單解決的，尤其是顯微鏡發(fā)明之后，那些微小的單細胞生物如何分類難壞了生物學(xué)家。研究得越多，就越會發(fā)現(xiàn)這些小東西的多樣性、復(fù)雜程度都遠超之前的想象。

圓篩盤藻和甲藻——顯微鏡下的都是些什么魔鬼。圖片：Picturepest

現(xiàn)在，科學(xué)界的共識是：硅藻既不是動物，也不是植物，而是不等鞭毛生物中的一支。不等鞭毛生物和囊泡蟲、有孔蟲組成一個叫做“SAR超類群”的類群。這個類群和包括綠色植物在內(nèi)的原始色素體細胞生物不在一條分支上，和動物、真菌所在的后鞭毛類生物的關(guān)系就更遠了。

精美的“玻璃”外殼

硅藻的細胞壁和植物的有著本質(zhì)的區(qū)別，雖然都用果膠作為黏結(jié)部分，但是硅藻的細胞壁里沒有纖維素，?取而代之的是二氧化硅。這層保護殼質(zhì)地堅硬，表面多孔卻依然“刀槍不入”。有研究者曾嘗試用堅硬的針頭碾壓硅藻，試圖將其外殼壓碎，但以失敗告終。

掃描電鏡下的硅藻外殼。圖片：Mogana Das Murtey and Patchamuthu Ramasamy / wiki commons

如此堅硬的外殼，可以讓它們免受傷害，但是凡事有利就有弊。硅質(zhì)外殼不能像植物的纖維素質(zhì)細胞壁那樣變形、長大，這也就意味著一出生，硅藻的大小形狀就已經(jīng)基本上決定了。

你可能已經(jīng)開始擔(dān)心長這樣的硅藻怎樣分裂增殖了，其實它們自有良計。硅藻在英文中被稱為diatom，源自希臘語，直譯過來是“分成兩半”的意思。硅藻外殼都是分成兩片的，一片大一些一片小一些，二者恰好可以扣起來，就像微生物學(xué)實驗中常用的培養(yǎng)皿一樣。

還原度相當(dāng)之高。左圖：Sunlin Hu and Chao Liu /?diatoms.org；右圖：CSIRO / wiki commons

硅藻分裂增殖的時候，分生的兩個新細胞一人頂著一片舊有的細胞壁，然后它們在對面內(nèi)側(cè)再分泌產(chǎn)生一塊新的，將自己保護起來，物盡所用，非常經(jīng)濟。

然而，這樣的策略帶來的問題是，每次分裂，就會有一半的后代不可逆地變小一號，幾代過后，一些運氣差的硅藻，屋子可就小到?jīng)]法兒住了。這時候，它們就會不再繼續(xù)分裂，而是突然轉(zhuǎn)為有性繁殖，雌雄配子合體成為復(fù)大孢子，重新鑄造一個標(biāo)準(zhǔn)尺寸的外殼，繼而又重新開始進入下一輪慢慢變小的歷程。

硅藻的繁殖。圖片：Matt / wiki commons

雖說硅藻是單細胞生物，不過也并不都是獨來獨往的。它們聚在一起時更像是一個個嚴(yán)守紀(jì)律、戰(zhàn)術(shù)縝密的作戰(zhàn)部隊，不同的種類有它們自有的陣型：

帶狀分布的脆桿藻屬（Fragilaria）群體。圖片：Proyecto Agua

扇狀的扇形藻屬（Meridion）群體。圖片：Detlef Kramer / wiki commons

星形排列的聯(lián)星硅藻屬（Asterionella）群體。圖片：nps.gov

維多利亞時代的硅藻藝術(shù)

如果說硅藻特殊的結(jié)構(gòu)和排列方式是大自然在微觀世界中的精妙杰作，那么維多利亞時代的顯微鏡工藝師更可以說是巧奪天工。

在維多利亞時代，隨著一系列工業(yè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們對自然科學(xué)的好奇心越來越狂熱，開始運用技術(shù)展開大膽的奇思妙想。在那個時候，普通中產(chǎn)階級家庭擁有一臺顯微鏡已經(jīng)并不稀奇了，人們熱衷于收集玻片標(biāo)本，在這里，硅藻憑實力趕上了第一批顯微鏡工藝片的熱潮。

那個年代的顯微鏡們。圖片：Wellcome Images / wiki commons

大部分的顯微鏡工藝載玻片在大約1830年到1900年間被制作出來，工藝師用頭發(fā)把擁有精美又穩(wěn)定硅質(zhì)外殼的硅藻挑起，將它們按照想好的圖案擺放并調(diào)整而成。

如果只看硅藻的載玻片你會發(fā)現(xiàn)“什么也沒有”，而其實比針尖還小的硅藻正在里面排布了魔法陣，正等著對剛打開顯微鏡的收藏愛好者施“快帶我走”咒（大誤）。

各種漂亮的玻片。圖片：victorianmicroscopeslides.com

雖然顯微鏡加玻片標(biāo)本看上去相當(dāng)實驗室，但這些玻片不論是制作還是觀賞過程，顯然已經(jīng)和科學(xué)本身沒有任何關(guān)系了，只是一些愛好者利用硅藻作為原料進行的藝術(shù)創(chuàng)作。然而不得不說，這樣的創(chuàng)作，對于大眾對自然科學(xué)的了解有著非常大的幫助。

不信？左右滑動看看下面這組照片吧：

強迫癥滿足終極vip套餐！圖片：california academy of sciences geology

本文轉(zhuǎn)自：物種日歷https://mp.weixin.qq.com/s/ikZv0rfgAU7jKrejlhf8gg

?蛋白基因組學(xué)?(Proteogenomics)?是利用蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)，尤其是高精度的串聯(lián)質(zhì)譜數(shù)據(jù), 結(jié)合基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)對基因組進行深度注釋。中國科學(xué)院水生生物研究所葛峰課題組采用蛋白基因組學(xué)的研究策略和方法，完成了模式藍細菌的基因組深度解析?(PNAS，2014，111（52）：E5633-E5642)?并開發(fā)了針對原核生物的蛋白基因組學(xué)專業(yè)分析軟件GAPP（Molecular & Cellular Proteomics,?2016; 15 (11): 3529-3539）。

在上述工作基礎(chǔ)上，葛峰課題組對真核模式硅藻三角褐指藻的基因組進行了深度解析并構(gòu)建了蛋白質(zhì)組精細圖譜，相關(guān)成果以“Genome annotation of a model diatom Phaeodactylum tricornutum using an integrated proteogenomic pipeline”為題于近日發(fā)表在Molecular Plant雜志上。

葛峰課題組通過整合基因組、轉(zhuǎn)錄組、ESTs序列等多組學(xué)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)庫進行了縮減，得到去冗余的三角褐指藻蛋白基因組學(xué)數(shù)據(jù)庫；通過整合基于蛋白和肽段的樣品預(yù)分離、雙酶切和高分辨質(zhì)譜分析技術(shù)，獲得高質(zhì)量的質(zhì)譜數(shù)據(jù)；質(zhì)譜數(shù)據(jù)的鑒定整合了多種搜索引擎的結(jié)果，提高了蛋白鑒定的深度與覆蓋度；并采用更為嚴(yán)格的肽段假陽性控制策略，從而提高鑒定結(jié)果的可信度；通過開發(fā)新的算法，實現(xiàn)了真核生物中新的可變剪切體的發(fā)現(xiàn)與點突變基因的鑒定。

本研究精準(zhǔn)鑒定到6628個已注釋的編碼基因；對未鑒定到的已注釋基因的深入分析發(fā)現(xiàn)，有1895個基因可能并不編碼蛋白；發(fā)現(xiàn)了606個新的蛋白編碼基因并校正了506個已注釋的編碼基因，其中有56個新發(fā)現(xiàn)的蛋白編碼基因，在之前的研究中被錯誤預(yù)測為長鏈非編碼RNA（LncRNA）；鑒定到 268個可能具有重要功能的微小短肽（micropeptides），21個新的可變剪切體，并修正了73個已注釋基因的可變剪切位點以及58個發(fā)生氨基酸突變的基因；通過將開放式與限定式檢索相結(jié)合的策略，對三角褐指藻中的翻譯后修飾進行系統(tǒng)鑒定，發(fā)現(xiàn)了20多種不同種類的蛋白質(zhì)翻譯后修飾，這些修飾可能參與調(diào)控細胞內(nèi)眾多的生物學(xué)過程并在細胞的逆境適應(yīng)中起著重要作用。通過以上工作的完成，實現(xiàn)了三角褐指藻基因組的深度注釋和蛋白質(zhì)組精細圖譜的構(gòu)建。

此外，在以上工作的基礎(chǔ)上，本研究還建立了完整的構(gòu)建真核模式生物的蛋白質(zhì)組精細圖譜的實驗技術(shù)和分析流程,可適用于各種已經(jīng)測序的真核生物,成為解讀真核生物基因組及其功能分析的重要工具。

該論文的第一作者是水生所楊明坤高級實驗師，通訊作者是葛峰研究員，該研究得到了國家重點研發(fā)計劃 (2016YFA0501304)的資助。

轉(zhuǎn)自：BioArt植物