研究人員乘坐 Tara 號進(jìn)行了海上考察。圖片來源：Cell Press

　　本報記者唐鳳

　　你能想象嗎，每一勺海水都充滿了數(shù)以百萬計的病毒。

　　蔚藍(lán)大海不止是鯨、海龜、水母，甚至細(xì)菌等生物的家園，這里還生活著無數(shù)的病毒。雖然大多數(shù)海洋病毒對人類無害，但它們可以感染各種海洋生物，如鯨、甲殼類動物和細(xì)菌。

　　近日，一個國際研究小組完成了有史以來第一次全球海洋病毒生態(tài)多樣性調(diào)查。他們鑒別了近 20 萬種海洋病毒物種——這一數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此前得出的結(jié)果，并從培養(yǎng)的病毒中獲得約 2000 個基因組。

　　研究人員還在北冰洋發(fā)現(xiàn)了意想不到的病毒多樣性。相關(guān)論文發(fā)表在 4 月 25 日的《細(xì)胞》雜志上。這項研究結(jié)果為科學(xué)家了解病毒如何影響海洋生態(tài)系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)，包括病毒對生物體相互作用方式的影響以及海洋對氣候變化的反應(yīng)。

　　“這是一篇‘基礎(chǔ)資源’類型的論文，其他研究人員可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行探索發(fā)現(xiàn)，并能立即將語境融入到全局?jǐn)?shù)據(jù)集中。”該論文通訊作者、美國俄亥俄州立大學(xué)微生物學(xué)家 Matthew Sullivan 告訴《中國科學(xué)報》。

　　該論文共同第一作者、俄亥俄州立大學(xué)研究生 Ahmed Zayed 也表示，繪制病毒生物多樣性地圖將提供對海洋正在發(fā)生的事情的更準(zhǔn)確描述，并使研究人員能夠更好地預(yù)測它的未來。

　　“驚訝”結(jié)果

　　從 2009 年到 2013 年，研究人員駕駛一艘名為 Tara 的帆船進(jìn)行了海上考察，從世界各地近 80 個地點收集海水樣本，范圍從海面到 4000 米深水。

　　這項工作是 Tara 海洋和 Malaspina 兩個更大項目的一部分。這兩個項目旨在研究地球海洋中的二氧化碳和氣候變化。這些任務(wù)之前已確定了 1.5 萬種海洋病毒。

　　Sullivan 提到，病毒是一種微小到看不見的東西，但因為數(shù)量巨大，所以確實非常重要。“在我們的發(fā)現(xiàn)中，有很多事情讓人感到驚訝。”他說。

　　近 20 萬種海洋病毒的存在，就是 Sullivan 所說的“驚訝”之一。Zayed 等人分析了最新樣本中的病毒 DNA，并建立了病毒種群邊界（類似于建立物種定義）。而且，集合群落分析顯示，病毒在整個海洋中可被歸為 5 個不同的生態(tài)區(qū)。考慮到海洋的流動性和許多海洋區(qū)域的復(fù)雜性，研究人員認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)出人意料。

　　該研究還評估了病毒的緯度和深度多樣性梯度。結(jié)果顯示，盡管大型生物的物種多樣性在赤道附近最高而在兩極附近最低，但對于海洋病毒來說，研究人員在北冰洋發(fā)現(xiàn)了一個生物多樣性“熱點”。

　　研究人員表示，最多樣化的“社區(qū)”分布在溫帶和熱帶表層水以及北冰洋，這是一個地理和政治上都難以進(jìn)入的地區(qū)，也是受氣候變化影響最大的地區(qū)之一。

　　在北極的夏天，有許多微生物會變得活躍，而這些微生物就是病毒的宿主。但 Sullivan 表示，這里為何成為病毒多樣性熱點地區(qū)，仍然是一個懸而未決的問題。

　　病毒地圖

　　“值得注意的是，該研究創(chuàng)建了這些種群內(nèi)部變異的第一張地圖，可以用來更好地研究自然系統(tǒng)中的病毒進(jìn)化和物種形成，并揭示生物體之間的相互作用可能帶來何種影響。”Sullivan 告訴《中國科學(xué)報》。

　　病毒生態(tài)學(xué)必須首先繪制“誰在那里”的地圖。Sullivan 提到，這是一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，因為大多數(shù)病毒不能培養(yǎng)，也沒有針對所有病毒的普遍共享基因，即人們沒有“條形碼基因”用于多樣性研究。

　　這里，研究人員使用元基因組學(xué)方法對群落 DNA 進(jìn)行測序，并試圖將這些基因組重新拼接在一起。“一旦我們有了這張多樣性地圖，科學(xué)家就可以操縱海洋的特定區(qū)域，以增強病毒群落將二氧化碳從淺水轉(zhuǎn)移到深海的能力。”Sullivan 說。

　　理解海洋微生物如何影響地球大氣具有重要意義。在過去 20 年里，人們已經(jīng)知道，海洋吸收了人類排放到地球大氣中的二氧化碳的一半。

　　由于復(fù)雜的化學(xué)作用，表層二氧化碳水平的增加使海洋酸化。然而，如果二氧化碳被轉(zhuǎn)化為有機碳和生物質(zhì)，那么它就會變成微粒并沉入深海。此前的分析已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，海洋病毒可以幫助把海洋表層水中的碳帶到深海，將其與大氣隔絕。

　　雖然這樣設(shè)計海洋也許是可怕的，但 Sullivan 表示，“我們需要認(rèn)真考慮有效的方法阻止即將面臨的氣候問題”。

　　每一步都充滿挑戰(zhàn)

　　“這條路的每一步都充滿了挑戰(zhàn)，包括實地考察和海洋取樣。”Sullivan 說，該研究是 Tara 海洋全球考察的一部分，所有樣本都是由項目組根據(jù)海洋學(xué)特征和航行限制而設(shè)計的。

　　在目前的工作中，一個由科學(xué)家組成的輪值小組負(fù)責(zé)在船上收集來自不同地理區(qū)域內(nèi)不同深度的海水樣本。收集到的樣本過濾后被運回十幾個不同的實驗室進(jìn)行分析。

　　研究人員不僅研究了水樣中的病毒，還研究了包括較大真核生物在內(nèi)的其他微生物。Sullivan 說：“我們在過濾樣本后分析了小到病毒、大到魚卵的眾多生物體。我們還在北極收集了大量樣本，這在此前的海洋生物研究中并不常見。”

　　加拿大溫哥華英屬哥倫比亞大學(xué)海洋病毒學(xué)家 Curtis Suttle 說，病毒在海洋中形成群落的發(fā)現(xiàn)顯示了人們對它們知之甚少。他補充說，盡管研究人員現(xiàn)在掌握了大量海洋病毒數(shù)據(jù)，但仍有許多未取樣區(qū)域，例如西印度洋和東太平洋的大部分。

　　其他研究人員希望有更多的數(shù)據(jù)充實世界海洋病毒多樣性話題。俄勒岡州立大學(xué)微生物學(xué)家 Rebecca Vega Thurber 說，該項目團(tuán)隊在 6 個月里，在北極水域一個小范圍內(nèi)反復(fù)取樣，而其他地區(qū)的樣本則是單次采集。她說，北極是一個多樣性熱點地區(qū)，這是值得注意的，但重復(fù)采樣也可能會在其他地方發(fā)現(xiàn)更大的多樣性。

　　盡管如此，Vega Thurber 認(rèn)為，Sullivan 等人“正在創(chuàng)造百科全書，我們需要通過它來了解正在研究什么”。

　　Zayed 等人表示，對海洋病毒分布和豐度更全面的了解，將有助于他們確定未來研究應(yīng)該把重點放在哪些病毒上。此外，新地圖也為未來的其他采集工作確立了基線，有助于解釋微生物水平如何隨著時間的推移而變化，以應(yīng)對季節(jié)變化和氣候變化。

　　“我們還有許多以其他方式研究這個數(shù)據(jù)集的后續(xù)論文……它是一個游樂場!” Sullivan 說。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.03.040

　　《中國科學(xué)報》 (2019-04-29 第 3 版國際)

總結(jié)

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