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科学家找到了噬食病毒的生物

2020年10月16日 浏览量: 评论(0) 来源:环球科学 作者:罗丁豪 责任编辑:yjcadmin
摘要:科学家在大洋表面找到了噬食病毒的浮游生物。这项“改写生物书”的发现,或许能为海洋生态研究带来全新的思考方式。

科学家在大洋表面找到了噬食病毒的浮游生物。这项“改写生物书”的发现,或许能为海洋生态研究带来全新的思考方式。 

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撰文 | 罗丁豪

编辑 | 吴非

病毒体型微小,但它们在生态系统中无处不在。据研究估算,世界上病毒的数目大约是1031,比宇宙中的恒星总数还要多1亿倍,总重量则与250亿人的体重相当。几乎所有的物种,都会被病毒感染。但有趣的是,很长一段时间内,科学家从未找到一种以病毒为食的生物——一直以来,病毒似乎处于食物链之外,只顾感染并蚕食生物,而不会被生物当成食物。这看上去不合常理。因此,生物学家一直在寻找噬食病毒的生物。就在最近,他们终于在两类原生生物的体内,找到了它们食用病毒的证据。

寻找“噬病毒体”

实际上,这并不是科学家第一次发现“噬病毒体”。早在2008年,法国科学家就发现了一种能感染、消灭病毒的病毒,并将其命名为“斯普特尼克”(Sputnik,俄文意为“卫星”)。但想要找到食用病毒的生物,却没那么简单。此前,科学家就发现一些原生生物体内有病毒的DNA,因此怀疑它们有可能吃下了病毒;更何况,一些实验表明,原生生物也的确能够以病毒为食。但美国毕格罗海洋科学实验室(Bigelow Laboratory for Ocean Sciences)的拉穆纳斯·斯特潘纳乌斯卡斯(Ramunas Stepanauskas)研究员认为,这些实验室培养的原生生物并不能代表自然界中的情况。为了了解在自然情况下原生生物是否真的以病毒为食,斯特潘纳乌斯卡斯的团队决定前往海岸,搜集浮游原生生物的信息。

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在缅因州的海湾中收集海面样本。(图片来源:斯特潘纳乌斯卡斯等人)

在美国缅因州的海湾和地中海里,研究人员总共采集了1698个原生生物样本,并对这些样本进行了DNA序列分析。他们采用了单细胞基因组分析(single-cell genomics),其测序结果可以说明微生物和病毒是否存在。

这些原生生物来自十多个不同的门。其中,在51%的来自缅因海湾的原生生物样本,以及35%的来自地中海的样本中,都检测到了病毒DNA。值得注意的是,在皮胆虫(picozoan)和聚胞动物(choanozoan)两类原生生物的样本中,每一个个体都含有病毒DNA。虽然有些原生生物可能以细菌为食,而噬菌体会寄生在细菌中,从而“搭便车”成为原生生物的晚宴,但是皮胆虫和聚胞动物样本中只有大量病毒DNA,却很少出现细菌DNA,这足以排除“搭便车”的可能性。并且,2013年的一项研究还指出,皮胆虫的进食“器官”大小并不足以吞噬细菌,吃下病毒倒是绰绰有余。研究团队称,加上之前的实验室研究,我们终于有证据证明,噬食病毒的原生生物的确存在。团队的分析结果于9月24日发表在《微生物学前沿》(Frontiers in Microbiology)期刊上。

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左:聚胞动物;右:皮胆虫。(图片来源:Wikimedia Commons)

不论是对于皮胆虫还是聚胞动物研究来说,这都是激动人心的发现。一方面,聚胞动物长3~10微米,是动物和真菌的近亲,与海绵的鞭毛细胞(choanocyte)有着惊人的相似之处。另一方面,皮胆虫长度不到3微米,且自发现以来,科学家都未弄清皮胆虫的膳食是什么,毕竟如前所述,它们的“嘴”可吃不下细菌。

“病毒含有丰富的磷和氮,或许能给皮胆虫和聚胞动物的伙食增添一些重要的营养元素。”毕格罗海洋科学实验室的生物信息学家朱莉娅·布朗(Julia Brown)指出。既然病毒不只消灭其他生物,还会反被其他生物消灭,在食物链中缺少的那一个节点,如今也能补上了。

填补生态圈空缺

对于像斯特潘纳乌斯卡斯这样的海洋微生物学家来说,这项研究提出了一个很重要的问题:既然原生生物能直接调控病毒的数量,这对海洋生态圈来说,这意味着什么?此前,最常用于解释海洋中病毒的角色的模型是“病毒分流模型”(viral shunt model),即病毒能够入侵并裂解海洋中的微生物,将它们以可溶性有机物(dissolved organic matter)的形式送回食物链底端。

考虑到新研究的结果,论文的作者团队认为,要想解释海洋中生物和病毒的动态平衡,不只有“病毒分流模型”这一个办法。以往的模拟研究显示,这类简单的病毒-宿主-捕食者(virus-host-consumer)模型最后都会导致病毒和微生物之间激烈的资源竞争,从而导致其中一方的胜利和另一方的消失。而这次发现的原生生物能直接噬食病毒的证据,实际上稳定了这三者之间的交互,维持了平衡。

斯特潘纳乌斯卡斯研究团队的最新发现则支持了“病毒穿梭模型”(viral shuttle model)。这个模型提出,原生生物食用病毒,能直接将病毒含有的有机材料从食物链底层向上输送;而病毒本身裂解其宿主,则将这些生物的有机材料送往食物链底层。这样一来,病毒就担任了食物链中的“穿梭车”,帮助维持海洋环境中的养料平衡。团队指出,过往已经有研究支持了这个新增“病毒连接”的存在。例如,2016年发表于《自然》的一项研究发现,病毒DNA与向食物链上方输送的有机物呈正相关,也就是说,病毒的确可能在食物链中担任“输送养料”的“穿梭车”。

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“病毒穿梭模型”的简化图;在这个模型中,病毒既将其宿主裂解成溶解有机物,送至食物链底端,又被小型浮游生物(例如皮胆虫和聚胞动物)食用,将自身包含的有机物送至食物链上端。(制图:罗丁豪)

研究团队表示,这项新结果并不是终点。知道有原生生物能以病毒为食,可以给我们提供“一个新的思考方向”。然而,这只是新研究方向的一个起点;要阐明病毒在海洋生态中的角色,我们仍需大量的研究。但现在我们总算知道,就连“感染一切”的病毒,也会沦为小小单细胞生物的晚餐,在大自然的动态平衡中,没有谁可以成为漏网之鱼。

参考文献:

[1] Wu, K. (2020). There are more viruses than stars in the universe. Why do only some infect us? National Geographic. 16 April, 2020. Retrieved 29 September, 2020 from: https://www.nationalgeographic.co.uk/science-and-technology/2020/04/there-are-more-viruses-stars-universe-why-do-only-some-infect-us.

[2] La Scola, B., Desnues, C., Pagnier, I. et al. (2008). The virophage as a unique parasite of the giant mimivirus. Nature 455, 100–104. doi: 10.1038/nature07218.

[3] Brown, J.M., Labonté, J.M., Brown, J. et al. (2020). Single Cell Genomics Reveals Viruses Consumed by Marine Protists. Front. Microbiol. 11:524828. doi: 10.3389/fmicb.2020.524828.

[4] Seenivasan, R., Sausen, N., Medlin, L.K., & Melkonian, M. (2013). Picomonas judraskeda Gen. Et Sp. Nov.: The First Identified Member of the Picozoa Phylum Nov., a Widespread Group of Picoeukaryotes, Formerly Known as ‘Picobiliphytes’. PLoS ONE 8(3): e59565. doi: 10.1371/journal.pone.0059565.

[5] Miki, T., & Yamamura, N. (2005). Intraguild predation reduces bacterial species richness and loosens the viral loop in aquatic systems: ‘kill the killer of the winner’ hypothesis. Aquat. Microb. Ecol. 40, 1-12. doi: 10.3354/ame040001.

[6] Guidi, L., Chaffron, S., Bittner, L. et al. (2016) Plankton networks driving carbon export in the oligotrophic ocean. Nature 532, 465-470. doi: 10.1038/nature16942.


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