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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。
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。
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。
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”。
“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：
[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.
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发表于 2020-10-3 15:36
