研究人員乘坐 Tara 號進行了海上考察。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以百萬計的病毒。

　　蔚藍大海不止是鯨、海龜、水母，甚至細菌等生物的家園，這里還生活著無數的病毒。雖然大多數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多樣性調查。他們鑒別了近 20 萬種海洋病毒物種——這一數量遠遠超過此前得出的結果，并從培養的病毒中獲得約 2000 個基因組。

　　研究人員還在北冰洋發現了意想不到的病毒多樣性。相關論文發表在 4 月 25 日的《細胞》雜志上。這項研究結果為科學家了解病毒如何影響海洋生態系統提供了基礎，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。

　　“這是一篇‘基礎資源’類型的論文，其他研究人員可以在此基礎上進行探索發現，并能立即將語境融入到全局數據集中。”該論文通訊作者、美國俄亥俄州立大學微生物學家 Matthew Sullivan 告訴《中國科學報》。

　　該論文共同第一作者、俄亥俄州立大學研究生 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生的事情的更準確描述，并使研究人員能夠更好地預測它的未來。

　　“驚訝”結果

　　從 2009 年到 2013 年，研究人員駕駛一艘名為 Tara 的帆船進行了海上考察，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，但因為數量巨大，所以確實非常重要。“在我們的發現中，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 個不同的生態區。考慮到海洋的流動性和許多海洋區域的復雜性，研究人員認為，這一發現出人意料。

　　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現了一個生物多樣性“熱點”。

　　研究人員表示，最多樣化的“社區”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入的地區，也是受氣候變化影響最大的地區之一。

　　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，仍然是一個懸而未決的問題。

　　病毒地圖

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

　　病毒生態學必須首先繪制“誰在那里”的地圖。Sullivan 提到，這是一個相當大的挑戰，因為大多數病毒不能培養，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方法對群落 DNA 進行測序，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，科學家就可以操縱海洋的特定區域，以增強病毒群落將二氧化碳從淺水轉移到深海的能力。”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。

　　由于復雜的化學作用，表層二氧化碳水平的增加使海洋酸化。然而，如果二氧化碳被轉化為有機碳和生物質，那么它就會變成微粒并沉入深海。此前的分析已經發現，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。

　　雖然這樣設計海洋也許是可怕的，但 Sullivan 表示，“我們需要認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

　　“這條路的每一步都充滿了挑戰，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海洋學特征和航行限制而設計的。

　　在目前的工作中，一個由科學家組成的輪值小組負責在船上收集來自不同地理區域內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海洋病毒學家 Curtis Suttle 說，病毒在海洋中形成群落的發現顯示了人們對它們知之甚少。他補充說，盡管研究人員現在掌握了大量海洋病毒數據，但仍有許多未取樣區域，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據充實世界海洋病毒多樣性話題。俄勒岡州立大學微生物學家 Rebecca Vega Thurber 說，該項目團隊在 6 個月里，在北極水域一個小范圍內反復取樣，而其他地區的樣本則是單次采集。她說，北極是一個多樣性熱點地區，這是值得注意的，但重復采樣也可能會在其他地方發現更大的多樣性。

　　盡管如此，Vega Thurber 認為，Sullivan 等人“正在創造百科全書，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，以應對季節變化和氣候變化。

　　“我們還有許多以其他方式研究這個數據集的后續論文……它是一個游樂場!” Sullivan 說。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.03.040

　　《中國科學報》 (2019-04-29 第 3 版國際)

總結

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