海洋，病毒之家

研究人员乘坐Tara号进行了海上考察。图片来源：Cell Press

■本报记者 唐凤

你能想象吗，每一勺海水都充满了数以百万计的病毒。

蔚蓝大海不止是鲸、海龟、水母，甚至细菌等生物的家园，这里还生活着无数的病毒。虽然大多数海洋病毒对人类无害，但它们可以感染各种海洋生物，如鲸、甲壳类动物和细菌。

近日，一个国际研究小组完成了有史以来第一次全球海洋病毒生态多样性调查。他们鉴别了近20万种海洋病毒物种——这一数量远远超过此前得出的结果，并从培养的病毒中获得约2000个基因组。

研究人员还在北冰洋发现了意想不到的病毒多样性。相关论文发表在4月25日的《细胞》杂志上。这项研究结果为科学家了解病毒如何影响海洋生态系统提供了基础，包括病毒对生物体相互作用方式的影响以及海洋对气候变化的反应。

“这是一篇‘基础资源’类型的论文，其他研究人员可以在此基础上进行探索发现，并能立即将语境融入到全局数据集中。”该论文通讯作者、美国俄亥俄州立大学微生物学家Matthew Sullivan告诉《中国科学报》。

该论文共同第一作者、俄亥俄州立大学研究生Ahmed Zayed也表示，绘制病毒生物多样性地图将提供对海洋正在发生的事情的更准确描述，并使研究人员能够更好地预测它的未来。

“惊讶”结果

从2009年到2013年，研究人员驾驶一艘名为Tara的帆船进行了海上考察，从世界各地近80个地点收集海水样本，范围从海面到4000米深水。

这项工作是Tara海洋和Malaspina两个更大项目的一部分。这两个项目旨在研究地球海洋中的二氧化碳和气候变化。这些任务之前已确定了1.5万种海洋病毒。

Sullivan提到，病毒是一种微小到看不见的东西，但因为数量巨大，所以确实非常重要。“在我们的发现中，有很多事情让人感到惊讶。”他说。

近20万种海洋病毒的存在，就是Sullivan所说的“惊讶”之一。Zayed等人分析了最新样本中的病毒DNA，并建立了病毒种群边界（类似于建立物种定义）。而且，集合群落分析显示，病毒在整个海洋中可被归为5个不同的生态区。考虑到海洋的流动性和许多海洋区域的复杂性，研究人员认为，这一发现出人意料。

该研究还评估了病毒的纬度和深度多样性梯度。结果显示，尽管大型生物的物种多样性在赤道附近最高而在两极附近最低，但对于海洋病毒来说，研究人员在北冰洋发现了一个生物多样性“热点”。

研究人员表示，最多样化的“社区”分布在温带和热带表层水以及北冰洋，这是一个地理和政治上都难以进入的地区，也是受气候变化影响最大的地区之一。

在北极的夏天，有许多微生物会变得活跃，而这些微生物就是病毒的宿主。但Sullivan表示，这里为何成为病毒多样性热点地区，仍然是一个悬而未决的问题。

病毒地图

“值得注意的是，该研究创建了这些种群内部变异的第一张地图，可以用来更好地研究自然系统中的病毒进化和物种形成，并揭示生物体之间的相互作用可能带来何种影响。”Sullivan告诉《中国科学报》。

病毒生态学必须首先绘制“谁在那里”的地图。Sullivan提到，这是一个相当大的挑战，因为大多数病毒不能培养，也没有针对所有病毒的普遍共享基因，即人们没有“条形码基因”用于多样性研究。

这里，研究人员使用元基因组学方法对群落DNA进行测序，并试图将这些基因组重新拼接在一起。“一旦我们有了这张多样性地图，科学家就可以操纵海洋的特定区域，以增强病毒群落将二氧化碳从浅水转移到深海的能力。”Sullivan说。

理解海洋微生物如何影响地球大气具有重要意义。在过去20年里，人们已经知道，海洋吸收了人类排放到地球大气中的二氧化碳的一半。

由于复杂的化学作用，表层二氧化碳水平的增加使海洋酸化。然而，如果二氧化碳被转化为有机碳和生物质，那么它就会变成微粒并沉入深海。此前的分析已经发现，海洋病毒可以帮助把海洋表层水中的碳带到深海，将其与大气隔绝。

虽然这样设计海洋也许是可怕的，但Sullivan 表示，“我们需要认真考虑有效的方法阻止即将面临的气候问题”。

每一步都充满挑战

“这条路的每一步都充满了挑战，包括实地考察和海洋取样。”Sullivan说，该研究是Tara海洋全球考察的一部分，所有样本都是由项目组根据海洋学特征和航行限制而设计的。

在目前的工作中，一个由科学家组成的轮值小组负责在船上收集来自不同地理区域内不同深度的海水样本。收集到的样本过滤后被运回十几个不同的实验室进行分析。

研究人员不仅研究了水样中的病毒，还研究了包括较大真核生物在内的其他微生物。Sullivan说：“我们在过滤样本后分析了小到病毒、大到鱼卵的众多生物体。我们还在北极收集了大量样本，这在此前的海洋生物研究中并不常见。”

加拿大温哥华英属哥伦比亚大学海洋病毒学家Curtis Suttle说，病毒在海洋中形成群落的发现显示了人们对它们知之甚少。他补充说，尽管研究人员现在掌握了大量海洋病毒数据，但仍有许多未取样区域，例如西印度洋和东太平洋的大部分。

其他研究人员希望有更多的数据充实世界海洋病毒多样性话题。俄勒冈州立大学微生物学家Rebecca Vega Thurber说，该项目团队在6个月里，在北极水域一个小范围内反复取样，而其他地区的样本则是单次采集。她说，北极是一个多样性热点地区，这是值得注意的，但重复采样也可能会在其他地方发现更大的多样性。

尽管如此，Vega Thurber认为，Sullivan 等人“正在创造百科全书，我们需要通过它来了解正在研究什么”。

Zayed等人表示，对海洋病毒分布和丰度更全面的了解，将有助于他们确定未来研究应该把重点放在哪些病毒上。此外，新地图也为未来的其他采集工作确立了基线，有助于解释微生物水平如何随着时间的推移而变化，以应对季节变化和气候变化。

“我们还有许多以其他方式研究这个数据集的后续论文……它是一个游乐场!” Sullivan说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.03.040