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以病毒为食:填补了食物链的空缺

2020-10-09 15:19 主页 来源:未知
以病毒为食:填补了食物链的空缺

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”

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。