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【每种生物都有它自己的生态世界体系，如果单从自己的视角出发，很多事物就难以理解。人类认识世界是从自己的手、脚、眼睛、鼻子、耳朵、嘴巴开始的，所以总以为自己是中心，总以为自己最伟大。实际上，人类在世界上是非常渺小的，时间尺度非常短，空间尺度也非常小。一部科学史只不过是人类不断纠正认识错误、克服人类中心观的历史。】 ——汪品先 中国科学院院士 同济大学海洋与地球科学学院教授 海洋中有病毒吗？有，而且数量惊人。 近一个世纪以来，海洋生物学家一直认为海洋中是没有病毒的。当他们在显微镜下观察海水时，他们根本没有发现任何病毒，因此他们得出结论，海洋环境太恶劣，病毒无法大量存活。
 病毒是海洋生态系统的重要组成部分 1990年1月，海洋传播病毒生态学的先驱福尔曼和丽塔 · 普罗科特合作发表在《自然》杂志上的论文，以及一组挪威科学家的另一篇论文，首次证实了病毒是海洋生态系统的重要组成部分。但是到这个阶段，科学家们只是模糊地意识到海洋病毒圈的惊人规模，但许多关于它的最简单的问题多年来一直没有得到解答。比如，科学家甚至不能说出海洋中有多少种病毒。 学术界逐渐认识到，海洋中大约存在着 10000000000000000000000000000000 (1×10³¹)个病毒颗粒 我们该如何理解这一长串几乎数不过来的数字呢？勉强做一些类比。在海洋中，病毒的数量是其他所有海洋居民总量的15倍，而它们的总重量则相当于7500万头蓝鲸，如果你把海洋中所有病毒挨个儿排成一排，会延长到4200万光年之外。  蓝鲸是世界上最大的哺乳动物 海水中怎么会有这么多病毒呢？ 海洋病毒具有与陆地病毒相同的增殖方式，它们无法自我复制，而是利用被感染的细胞进行繁殖。以一种主要的海洋浮游病毒——噬菌体为例，我们看看它是怎么繁殖的。  显微镜下的噬菌体 噬菌体是一种病毒，由于病毒在自然界中不能生活以及繁衍，所以病毒需要找一个宿主生存。地球上绝大多数病毒的宿主是生物，但是噬菌体是个例外，它们的宿主是细菌。噬菌体其实是这类病毒的统称，在噬菌体家族中，存在着许多种类的噬菌体，而每一种噬菌体只能对应一种细菌，有时也能对应这种细菌的近亲。噬菌体无处不在，你的手机上，你的手上以及身体里，可能就生活着上亿只噬菌体，而你浑然不觉。  上图：一个典型的噬菌体结构图/图源：Wikimedia 噬菌体在水中与宿主细胞发生偶然碰撞后便附着于宿主细胞表面，之后它们通过自己底部“注射器”一样的身体结构，也叫尾管，把自身物质注入宿主细胞内。进入到宿主细胞的核酸以自身的遗传信息为“蓝图”向宿主细胞发出指令，使宿主细胞的代谢系统转变成合成噬菌体特有的组分和“部件”。当大批成套的“部件”合成好了以后，就在细胞内进行装配，于是就产生了一大群形状、大小完全相同的子代噬菌体。之后宿主细胞发生裂解，这些子代噬菌体便被释放到环境中去，开始新一轮的感染过程。  噬菌体感染宿主 海洋病毒的强大在于它们的传染性。在短短1秒钟之内，它们能对微生物发起10万亿次进攻；每一天，它们能杀死海洋中15%～40%的细菌，而宿主细菌的死亡就意味着更多噬菌体被释放出来。每升海水每天能产生多达1000亿个新病毒，这些病毒马上就会投入战斗，迅速感染新的宿主。除了侵染细菌的噬菌体之外，浮游病毒还包括侵染原核藻类的噬藻体和侵染真核藻类的真核藻类病毒等。 海洋病毒是如何高效工作的？ ——杀死胜利者（或杀死赢家） 地球上大约有10亿种细菌，其中很大一部分都栖息在海洋中。尽管细菌种类不计其数，在海洋中兴衰了无数个世代，但它们却从未取得过永久的统治地位。是什么样的秘密机制，使得海洋没有被一种超级细菌填满呢？答案也许藏在细菌最小的天敌海洋病毒身上。  因为海洋病毒和它们的宿主细胞都是随机发生接触的，因此病毒的感染依赖于一定的宿主密度。也就是说，当某个宿主种群数量太少的时候，浮游病毒就很难接触到它们；而当宿主数量比较多的时候，感染就相对容易些。当一个宿主种群成为优势种群时，就很容易被易感病毒找到，并在随后的过程中被大量裂解，直到变得不再是优势种群。而当另一个种群成为优势种群时，同样的故事也会再次上演。这个循环具备自然选择理论的所有元素：突变、捕食，胜者获得巨大的生殖奖励。这一循环对微生物的多样性也有着巨大的潜在影响。 海洋生物学家为这个循环取了一个名字——“杀死胜利者”（或杀死赢家）。病毒的这个“杀死胜利者”游戏，对调节群落结构和海洋生态多样性有着非常积极的作用。例如，当赤潮发生的时候，由于有害藻类的数量大量增加，其病毒也相应地大量繁殖并裂解宿主藻类细胞，这都大大有利于赤潮的消失。  赤潮 “杀死胜利者”的永恒战争，引发了细菌和病毒之间适应和反适应的军备竞赛。一些被感染的金藻会启动一个叫作“凋亡”的自杀流程，以防止病毒自我复制。爆炸虽然会让细胞送命，但也保护了它们的子女。 不过病毒也会演化：高级版本的病毒会携带一种能组织“凋亡”的蛋白质，以防宿主细胞自杀。最阴险的病毒甚至会利用这种“自杀机制”，增加自身的繁殖。有一种叫作赫氏圆石藻的金藻展现出另一种逃生策略。  病毒的逃生策略 当遭受病毒攻击时，它们会将自己变成移动的逃生舱，其中只包含自身一半的DNA。在亿万年的时间里，大海中持续进行的攻击、防御、反击的战斗，催生了微生物惊人的多样性。  2.5亿年前的生物大灭绝事件致使地球上96%的物种遭遇了灭顶之灾。大规模的火山活动为大气中注入了大量二氧化碳，导致全球性的气候变暖，微生物在温暖的海洋中大量繁殖。于是，海洋食物链被完全破坏，生态系统的天平倒向一边，导致微生物爆发，耗尽了海洋中的氧气。直到500万年以后，海洋生态才复苏，走上了正轨。 单细胞生物和病毒是地球上演化速度最快的生物，而“杀死胜利者”是地球上赌注最高的竞赛。这场竞赛发生在每一滴海水中，发生在过去30亿年中的几乎每一天里。它阻止了任何一个微生物物种变得太过成功或占尽优势，也因此担负了部分责任，保持了大海中多样性的平衡。 海洋病毒对人类友好的前提也许是我们的行为不再导致全球变暖…… 海洋病毒中只有极小部分会感染人类，也有的会感染鱼类和其他海洋动物，但迄今为止（不代表以后会发生变化），它们最常见的目标是细菌和其他单细胞微生物。某些时候，海洋病毒甚至在帮助人类。例如霍乱，它由一种经水传播的弧菌所致，这种细菌也是不少种噬菌体的宿主。当霍乱弧菌爆发并导致霍乱流行时，噬菌体也跟着大肆繁殖。病毒迅猛增殖，越来越快地杀死弧菌，直到超过了微生物繁殖的速度，细菌阵营就溃败下来，霍乱的流行也因此平息。制止霍乱爆发对于海洋病毒来说只是雕虫小技，你也许想不到，我们每天呼吸的氧气也会与海洋病毒有关。 藻类和光合细菌生产了大约一半我们吸入的氧气，藻类的代谢还会生成二甲基硫，这种气体释放到空气中，水汽围绕它们开始凝结，就形成了云。云层把来自外太空的阳光反射回去，就使地表冷却下来。微生物还会吸收和释放出大量二氧化碳，这些二氧化碳通过捕获大气中的热量来调节大气温度，例如一些微生物的代谢废物是二氧化碳，当它们大量排放到大气中，就会使地球变暖。相反，藻类和光合细菌在生长的过程中又会吸收二氧化碳，使大气变冷。 当海洋微生物死去，它们之中蕴藏的碳会沉入海底。就是这一层层逐渐积累的微生物遗体，在数百万年的时间里让地球温度稳定下降。更重要的是，死去的微生物会变成岩石——位于英国多佛的白崖之所以拥有它神奇的颜色，正是尾藻这种单细胞生物的白色外壳大量沉积的结果。  每天死于病毒袭击的细菌多达数万亿，这导致每天会有10亿吨的碳元素被释放出来。这些重获自由的碳有时候会起到养料的作用，哺育其他的微生物；还有一些就沉入了海底。细胞内的分子是有黏性的，所以一旦病毒把它们的宿主爆开，这些有黏性的分子就释放出来，裹挟住更多的碳分子，如同巨大的雪暴，纷纷落入海底。 世界上之所以有这么多氧气，也可能和基因通过病毒的传递有关。海洋聚球藻是一种在海洋中含量非常丰富的细菌，它们包揽了全球约1/4的光合作用。科学家仔细分析了海洋聚球藻样本中的DNA，从中发现了捕捉光子的蛋白编码基因，而这种蛋白基因正来自病毒。科学家甚至也在海里找到了携带光合作用基因的自由漂浮病毒，这些病毒正在等待遇到新的宿主。粗略估算，地球上10%的光合作用都是病毒基因开展的。也就是说，你每呼吸十次，就有一口氧气是海洋病毒惠予的。 今天的海洋生物学家都在担忧大气中二氧化碳含量的提高和海洋的变暖。而我们自身的行为正在加剧地球气候变化的异常。假如我们破坏环境的行为不加收敛，海洋生态系统自我运行的机制被打破，病毒还对我们有益吗？更何况，我们对海洋病毒知之甚少…… 我们对海洋病毒的影响还了解甚少…… 海洋病毒的惊人之处不仅在于它们的数量，还在于它们的遗传多样性。人类的基因和鲨鱼的基因非常相似——科学家甚至可以在鲨鱼基因组中找到与人类基因组中大多数基因相对应的基因。然而，海洋病毒的基因与人的基因之间几乎没有任何相似性。在对北冰洋、墨西哥湾、百慕大和北太平洋的病毒进行的调查中，科学家发现了180万个病毒基因，其中只有10%的基因能与微生物、动物、植物或其他生物（甚至包括病毒）的基因相对应。其他90%的基因都是全然陌生的。从200升海水中，科学家一般可以找到5000种遗传背景完全不同的病毒，而在1000克海洋沉积物中，病毒的种类可能达到100万种。 尽管海洋病毒数量惊人，但科学家对海洋病毒的种类仍知之甚少。2015年，一个研究小组记录了海洋中5476种不同类型的病毒，到了2016年，同一个研究小组将其数量更新为15222个；但在2019年4月发表在《细胞》杂志上的一项研究中，这个数字猛增到195,728个不同的病毒种群，增加了12倍多。大约40% 的新病毒种群来自北极地区，并且，研究人员推断存在着五个“群落级别”的海洋病毒群，它们根据温度和深度分布在不同的海洋生态区，包括北极、南极、温带和热带表面、温带和热带次表面以及深海。  造成如此丰富的多样性的其中一个原因是海洋病毒可以感染的宿主数量庞大。每种病毒都必须演化出新的性状，才能有效穿过宿主的防线。当宿主细胞制造新病毒时，它有时会意外地加入一些自己的基因。这些新病毒就成了这些基因的载体，它们带着这些来自宿主的基因在漫漫海洋中畅游。当病毒插入新宿主的基因组，旧宿主给它们的这段基因也就插入了新宿主的基因组。宿主的成功也意味着病毒的成功。虽然有的病毒会要了霍乱弧菌的命，但有的病毒却给细菌提供了释放毒素的基因，人感染霍乱之后，正是这些毒素引起了腹泻。这些带有毒素基因的病毒可能就是新霍乱流行的始作俑者。 海洋病毒基因多样性数据库之所以极速更新，也许缘于我们对海洋病毒关注度的提高，但是科学家们也承认，目前世界各国对海洋中的病毒生态学研究开展深度、广度不足，对病毒的分布区域、致病率、对人类的影响都知之甚少。 涉及海洋相关的科学本身都是高度交叉的学科，我国当前生态环境问题的复杂性几乎涵盖了社会经济各领域。海洋各类科学研究应围绕生态环境与资源领域涉及国家安全、环境风险、生态安全、公共卫生等重大主题，凝聚相关学科形成跨学科、跨专业的研究团队，跨学科解决重大问题的协同与赋能，提高海洋生态研究的国际对话能力与影响力，使海洋科学研究惠及于民。 [参考文献] 向上滑动查看 1.Researchers just discovered more than 5,000 new viruses in the ocean. https://www.google.com/amp/s/amp.businessinsider.com/researchers-just-discovered-5000-new-viruses-in-the-ocean-2015-7 2.An Ocean of Viruses. https://www.google.com/amp/s/www.the-scientist.com/features/an-ocean-of-viruses-39112/amp 3.Ocean ultra-ecology. https://news./13365/Ocean-ultra-ecology/ 4.Scientists Discover Nearly 200,000 Kinds of Ocean Viruses. https://www./scientists-discover-nearly-200000-kinds-of-ocean-viruses-20190425/ 5.New type of virus found in the ocean. http://news./2018/new-type-virus-found-ocean-0124 6. Marine Viruses: Key Players in Marine Ecosystems. https://www.ncbi.nlm./pmc/articles/PMC5691653/ 7.《瀛海探径：汪品先科学人文随笔》。作者：汪品先。出版社：上海教育出版社， |
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来自： 袁承志dtau70na > 《瘟疫病毒》
