海洋，病毒之家

研究人员带着塔拉号进行了一次海上考察。来源:细胞出版社

这是我们的记者冯唐

你能想象每一勺海水都充满了数百万种病毒吗？

蓝海不仅是鲸鱼、海龟、水母、甚至细菌和其他生物的家园，也是无数病毒的家园。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，如鲸鱼、甲壳类动物和细菌。

最近，一个国际研究小组完成了首次全球海洋病毒生态多样性调查。他们鉴定了近20万种海洋病毒——这个数字远远超过了以前的结果——并从培养的病毒中获得了大约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。这项研究的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‘基本资源’类型的论文，其他研究人员可以在此基础上探索和发现，并可以立即将上下文整合到全球数据集。”《通讯》的作者、俄亥俄州立大学微生物学家马修·沙利文告诉《中国科学》。

该论文的合著者之一、俄亥俄州立大学的研究生艾哈迈德·扎耶德(Ahmed Zayed)也表示，绘制病毒生物多样性的地图可以更准确地描述海洋中正在发生的事情，让研究人员能够更好地预测海洋的未来。

“惊喜”结果

从2009年到2013年，研究人员在一艘名为塔拉的帆船上进行了一次海洋考察，从全球近80个地方采集海水样本，从海面到4000米深不等。

这项工作是两个更大项目的一部分，塔拉海洋和马拉斯皮纳。这两个项目旨在研究地球海洋中的二氧化碳和气候变化。在执行这些任务之前，已经发现了15，000种海洋病毒。

沙利文提到，病毒是一种看不见的微小东西，但由于其数量巨大，它确实非常重要。"我们的发现有许多令人惊讶之处。"他说。

近20万种海洋病毒的存在是沙利文的“惊喜”之一。扎耶德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)。此外，总体群落分析表明，该病毒在整个海洋中可分为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是出乎意料的。

该研究还评估了病毒的纬度和深度多样性梯度。结果表明，尽管大型生物的物种多样性在赤道附近最高，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”位于温带和热带地表水以及北冰洋，这是一个地理上和政治上难以接近的地区，也是受气候变化影响最大的地区之一。

在北极的夏天，许多微生物变得活跃，这些微生物是病毒的宿主。然而，沙利文说，为什么它成为病毒多样性的热点仍然是一个未解决的问题。

病毒图

“值得注意的是，这项研究已经创建了这些群体中变异的第一张地图，可用于更好地研究自然系统中病毒的进化和物种形成，并揭示生物之间的相互作用可能产生的影响。”沙利文告诉《中国科学》。

病毒生态学必须首先绘制“谁在那里”的地图。沙利文提到，这是一个相当大的挑战，因为大多数病毒无法培养，也没有所有病毒共有的基因，即人们没有用于多样性研究的“条形码基因”。

在这里，研究人员使用宏基因组学对社区的DNA进行测序，并试图将这些基因组再次拼接在一起。“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水的能力。”沙利文说。

了解海洋微生物如何影响地球大气层具有重要意义。在过去的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一半二氧化碳。

由于复杂的化学作用，地表二氧化碳含量的增加使海洋酸化。然而，如果二氧化碳被转化为有机碳和生物量，它将变成细小的颗粒并沉入深海。先前的分析发现，海洋病毒可以帮助将表层海水中的碳带到深海，并将其与大气隔离开来。

尽管用这种方式设计海洋可能很可怕，沙利文说，“我们需要认真考虑有效的方法来防止迫在眉睫的气候问题。”

每一步都充满挑战。

“这条道路的每一步都充满了挑战，包括实地考察和海洋采样。”沙利文说，这项研究是塔拉全球海洋调查的一部分，所有样本都是由项目组根据海洋学特征和航行限制设计的。

在目前的工作中，一个科学家轮换小组负责从船上不同地理区域的不同深度收集海水样本。收集的样本经过过滤后返回到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，还研究了包括大型真核生物在内的其他微生物。沙利文说:“在过滤样本后，我们分析了从病毒到鱼卵的许多生物。我们还在北极采集了大量样本，这在以前的海洋生物研究中并不常见。”

加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学的海洋病毒学家柯蒂斯·萨特尔说，在海洋中发现的病毒群落表明人们对它们知之甚少。他补充说，尽管研究人员现在有大量的海洋病毒数据，但仍有许多地区没有取样，如西印度洋和东太平洋的大部分地区。

其他研究人员希望有更多的数据来丰富世界海洋病毒多样性的话题。俄勒冈州立大学的微生物学家丽贝卡·维加·瑟伯(Rebecca Vega Thurber)表示，该项目团队在6个月内对北极水域的一小块区域进行了重复取样，而对其他区域的样本则是一次性取样。她说北极是多样性的热点，这是值得注意的，但重复取样也可能在其他地方发现更大的多样性。

然而，维加·瑟伯认为沙利文和其他人正在“创造一部百科全书，我们需要它来理解我们正在研究的东西”。

扎耶德和其他人表示，对海洋病毒的分布和数量有更全面的了解，将有助于他们决定在未来的研究中应该关注哪些病毒。此外，新地图还为未来的其他采集工作建立了一个基线，有助于解释微生物水平如何随着时间的推移而变化，以应对季节性和气候变化。

“我们有许多后续论文以其他方式研究这个数据集...这是一个游乐场！”沙利文说。

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

《中国科学日报》(2019-04-29第三版国际版)