人類(lèi)首次發(fā)現(xiàn)專(zhuān)吃病毒的微生物

羅丁豪

病毒體型微小，但無(wú)處不在。據(jù)估算，世界上病毒的數(shù)目大約是1031，比宇宙中的恒星總數(shù)還要多1億倍，總重量則與250億人的體重相當(dāng)。幾乎所有的物種，都會(huì)被病毒感染。但奇怪的是，病毒似乎處于食物鏈之外——病毒只顧著感染并蠶食生物，卻不會(huì)被生物當(dāng)成食物。因此，生物學(xué)家一直在尋找噬食病毒的生物。最近，他們終于在兩類(lèi)原生生物的體內(nèi)，找到了它們食用病毒的證據(jù)。

尋找“噬病毒體”

要找到食用病毒的生物，沒(méi)那么簡(jiǎn)單。此前，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)一些原生生物體內(nèi)有病毒的DNA，因此懷疑它們有可能吃下了病毒。但美國(guó)畢格羅海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Bigelow Laboratory for Ocean Sciences）的拉穆納斯·斯特潘納烏斯卡斯（Ramunas Stepanauskas）研究員認(rèn)為，這些實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的原生生物并不能代表自然界中的情況。為了了解在自然情況下原生生物是否真的以病毒為食，斯特潘納烏斯卡斯的團(tuán)隊(duì)決定前往海岸，搜集海洋浮游生物的信息。

左：聚胞動(dòng)物;右：皮膽蟲(chóng)

海洋浮游生物是一類(lèi)具有進(jìn)化和功能多樣性的單細(xì)胞真核生物。含葉綠素的原生生物對(duì)整體碳固定有顯著貢獻(xiàn)，而不含葉綠素的異養(yǎng)生物和質(zhì)體混合營(yíng)養(yǎng)菌被認(rèn)為是原核生物和原生生物的重要捕食者。由于它們體型微小，種類(lèi)繁多，其對(duì)生物地球化學(xué)循環(huán)的影響仍然知之甚少。

他們?cè)诿绹?guó)緬因州的海灣和地中海里總共采集了上千個(gè)樣本，并對(duì)這些樣本進(jìn)行了單細(xì)胞基因組（single-cell genomics）分析。發(fā)現(xiàn)這些原生生物來(lái)自十多個(gè)不同的門(mén)。其中，有兩類(lèi)原生生物皮膽蟲(chóng)（picozoan）和聚胞動(dòng)物（choanozoan）的樣本中，每一個(gè)個(gè)體都含有病毒DNA，相比之下細(xì)菌的DNA卻很少。這暗示這類(lèi)原生生物是單獨(dú)攝取了病毒，而不是攝食被病毒感染的細(xì)菌而獲得這些DNA的。

雖然都是浮游原生生物，但這兩類(lèi)生物之間的親緣關(guān)系比樹(shù)木和人類(lèi)之間的親緣關(guān)系還要遠(yuǎn)，因此病毒是不可能同時(shí)感染這兩類(lèi)生物的所有個(gè)體的。這說(shuō)明這兩類(lèi)生物極有可能以病毒為食。

雖然有些原生生物可能以細(xì)菌為食，而噬菌體（以細(xì)菌為宿主的病毒）會(huì)寄生在細(xì)菌中，從而一起成為原生生物的晚餐，但是皮膽蟲(chóng)和聚胞動(dòng)物樣本中只有大量病毒DNA，卻很少出現(xiàn)細(xì)菌DNA，這足以排除“搭便車(chē)”的可能性。

并且，皮膽蟲(chóng)長(zhǎng)度僅3微米，細(xì)菌的大小則為0.5到5微米，皮膽蟲(chóng)的進(jìn)食“器官”根本不足以吞噬細(xì)菌，吃下病毒倒是綽綽有余。

研究團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，加上實(shí)驗(yàn)室研究，我們終于有證據(jù)證明，噬食病毒的原生生物的確存在。團(tuán)隊(duì)的分析結(jié)果于9月24日發(fā)表在《微生物學(xué)前沿》（Frontiers in Microbiology）期刊上。

不論是對(duì)于皮膽蟲(chóng)還是聚胞動(dòng)物研究來(lái)說(shuō)，這都是激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)。一方面，聚胞動(dòng)物長(zhǎng)3到10微米，是動(dòng)物和真菌的近親，與海綿的鞭毛細(xì)胞（choanocyte）有著驚人的相似之處。而皮膽蟲(chóng)自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，科學(xué)家都未弄清皮膽蟲(chóng)究竟吃什么，畢竟它們的“嘴”連細(xì)菌都吃不下。

“病毒含有豐富的磷和氮，或許能給皮膽蟲(chóng)和聚胞動(dòng)物的伙食增添一些重要的營(yíng)養(yǎng)元素?！碑吀窳_海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的生物信息學(xué)家朱莉婭·布朗（Julia Brown）指出。既然病毒不只消滅其他生物，還會(huì)反被其他生物消滅，在食物鏈中缺少的那一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如今也能補(bǔ)上了。

“病毒穿梭模型”的簡(jiǎn)化圖

填補(bǔ)生態(tài)圈空缺

對(duì)于生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究可能解決了一個(gè)重要問(wèn)題：原生生物能直接調(diào)控病毒的數(shù)量。此前，最常用于解釋海洋中病毒的角色的模型是“病毒分流模型”（viral shunt model）。這類(lèi)簡(jiǎn)單的病毒-宿主-捕食者（virus-host-consumer）模型最后會(huì)導(dǎo)致病毒和微生物之間激烈的資源競(jìng)爭(zhēng)，從而導(dǎo)致其中一方的勝利和另一方的消失。而這次發(fā)現(xiàn)的原生生物能直接噬食病毒的證據(jù)，實(shí)際上穩(wěn)定了這三者之間的交互，維持了平衡。

這個(gè)最新發(fā)現(xiàn)則支持了“病毒穿梭模型”（viral shuttle model）。在這個(gè)模型中，病毒既將其宿主裂解成溶解有機(jī)物，送至食物鏈底端，又被小型浮游生物（例如皮膽蟲(chóng)和聚胞動(dòng)物）食用，將自身包含的有機(jī)物送至食物鏈上端。

現(xiàn)在我們總算知道，就連“感染一切”的病毒，也會(huì)淪為小小單細(xì)胞生物的晚餐，在大自然的動(dòng)態(tài)平衡中，沒(méi)有誰(shuí)可以成為漏網(wǎng)之魚(yú)。而這項(xiàng)“改寫(xiě)生物書(shū)”的發(fā)現(xiàn)，或許能為海洋生態(tài)研究帶來(lái)全新的思考方式。而我自己的第一想法是能不能用來(lái)制作抗病毒的藥劑呢？

（本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“把科學(xué)帶回家”微信公眾號(hào)，有刪節(jié)）