虫洞时光机

病毒引起的原核生物死亡

上面提到，在深海沉积物中和沉积物与海水交界层上，超过99%的原核生物病毒感染都是由裂解性（lytic）的，而这种类型的感染最终将导致寄主死亡。如何对这一感染—死亡过程进行分析呢？

首先，让我们来看看病毒的丰度和生产量，与原核生物的丰度和异养生产量之间的关系。沉积物中病毒的丰度与生产量随深度变化不大，即使把经纬度和取样时间考虑进去也是如此。但是，病毒和原核生物丰度在很大范围的水深条件和环境条件下呈共变关系。同时，病毒生产量和原核生物异养生产量呈非常明显的正相关。这表明，病毒复制对宿主丰度和新陈代谢具有依赖性，也表明与深度不相关观察结果不是由于研究方法造成的人为结果。因此，证实了这样一种新观点：深海海底生态系统远比先前想的有活力得多，而且深海极端的条件对病毒的发展并无不利影响。

接下来，我们来估计一下沉积物中病毒对原核生物生产量的影响。每克沉积物中每小时被病毒感染致死的原核生物数量以病毒生产量和原核细胞（噬菌体）裂解量之间的比例来计算。病毒生产量即每克沉积物中每小时产生的病毒数量；裂解量即受感染原核生物细胞裂解时释放的病毒数量。裂解量通过三种独立的方法进行估计：（1）时程实验。将原核细胞感染死亡数除以病毒丰度随时间的增量；（2）利用文献资料，对细胞生物容积（biovolume）和裂解量进行回归分析；（3）同透射电子显微镜直接计算原核细胞中的噬菌体数量。病毒感染的原核细胞死亡率由每小时死亡的原核细胞数除以每小时产生的总原核细胞数得到，以百分比表示。

用时程实验的平均裂解量（45），我们可以计算出病毒消耗掉了全球深海沉积物中原核异养生物总生产力的80%。这还是比较保守的估计，有的方法甚至估计这一比例达到90%或以上。病毒诱导的原核生物的死亡率随着水深的增加，从海岸沉积物中的16%±3%（n = 11），到中深海区沉积物（160-1000 m水深，n = 41）中的64%±3%，到1000 m水深以下底层沉积物中的89%±2%（n = 67）。

这些研究结果表明，病毒是世界范围内深海沉积物中原核生物主要的致死原因，并导致大部分原核生物碳生产量分流成为有机残渣。这一发现让我们对深海生态系统中食物网和生物地球化学过程的了解更进了一步。病毒杀死了大量原核生物，阻止了深海沉积物中大部分微生物生物质向高营养级的输送。这些研究结果也有助于解释深海生态系统悖论：尽管有着严峻的食物限制，大部分的原核生物生物质却没有被深海生物利用。

生态系统的角度

事实上，原核生物在这场游戏中可能并不仅仅只是一个受害者的角色。我们知道，大部分深海中有机资源的总量很低（有机碳浓度比海岸系统中低10—20倍），大部分由难溶化合物组成，是原核生物新陈代谢和周转的一个限制因子。实验结果表明，深海沉积物中原核生物裂解释放的碳与原核生物更新率（turnover）之间具有明显的相关关系。

说到这里，我们不得不提到“病毒分流”（viral shunt）的概念，见图2。

图2 病毒促进海洋生物化学循环。通过裂解作用，病毒将浮游生物到更高营养级的碳流动截断，使这部分碳分流到溶解的和颗粒的有机质（D-P-OM, dissolved and particulate organic matter）库中。（Curtis. A. Suttle, 2005）

由此我们可以推测，较强的病毒分流作用与较高的原核生物生长率有关。一方面，病毒杀死了沉积物里一大部分的原核生物，降低了对可用资源的竞争；另一方面，裂解作用释放出的易分解的营养物质可以被未感染的原核生物高效利用，从而解释了为何在资源缺乏的深海生态系统中存在着较快的原核生物更新速率。用本文主要作者Roberto Danovaro的话来说，病毒提供了一种可以追溯到地球生命起源时期的种群控制方式，“病毒在杀死这些微生物的同时也促进了它们的生长，这几乎可以说是一种自给自足的机制。”

据估计，每年这一“病毒分流”能向大洋海底释放出最多达6.3亿吨（0.63 Gt）的碳。为了理解这一数量是怎样一个概念，我们不妨来看看图3。

图3 病毒能影响生物泵的效率。 病毒能够将浮游生物细胞裂解成颗粒有机碳（POC）和溶解有机碳（DOC），这一过程导致从表层下沉到深海的碳量减少。碳保留在表层海水中，被光氧化作用和呼吸作用利用，与大气中的碳保持化学上的平衡。而如果没有病毒作用，POC“输入”到深海的话，大气中CO2的积累速率将会加快。（Curtis. A. Suttle, 2005）

由图3可见，深海沉积物中的病毒分流所释放的碳，在整个碳循环中不容小视。保守估计，病毒分流作用供应的有机碳占到了海底原核生物代谢总量的35%左右，促进了原核生物的更新率以及其他关键物质如氮、磷的循环。Roberto Danovaro说，几年前科学家们还在假设深海生态系统一成不变，没有流动，而现在我们已经知道，大量的物质和沉积物能够在短短几天内就从深海被带到上层海水中。考虑到深海海底沉积物生态系统的生物化学过程是在全球范围内发挥作用，这一结果表明：深海病毒分流作用应该是包括在全球碳，氮，磷循环和营养流动模型中的一个关键步骤。

因此，我们的结论是：病毒感染在这一生物圈中最广阔的生态系统里发挥着重要的作用，这些作用包括控制原核生物生物量（自上而下，掠食控制）、促进原核生物代谢速率以及加速生物化学过程。

事实上，近期发表的另一项研究指出，在对深海热液口的调查中发现，那里的大多数病毒都不是裂解性的，而是另一种极少引起宿主裂解的类型。所以，还是那句话，从某一系统中发生的现象得出的结论并不能用来总结其他环境，不同海洋系统中的现象。要想知道整个深海沉积物生态系统到底是如何运行的，我们还有很长的路要走。

参考文献：

1. Danovaro, R. et al. Major viral impact on the functioning of benthic deep-sea ecosystems. Nature 454, 1084-1087 (28 August 2008)

2. Heidi Ledford. Death and life beneath the sea floor. Nature 454, 1038 (28 August 2008)

3. Curtic A. Suttle. Viruses in the sea. Nature 437, 356-360 (15 Setember 2005)

4. Curtis A. Suttle. Marine viruses — major players in the global ecosystem. Nature Reviews 5, 801-809 (October 2007)

2008年8月28日出版的这期nature杂志封面讲述了深海海底正在进行着的故事：病毒与细菌争斗着，为其他细菌提供了食物。印象中贫瘠、荒凉的大洋海底，从另一个角度来却显得生机勃勃：病毒、细菌和古细菌是这里的常住居民，各种奇异的深海动物则飘忽不定，过着有这顿没下顿，吃多少算多少的生活。遗憾的是，到目前为止，我们对这个占地球表面65%的深海海底沉积物生态系统中正在发生的一切所知寥寥。不过，通过对232份深海沉积物样品分析，得出有关病毒和原核生物之间的恩怨关系，或许可以为我们了解该生态系统在全球生物量生产和地球化学循环中扮演的角色提供一些线索。

海洋病毒简介

病毒，作为最简单的生命形式，在我们这个星球上无处不在。它们是众多疾病的罪魁祸首，它是最多样的基因库，还是地球化学循环中重要的推动力量。病毒广泛存在于海水中，在世界范围内任何深度的海，上至大陆架，下至深不可测的海底，数量都是惊人的。科学家估计，在体积约为1.3×1021 l的海水中，病毒平均含量约为3×109 个/l，总数量约为4×1030。如此庞大的数量，使得病毒成为海洋中数量最多的生物体（超过原核生物种类至少一个数量级），同时它们还是仅次于原核生物的第二大生物量组分。

图1 原核生物，原生动物，病毒的生物量和丰度对比图。病毒是海洋中丰度最高的生物群体，包含了将近94%的含核酸粒子（nuclei-acid-containing particles），但由于体型太过微小，病毒的生物量只占了约5%。相比之下，原核生物尽管含核酸粒子的数量不到10%，生物量却超过了90%。而原生动物，其生物量总的来讲很可能比病毒还少。（Curtis. A. Suttle, 2007）

海洋中的病毒，一部分源于人类活动的有意或者无意排放，这些病毒通常是暂时存在的；另一部分是长期生活在海洋中，或漂浮或寄生，成为海洋生态系统中不可缺少的一部分。海洋病毒的存在方式包括游离浮游、吸附于无机或有机颗粒、海洋生物非感染性携带、海洋生物急性或慢性感染和海洋生物溶源性感染。其中游离在海洋中的病毒在海洋中广泛分布，含量极其丰富。主要种类包括大量的噬菌体和藻类病毒。细菌病毒，即噬菌体（Bacteriophages），广泛存在于海洋环境中，海洋中的细菌、蓝细菌及真核类微生物都发现有它的噬菌体，因此，噬菌体对细菌群落、类型和数量等的变化产生重要的影响。藻类病毒最早是在蓝藻中报道的。根据其形态、结构、生化性质和感染情况的不同分为噬藻体（cyanophage）和藻病毒（phycovirus）。Suttle.C.A.使用先进的技术发现噬藻体在海水中异常丰富，其浓度常常超过104~105个/ml。Van Etten,J.L.等指出，目前已在40多个类群的真核藻类中发现了病毒或VLPs（Virus-like particle），它们分布于已知的14个纲中的11个纲，而仅Euglenphyceae，Bacillariophyceae和Tribophyceae 3个纲中尚未报道发现病毒。

    海洋病毒广泛存在于海洋各个角落，但其分布并非无迹可寻。有研究结果显示深海中约含病毒3*106 个/ml，沿岸水域约含108 个/ml。Cochlan，W.P.的研究表明，海水表层中的病毒的数量相对较大，随深度的增加，丰度逐渐减小，在接近海底的水层中病毒数量又有所回升，其密度可达到106~109个病毒颗粒/ml；沿岸水中的病毒丰度高于外海。Alice C.O.指出，除了深海热泉区以外，低温、低有机物含量、低原核生物增长率使得深海病毒的生产力低下。

深海沉积物生态系统中的病毒

让我们的目光转回海底沉积物生态系统，这是我们要重点关注的地方。有关这一生态系统中的病毒数据，来自最近的一系列调查。据本文所述，世界范围内任何深度的海底表面沉积物（表层1 cm）中，病毒的丰度都十分惊人。从大陆架到大洋深海底，病毒丰度范围是0.10—3.53×109 g-1，平均值1.96×109 g-1（相当于0.83—28.2×1012viruses m-2，平均值7.65±0.32×1012 viruses m-2）这与其他报道中提到的沿岸地带沉积物中的病毒丰度大致相当。

如此高的病毒丰度可能可归因于吸附在下沉颗粒上的浮游病毒的供给，以及（或者）较高的原位病毒生产率。研究发现，与沉淀颗粒一起向下流动的病毒数量极低，而通过多种独立而各自不同的方法进行的直接测算结果则表明：深海沉积物中的病毒生产率一直都处在较高的水平，而且病毒是原位（in situ）产生的。

更进一步的实验结果显示，绝大多数（＞99%）的原核生物病毒感染都是裂解性的，因此可以推断，深海病毒不仅具有杀死受感染原核生物的能力，而且对此还相当活跃。在这个实验中，我们还要考虑到，静水压力的变化能导致原核生物的生理学状态改变，从而潜在地影响病毒生产率的测定。在原位条件下、减压条件下和再增压条件下对深海沉积物中的病毒和原核微生物的分析证明，深海取样再恢复不会对生产率产生明显的影响，由此可以得出高病毒生产率并非人为操作导致的结果。

这样看来，病毒在深海海底沉积物中扮演着一个相当重要的角色，是深海生态系统中一个具有高度活力的组成部分，其在深海沉积物生态系统中快速的再生率（viral turnover）与在高生产力的水体生态系统中的相当，甚至更快。

深海沉积物生态系统中的原核生物

在近几十年来，对深海沉积物中的微生物的研究随着钻探技术的改进和分析方法的成熟，逐渐成为一大热点。但与深海病毒一样，我们对沉积物中原核生物的自然组成、状态和与其他生物的相互作用等都所知寥寥。在此前一期（2008.8.21）的nature杂志上，一项研究称，我们长久以来认为的细菌在沉积物生物圈中占主体的观点是值得商榷的。

近年来对来，对自海床到下面深层沉积物样品所做的研究工作，显示了一个以前隐藏的、巨大的深层微生物细胞生物圈。钻探考察的结果表明，这种生态系统包含一个相当多样化的细菌（Bacteria）和古细菌（Archaea）种群——看起来跟细菌很相似的一种截然不同的原核生物。两组微生物中哪一组居支配地位却一直是一个非常有争议的话题。在之前的大洋海底调查中，科学家们发现大量的细菌，而古细菌只占了一小部分。后来发现，部分实验采用的方法是有偏差的：有些是采用基于DNA萃取和染色的方法，但与细菌比起来，古细菌的细胞膜几乎不能被穿透，从而导致一边倒的结果；同样，有些方法通过标记细胞膜上一个重要的特征脂肪酸来进行鉴定。当细胞死亡之后，这种脂肪酸会很快降解，因而成为鉴定活细胞的绝佳标记，但问题是，许多古细菌并没有这种特殊的蛋白质。德国科学家Kai-Uwe Hinrichs及同事们采用了新的改进方法，他们将从超过1 m深的沉积物里采集到的细胞放在液氮里研磨以使细胞膜松散，之后，他们测定了另一种在细菌和古细菌中都常见的脂质。分析表明：在这个生态系统中居支配地位的是古细菌，而不是细菌。根据这项工作，研究人员还对该生物圈的大小做出了估计：其大小约为900亿吨。这个估计值与根据其他数据所做估计是一致的，基本上相当于全球植物生物质总量的 1/5。

当然，从少数研究地点得出的结论不能用来总结整个大洋海底沉积物生态系统的情况。如果想要对海床以下的生物圈有更清晰的了解，我们还需要更先进的技术手段和方法。用Hinrichs的话来说，“我们是在跟极其微弱的信号打交道，但我们所有的方法在能力上都有限制”。