《PNAS》首次發(fā)現(xiàn)，一種專吃病毒為生的微生物

市場動態(tài) | 2022-12-29

摘要：內(nèi)布拉斯加-林肯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，微小的纖毛蟲可以吃掉大量與它們共享水生棲息地的傳染性氯病毒，這是一個值得《吃豆人》的轉(zhuǎn)折。該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)還首次表明，只含病毒的飲食(該團(tuán)隊(duì)稱之為“病毒性”)足以促進(jìn)生物體的生理生長，甚至種群增長。

在一天之內(nèi)，在一個池塘平靜的水中，一百萬個病毒顆粒可能會進(jìn)入一個以微小毛發(fā)或纖毛而聞名的單細(xì)胞生物，這些毛發(fā)或纖毛推動它通過這些水域。在過去的三年里，內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的John DeLong一直忙于發(fā)現(xiàn)一個潛在的扭轉(zhuǎn)潮流的秘密:這些病毒顆粒不僅是感染源，也是營養(yǎng)來源。

DeLong和他的同事們發(fā)現(xiàn)了一種Halteria，一種生活在世界各地淡水中的微小纖毛蟲，可以吞食大量與它們共享水生棲息地的傳染性氯病毒。該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)還首次表明，只含病毒的飲食(該團(tuán)隊(duì)稱之為“virovory”)足以促進(jìn)生物體的生理生長，甚至種群增長。

氯病毒（Chloroviruses)是內(nèi)布拉斯加州的James Van Etten的一項(xiàng)事業(yè)定義性發(fā)現(xiàn)，已知它可以感染微觀綠藻。最終，入侵的氯病毒像氣球一樣擊破了它們的單細(xì)胞宿主，將碳和其他維持生命的元素泄漏到開放水域。這些碳本可以被這些微小生物的捕食者吃掉，卻被其他微生物吸走了——這是一個微小的、似乎是永久的、殘酷的循環(huán)程序。

內(nèi)布拉斯加州生物科學(xué)副教授DeLong說:“這真的只是把碳留在這種微生物湯層中，防止食草動物把能量帶到食物鏈上?！?/div>

但如果纖毛蟲把這些病毒當(dāng)作晚餐，那么病毒性可能會抵消已知的病毒延續(xù)的碳循環(huán)。DeLong說，有可能是病毒性正在幫助和教唆性碳從食物鏈的糟粕中逃脫，從而使其具有病毒所抑制的向上流動性。

“如果你粗略估計(jì)有多少病毒，有多少纖毛蟲和有多少水，就會得出大量的能量運(yùn)動(在食物鏈上)，”DeLong說，他估計(jì)一個小池塘里的纖毛蟲每天可能會吃掉10萬億病毒?！叭绻@種情況以我們認(rèn)為的規(guī)模發(fā)生，它應(yīng)該完全改變我們對全球碳循環(huán)的看法。”

DeLong已經(jīng)熟悉了氯病毒在食物網(wǎng)中纏繞自己的方式。2016年，這位生態(tài)學(xué)家與范·埃頓和病毒學(xué)家大衛(wèi)·杜尼根合作，證明了氯病毒只有在微小的甲殼類動物吃掉草履蟲并排出新暴露的藻類時，才會接觸到藻類，而藻類通常被包圍在一種名為草履蟲的纖毛蟲屬中。

這一發(fā)現(xiàn)讓DeLong在思考和研究病毒時處于“不同的思維空間”。考慮到水中病毒和微生物的絕對豐富，他認(rèn)為即使不考慮感染，前者有時也會進(jìn)入后者是不可避免的。

他說:“很明顯，任何東西都必須一直在他們的嘴里攜帶病毒。這似乎是必然發(fā)生的，因?yàn)樗镉羞@么多。”

因此，DeLong深入研究了研究文獻(xiàn)，試圖找出任何關(guān)于水生生物吃病毒的研究，以及它們吃病毒時發(fā)生了什么。他幾乎一無所有。20世紀(jì)80年代的一項(xiàng)研究報(bào)告稱，單細(xì)胞原生生物有能力消耗病毒，但沒有進(jìn)一步研究。后來來自瑞士的幾篇論文表明，原生生物似乎在清除廢水中的病毒。

對微生物本身的潛在后果一無所知，更不用說它們所屬的食物網(wǎng)或生態(tài)系統(tǒng)了。這讓DeLong感到驚訝，因?yàn)樗啦《静粌H是建立在碳上的，也是建立在生命的其他基本元素基礎(chǔ)上的。至少在理論上，它們絕不是垃圾食品。

“它們是由非常好的物質(zhì)組成的:核酸，大量的氮和磷，”他說。“所有的動物都應(yīng)該想吃它們。很多東西能抓到什么就吃什么?？隙ㄓ腥藢W(xué)會了如何吃這些真正好的原材料?！?/div>

作為一名生態(tài)學(xué)家，DeLong花了大量時間用數(shù)學(xué)來描述捕食者-被捕食者的動態(tài)，他不完全確定如何著手調(diào)查他的假設(shè)。最終，他決定保持簡單。首先，他需要一些志愿者。他開車到附近的一個池塘采集了水樣?；氐綄?shí)驗(yàn)室，他把所有他能控制的微生物，無論哪種，都集中到水滴中。最后，他加入了大量的氯病毒。

24小時后，DeLong會在水滴中尋找任何物種似乎喜歡與氯病毒在一起的跡象——甚至有一個物種把這種病毒視為零食而不是威脅。在哈爾特里亞，他找到了。

“起初，這只是一個暗示，它們有更多的纖毛蟲，”DeLong談到纖毛蟲時說?！暗髞硭鼈冏銐虼罅耍铱梢杂靡埔浩鞯募舛俗テ鹨恍阉鼈兎旁诟蓛舻囊旱沃?，然后就能數(shù)出來了?！?/div>

Halteria和草履蟲在2天內(nèi)將斑塊單位密度降低了兩倍至兩個數(shù)量級

圖1 Halteria（A）和草履蟲（B）在2天內(nèi)將斑塊單位密度降低了兩倍至兩個數(shù)量級（圖源：[1]）

在短短兩天內(nèi)，氯病毒的數(shù)量銳減了100倍。Halteria的數(shù)量，除了病毒沒有什么可吃的，在同一時間內(nèi)平均增長了大約15倍。與此同時，被剝奪了氯病毒的Halteria根本沒有生長。

為了確認(rèn)Halteria實(shí)際上是在消耗這種病毒，研究小組在將病毒引入纖毛蟲之前，用熒光綠色染料標(biāo)記了一些氯病毒DNA。果不其然，纖毛蟲的胃——它的液泡——很快就發(fā)出了綠色的光。

這是毫無疑問的:纖毛蟲正在吞食病毒。這種病毒維持著它們。

“我打電話給我的合著者:‘它們長大了!我們做到了!’”DeLong談到這一研究結(jié)果時說，該研究結(jié)果的詳細(xì)內(nèi)容已發(fā)表在《PNAS》上。“我很高興能第一次看到如此基本的東西?！?/div>

圖2 研究發(fā)現(xiàn)Halteria可以吞食大量與它們共享水生棲息地的傳染性氯病毒（圖源：[1]）

DeLong還沒有說完。他數(shù)學(xué)的一面想知道，這種特殊的捕食者-被捕食者的動態(tài)，雖然看起來很奇怪，但是否與他習(xí)慣研究的更普通的配對有共同點(diǎn)。

他首先繪制了氯病毒的衰退與Halteria的增長之間的關(guān)系。DeLong發(fā)現(xiàn)，這種關(guān)系基本上符合生態(tài)學(xué)家在其他微觀獵人和他們的獵物之間觀察到的關(guān)系。Halteria還將大約17%的消耗的氯病毒質(zhì)量轉(zhuǎn)化為自己的新質(zhì)量，與草履蟲吃細(xì)菌和毫米長的甲殼類動物吃藻類時看到的百分比一致。就連纖毛蟲捕食病毒的速度，以及它們大小上大約1萬倍的差異，都與其他水生案例研究相吻合。

DeLong說:“我有動力去確定這是否奇怪，或者它是否合適。這并不奇怪。只是沒有人注意到?！?/div>

DeLong和他的同事們后來發(fā)現(xiàn)了其他纖毛蟲，像Halteria一樣，只靠吃病毒就能茁壯成長。他們發(fā)現(xiàn)的越多，就越有可能在野外發(fā)生病毒捕食。這一前景讓生態(tài)學(xué)家充滿了疑問:它是如何塑造食物網(wǎng)的結(jié)構(gòu)的?其中物種的進(jìn)化和多樣性?它們面對滅絕的韌性?

不過，他還是選擇保持簡單。一旦內(nèi)布拉斯加州的冬天緩和下來，DeLong就會返回池塘。

“現(xiàn)在，”他說，“我們必須弄清楚這在自然界中是否成立?！?/div>

參考資料：

[1] The consumption of viruses returns energy to food chains

在一天之內(nèi)，在一個池塘平靜的水中，一百萬個病毒顆?？赡軙M(jìn)入一個以微小毛發(fā)或纖毛而聞名的單細(xì)胞生物，這些毛發(fā)或纖毛推動它通過這些水域。在過去的三年里，內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的John DeLong一直忙于發(fā)現(xiàn)一個潛在的扭轉(zhuǎn)潮流的秘密:這些病毒顆粒不僅是感染源，也是營養(yǎng)來源。

內(nèi)布拉斯加州生物科學(xué)副教授DeLong說:“這真的只是把碳留在這種微生物湯層中，防止食草動物把能量帶到食物鏈上?！?/div>

這一發(fā)現(xiàn)讓DeLong在思考和研究病毒時處于“不同的思維空間”?？紤]到水中病毒和微生物的絕對豐富，他認(rèn)為即使不考慮感染，前者有時也會進(jìn)入后者是不可避免的。

他說:“很明顯，任何東西都必須一直在他們的嘴里攜帶病毒。這似乎是必然發(fā)生的，因?yàn)樗镉羞@么多?！?/div>

“它們是由非常好的物質(zhì)組成的:核酸，大量的氮和磷，”他說?！八械膭游锒紤?yīng)該想吃它們。很多東西能抓到什么就吃什么?？隙ㄓ腥藢W(xué)會了如何吃這些真正好的原材料?！?/div>

作為一名生態(tài)學(xué)家，DeLong花了大量時間用數(shù)學(xué)來描述捕食者-被捕食者的動態(tài)，他不完全確定如何著手調(diào)查他的假設(shè)。最終，他決定保持簡單。首先，他需要一些志愿者。他開車到附近的一個池塘采集了水樣。回到實(shí)驗(yàn)室，他把所有他能控制的微生物，無論哪種，都集中到水滴中。最后，他加入了大量的氯病毒。

“起初，這只是一個暗示，它們有更多的纖毛蟲，”DeLong談到纖毛蟲時說?！暗髞硭鼈冏銐虼罅耍铱梢杂靡埔浩鞯募舛俗テ鹨恍?，把它們放在干凈的液滴中，然后就能數(shù)出來了。”

圖1 Halteria（A）和草履蟲（B）在2天內(nèi)將斑塊單位密度降低了兩倍至兩個數(shù)量級（圖源：[1]）

這是毫無疑問的:纖毛蟲正在吞食病毒。這種病毒維持著它們。

“我打電話給我的合著者:‘它們長大了!我們做到了!’”DeLong談到這一研究結(jié)果時說，該研究結(jié)果的詳細(xì)內(nèi)容已發(fā)表在《PNAS》上?！拔液芨吲d能第一次看到如此基本的東西?！?/div>