《PNAS》首次發(fā)現(xiàn)，一種專吃病毒為生的微生物

來源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2022-12-29 09:11:00【大中小】

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(gè)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(gè)池塘平靜的水中，一百萬個(gè)病毒顆粒可能會(huì)進(jìn)入一個(gè)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(dòng)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(gè)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(gè)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(dòng)物把能量帶到食物鏈上。”

但如果纖毛蟲把這些病毒當(dāng)作晚餐，那么病毒性可能會(huì)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(dòng)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(huì)得出大量的能量運(yùn)動(dòng)(在食物鏈上)，”DeLong說，他估計(jì)一個(gè)小池塘里的纖毛蟲每天可能會(huì)吃掉10萬億病毒。“如果這種情況以我們認(rèn)為的規(guī)模發(fā)生，它應(yīng)該完全改變我們對(duì)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(dòng)物吃掉草履蟲并排出新暴露的藻類時(shí)，才會(huì)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(shí)處于“不同的思維空間”。考慮到水中病毒和微生物的絕對(duì)豐富，他認(rèn)為即使不考慮感染，前者有時(shí)也會(huì)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(shí)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(duì)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(dòng)物都應(yīng)該想吃它們。很多東西能抓到什么就吃什么。肯定有人學(xué)會(huì)了如何吃這些真正好的原材料。”

作為一名生態(tài)學(xué)家，DeLong花了大量時(shí)間用數(shù)學(xué)來描述捕食者-被捕食者的動(dòng)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(gè)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。

24小時(shí)后，DeLong會(huì)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(gè)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(gè)暗示，它們有更多的纖毛蟲，”DeLong談到纖毛蟲時(shí)說。“但后來它們足夠大了，我可以用移液器的尖端抓起一些，把它們放在干凈的液滴中，然后就能數(shù)出來了。”

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(gè)數(shù)量級(jí)

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(gè)數(shù)量級(jí)（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(shí)間內(nèi)平均增長了大約15倍。與此同時(shí)，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(shí)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。”

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(dòng)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(duì)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(dòng)物吃藻類時(shí)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(dòng)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。”

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(duì)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(huì)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。”

參考資料：

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