這些你看不見的小東西，居然是浩瀚海洋的動力引擎？

這些你看不見的小東西，居然是浩瀚海洋的動力引擎？

賽先生

一滴海水中，有數以百萬計的海洋微生物，它們絕大多數善良無害，是海洋的動力源，對整個地球的健康不可或缺。目前，我們對大多數海洋微生物知之甚少，到底有哪些微生物正在海洋深處默默地幫助人類？它們與海洋環境是如何互動的？

點擊播放 GIF/398885K

「給少年的科學前沿」系列（9）

作者 Anna Kopf, Julia Schnetzer, Frank Oliver Gl?ckner（德國馬克斯-普朗克海洋微生物學研究所微生物基因組學與生物信息學研究組，德國不來梅雅各布大學生命科學與化學系）

翻譯 YAO

編輯/校對 李娟

賽先生「中小學生評審」李若鵬、阮景婷為本文撰寫了點評。

小黑板

DNA：脫氧核糖核酸的縮寫。也被描述為微生物或其他活細胞的使用說明或「藍圖」。由四種不同分子（以字母A，G，C，T表示）按照特定的排列順序組成核酸鏈，並存儲信息。

基因：帶有遺傳訊息的DNA片段，它指導細胞活動，告訴細胞在合適的時間做合的事。生物體的DNA中有成千上萬個基因，每個基因都有其特定的功能。

測序：讀取和記錄細胞DNA（A，G，C，T）序列的遺傳學技術。

二代測序（NGS）：讀取和記錄細胞DNA序列的一項全新技術。通過此技術，科學家們無需進行微生物的實驗室培養即可獲取大量的DNA信息。也被稱為大規模平行高通量測序。

rRNA基因：該基因編碼細胞的「核糖體RNA」。rRNA基因參與蛋白質的合成，對細胞的代謝起著關鍵作用。地球上的每一個生物體在其DNA中都有這種基因，而且每個物種都是獨一無二的，因此，它可以作為「遺傳指紋」的標記物。

生物多樣性：這一術語描述了地球上各種不同種類生命的多樣性。

宏基因組學：是一種直接從環境樣品中提取全部微生物DNA的研究。由此產生的數據包含樣品中的所有微生物的DNA，而不僅僅是單一的物種。

你能想像嗎？一滴海水中有數以百萬計的海洋微生物！它們絕大多數善良無害，是海洋的動力源，對整個地球的健康不可或缺。目前，我們對大多數海洋微生物知之甚少，到底有哪些微生物正在海洋深處默默地幫助人類呢？它們與海洋環境是如何互動的？

回答這些問題，將幫助我們應對氣候變化、環境污染等全球性的挑戰。然而，海洋微生物形態太小，不易被觀察，又有著極為豐富的多樣性，它們生活的海洋環境也非常複雜，使得海洋微生物的相關研究開展起來並不容易。因此，海洋微生物的研究者正在招募「公民科學家」對海洋微生物進行採樣，希望人人都能貢獻一份力量，爭取早日破解海洋世界之謎。

海洋生態活動的「動力引擎」

幾乎每個人都聽說過微生物乾的壞事，比如，細菌會引起蛀牙，或者會導致百日咳。人類對微生物充滿反感，這是可以理解的。然而，這並不意味著所有的微生物都是邪惡的，實際上大多數微生物對人類大有益處。

你可以在海洋中找到這類「好細菌」（圖1）。它們是微小的單細胞有機體，包括細菌和古細菌。古細菌與細菌外觀相似，但往往具有一些特異功能：有的古細菌可以生活在極端環境中，比如極熱或極冷的地域。此外，海洋微生物還包括一些微小藻類甚至病毒等單細胞生物。

圖1.體現海洋微生物多樣性的圖片。它顯示了多種分布於藻類上及藻類周圍的微生物細胞。微生物已被染料染色，因此可被人們觀察。（圖片來源：德國不來梅州馬克斯-普朗克海洋微生物學研究所）

海洋微生物雖小，但數量龐大，遍布海洋。居住在海洋中的微生物比生活在陸地上的人類還要多得多。作為海洋中數目龐大的生命體，海洋微生物不僅構成了世界上最大的生態系統，也是海洋食物網的基礎，負責營養物質的循環利用，是海洋功能中必不可少的參與者，在海洋中的所有活動里扮演重要角色，如果沒有它們，海洋生命將無法生存。出於這個原因，它們被稱為海洋的「動力引擎」。

由於海洋微生物參與的生命活動極為廣泛，不論你我居住何方，海洋微生物對我們的日常生活都有著極為重要的影響。

海洋微生物影響人類的一個例子是光合作用，這是一個你可能聽說過的，與植物有關的過程。一些海洋微生物，如藍藻細菌（Cyanobacteria），也可以像植物一樣，利用來自太陽的光能，將二氧化碳（CO2）和水轉化為糖，產生並釋放氧氣（O2）。據統計，世界上大約有一半的氧氣產自海洋中，而另一半則來自陸地。換句話說，人類每分每秒呼吸所耗的氧氣都有海洋微生物做出的貢獻。

另一個關於海洋微生物重要性的例子是一些微生物具有分解石油的能力，這些海洋微生物以石油為食，可幫助清理泄漏的石油。

由此可見，海洋微生物不僅是海洋的發動機，它們也對人類乃至整個地球的健康至關重要。這些微生物與地球上較大的生物種群之間相互影響，處於微妙的平衡狀態，而不斷變化的環境條件或者污染等因素正在威脅著這種平衡。為了保護和維持生態環境的健康，我們需要深入了解現有的微生物種類，它們在做什麼，如何與環境互動。遺憾的是，收集這些信息並不像聽起來那麼簡單。

研究海洋微生物的現實困難

人們對於微生物的研究主要建立在純培養的基礎上。這種研究手段要求單一微生物必須在沒有其他物種干擾的情況下生長於實驗室的環境中。由於實驗室與海洋環境具有天壤之別，海洋微生物的生長極為困難。

據統計，僅有約1-10%的海洋微生物可在實驗室培養[1]。幸運的是，在過去的幾年中，科學家們已發明出了若干項新技術，無需對海洋微生物進行實驗室培養即可開展相關研究。其中一項重要的技術被稱為二代測序（NGS）。

二代測序技術（NGS）助力破解謎題

所有微生物或任何一種細胞的信息，都存在於細胞的DNA中。DNA是包含生物體遺傳密碼的分子，它告訴細胞什麼時候需要做什麼事情，被稱之為細胞的「藍圖」。帶有遺傳信息的DNA片段稱為基因。生物體的DNA中有成千上萬個基因，每個基因都有其特定的功能。比如，人類DNA含有大約25000到35000個基因，決定眼睛顏色的基因只是極少數。

NGS技術使科學家避開了傳統的微生物分離培養方法，直接從環境樣品中讀取DNA。這種研究策略被稱為「宏基因組測序」，可研究特定環境中全部微生物的基因組。

你可能聽說過，指紋分析是犯罪調查的手段之一。執法機構將數百萬人的指紋特徵保存在大型資料庫中，刑偵技術人員將犯罪現場採集的指紋與資料庫中的指紋進行比對，可幫助我們找出罪犯。這一過程與科學家開展的微生物基因指紋研究類似。地球上的物種有相同的基因，也有物種特異的基因。「核糖體RNA」（rRNA）對於每個物種都是獨一無二的，科學家把它當作微生物的「指紋」。他們在一個特定的資料庫（如SILVA[2]資料庫）中進行rRNA基因的搜索和比對，識別出環境樣品中獲得的微生物，明確樣品中含有的海洋微生物的種類。

DNA序列不僅僅是物種獨有的指紋，它是構建生物體的計劃藍圖，對生物體所有特徵和功能作出指示。如果科學家能夠「讀取」DNA中編碼的數據，就可以獲得關於該生物體的海量信息。遺憾的是，破譯來自海洋微生物的DNA數據就像試圖理解一種古老的語言或完成一個複雜的拼圖，非常艱難。每當科學家發現一個新的拼圖碎片，關於海洋微生物的若干未知信息也將被揭示。目前，科學家需要繼續收集更多的拼圖碎片，以便儘可能多地破譯神秘的海洋世界。

NGS是全新的技術，它的成功應用已將海洋微生物研究提升到了新的層次。然而，到目前為止，我們所獲得的海洋微生物的知識仍是滄海一粟——還有許多未知信息有待研究和挖掘！基於此目的設立的海洋採樣日（OSD）項目[3]旨在提高我們對海洋微生物的認識，並號召全球科學家同心協力，一起研究世界各地海洋生態系統中的微生物。

意義重大的海洋採樣日活動

Micro B3項目（B3是指海洋微生物的生物多樣性、生物信息學以及生物技術三個研究領域）的研究人員1分別在2014和2015年的6月21日組織了海洋採樣日（OSDs，Ocean Sampling Day）的活動。6月21日是夏至，它是北半球一年中最長的一天，也是南半球一年中最短的一天。選擇夏至作為微生物採樣日，可以幫助人們了解白晝的長度是否影響所收集微生物的種類[4]。

在海洋採樣日活動中，科學家通過一種被稱為Sterivex的過濾器過濾海水。這種過濾器上分布著成千上萬個比微生物還要小的小孔，因此微生物得以滯留在過濾器表面而被捕獲。這就是科學家捕獲海洋或任何水生系統微生物的秘密武器。接下來，科學家從過濾器中收集微生物，並使用一些化學物質從微生物中提取DNA，再用NGS技術分析DNA信息。

OSD項目可以回答以下幾個問題：

「海洋中都有哪些微生物？」（基於DNA「指紋」的生物多樣性分析）

「這些微生物在做什麼？」（基於宏基因組學的功能分析）

「這些微生物和環境之間是如何相互作用的？」

該項目所得數據將有助於揭秘一系列的問題，例如，生活在熱帶和極地環境中的微生物有何區別？微生物如何在被污染的環境（例如石油泄漏之後的環境）中生存？科學家仍在分析相關的數據（圖2），目前還未得出明確的結論。

圖2. 二代測序（NGS）技術是一種強大的工具。它使科學家們能夠快速讀取數以百萬計的微生物DNA，進而了解海水中海洋微生物的種類及其功能。

人類活動與海洋密不可分。全球約有一半的人口生活在200公里的海岸線附近[5]，同時，作為一個集旅遊、娛樂、漁業及其他活動於一體的多功能場所，海洋也是人類重要的經濟來源。人類的行為影響並改變了沿海地區的生態環境。因此，絕大多數OSD的採樣點分布在沿海地區（圖3），以便科學家研究人類活動和生活方式對海洋微生物的影響。例如，科學家需要研究各種類型的污染（重金屬、抗生素和化肥等）如何影響海洋微生物的健康。

圖3. 地圖顯示了2014年OSD項目的採樣點。紅色星號表示採樣點，通常位於沿海地區。

快來加入我們的探索活動吧

過去幾年開展的OSD活動已吸引了150多個來自各大洲的科學團隊，樣本採集區域包括夏威夷亞熱帶水域，以及北冰洋弗拉姆海峽的寒冷極地海域。然而，OSD的項目地圖上仍然有許多有待採樣的區域。OSD計劃繼續擴大採樣範圍，探索更大面積的海域。畢竟，70%以上的地球表面都是被海洋所覆蓋[6]啊！

為了加大研究力度，我們邀請像你這樣的「公民科學家」加入我們名為「MyOSD」的公民科學項目。為此，我們開發了一個MyOSD採樣套裝和一個OSD 公民智能手機應用程序，使每個熱愛科學的你都能為科學做貢獻。

採樣套裝包含採集海洋微生物樣本可能用到的所有設備，以及測量其他重要參數（如水溫、鹹度等）的材料（圖4）。每個套裝都配有詳細的操作說明，簡單而直觀。通過閱讀並按照說明書操作，你就可完成MyOSD的系列任務。採樣套裝可以通過註冊MyOSD免費提供，並由MyOSD設立的聯絡點或中心分發給當地區域或國家的民眾。MyOSD聯絡點的信息可點擊MyOSD的網站進行查詢2。

樣品收集完畢後，你需要將收集得到的樣品和信息送至MyOSD的當地聯絡點，聯絡點會負責將樣品統一送回OSD總部——坐落於德國不來梅州的馬克斯-普朗克海洋微生物學研究所3。

圖4. MyOSD採樣套裝。該套裝包含採集海洋微生物樣本可能用到的所有材料和設備。公民科學家完成採樣後需要將樣品寄送至OSD總部進行後續分析。

在OSD總部，科學家將匯總所有樣品進行後續處理和數據分析。如果你所在地區沒有MyOSD聯絡點，你仍然可以通過測量環境參數（如水溫和/或鹽度）來參與MyOSD項目，使用OSD智能手機應用程序，或在MyOSD網站在線填寫表單進行環境參數的提交。請相信，你提交的每一個數據都是有用的！例如，假設你的數據有助於發現某處海洋區域的獨特溫度特徵，吸引了科學家的關注，他們會發起並開展後續的研究。最後，所有數據將在互聯網上免費共享，以幫助科研人員和民眾。

過去幾年開展的OSD項目僅僅是一個開始，我們希望更多人能加入到即將到來的活動中！

注釋：

2http://www.my-osd.org

3http://www.mpi-bremen.de

參考文獻：

[1] Amann,R. I., Ludwig, W., and Schleifer, K. H. 1995. Phylogenetic identification and in situ detection of individual microbial cells without cultivation. Microbiol.Rev. 59, 143–169.

[2] Quast,C., Pruesse, E., Yilmaz, P., Gerken, J., Schweer, T., Yarza, P., et al. 2013.The SILVA ribosomal RNA gene database project: improved data processing and web-based tools. Nucleic Acids Res. 41, D590–D596. doi:10.1093/nar/gks1219

[4] Gilbert,J. A., Somerfield, P., Temperton, B., Huse, S., Joint, I., and Field, D. 2010. Day-Length Is Central to Maintaining Consistent Seasonal Diversity in Marine Bacterioplankton. Nature Precedings. Available at: http://precedings.nature.com/ documents/4406/version/1

[5] Creel,L. 2003. Ripple Effects: Population and Coastal Regions. Washington, D.C: Population Reference Bureau, Measure Communication.

[6] Costello,M. J., Cheung, A., and De Hauwere, N. 2010. Surface area and the seabed area, volume, depth, slope, and topographic variation for the world』s seas, oceans, and countries. Environ. Sci. Technol. 44, 8824–8828. doi: 10.1021/es1012752

Frontiers for Young Minds青少年評審：

美國佛羅里達州康尼斯頓國際中學14–15歲的中學生：

目前，康尼斯頓中學設置的實驗科學課程有28位學生參加，他們年輕聰慧，善於運用所擅長的實驗工具，充分發揮頭腦中閃耀的魅力。該課程側重於多領域學科的科學分析及實驗過程，特別注重培養學生設計和構建實驗的能力。教師們採用的是以解決實際問題為基礎的教學模式，並鼓勵學生提出創造性的解決方案。比如，我們與國際非營利組織「人民之水（water for people）」開展合作，在印度農村地區建立可持續的基礎設施，以提供清潔的飲用水和衛生設備。我們很高興與青少年前沿科學（Frontiers for Young Minds）聯手，傳播科學知識和信息。

賽先生青少年評審：

李若鵬（初三學生，來自南昌市心遠中學）

簡介：一個思想老跑偏的男孩

點評：

一般說起基因研究，我們的第一印象就是長長的、纏繞的雙螺旋，但作者用通俗的語言以及巧妙的比喻將二代測序講的通俗易懂。本文大部分是在寫研究海洋微生物的方法，我期待能看到更多關於微生物具體如何助推環境的內容。

阮景婷（11歲，來自中山市體育路楊仙逸小學，五年級學生）

簡介：我是一個喜歡畫畫、跳舞和小動物的學生。

點評：

本文主要突出了海洋微生物的特點、作用，也描述了研究、採樣的工具等，使人們更深地認識海洋微生物。但我希望文章圍繞海洋微生物對海洋的作用展開，為什麼是海洋的動力引擎，而不是採集它。作者可以將描寫採集海洋微生物改為介紹一個海洋生物對海洋的貢獻，要詳細，這樣可以讓讀者更詳細了解到它，而不是只知道海洋微生物可以幹什麼，可以寫寫是海洋微生物是怎樣去運作的，或者更細緻地描寫其中的一種海洋微生物。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！