[第6集] 克雷格·文特：DNA和海洋

微生物世界——DNA和海洋

两年前，只有不到五千种的微生物被鉴定归类，我们决定在这方面做些努力。……至于实验，那是再简单不过了。我们只需要把海水采上来，过滤，用不同的过滤器收集不同体积的生物体。然后将它们的DNA提取出来，带回位于罗克韦尔的实验室，在那里我们每24小时就可以测序出数百万字符的遗传编码。通过这些工作，我们取得了一些令人惊奇的发现。

——Craig Venter

源自TED

观看2005年TED演讲“Craig Venter DNA和海洋”。基因组学专家Craig Venter组织了一次大规模的考察，对海洋微生物的DNA进行取样和排序。他认为这是解决世界上一些最紧迫的环境问题的关键。比如，一种叫做詹氏甲烷球菌的单细胞深海生物能够从环境中获取它所需的碳，这意味着人类有一天能够将大气中的碳转化为生物聚合物或其他产物。

主要讨论：

现代测序技术让我们看到了前所未有的海洋生物的多样性。但如今对生物群落如何实现在不同时间和不同空间内进行变化仍然存在争议。一些科学家认为由于其体积小，微生物实际上四处分布、不分种类。也有一些人认为，微生物的补足物在地理分布上有所不同，这体现了微生物分散 的环境和阻碍。

关键术语

原核生物
 一般是由原核细胞（没有以核膜为界的细胞核）构成的单细胞生物。细菌可能是最常见的原核生物，一般没有真核细胞的细胞器，但会含有羧酶体（细菌进行代谢的微型内膜结构）。只有少数细菌有多细胞阶段（如粘细菌），而另外一些则具有集群性（如蓝细菌）。还有一种原核生物叫古核细胞，这种细胞的细胞壁结构有别于细菌，有些代谢途径也不同。古核细胞在深海中比在浅水中更常见，而且经常存活在极端环境中。
 
微生物真核细胞
 生物体的大部分细胞内的遗传信息以DNA的形式包含在细胞核内；DNA的结构也类似于染色体。大多数真核细胞内包含有细胞膜包裹的细胞器，包括叶绿体和线粒体。海洋中的微生物真核细胞种类众多，包括鞭毛藻、甲藻、硅藻、纤毛虫、变形虫、放射虫、有孔虫以及真菌。其中一些是异养生物（以有机物和其他微生物为食），有些是光合生物，还有一些则是混合营养生物（进行光合作用，同样以其他微生物为食）
 
病毒
 病毒是一类微型生物，由内部遗传物质（DNA或者RNA）和外部蛋白质构成，有些复杂的病毒外部还有一层脂质包膜。病毒必须将遗传物质注入寄主细胞内才可实现复制繁殖。病毒株有特定寄主生物物种或种群，原核生物和真核生物两者都包括在内。病毒是地球上形式最为众多的生命，并且是海洋生态中十分重要的一部分，通过终止浮游植物大量繁殖以及细胞裂解以释放有机物质。
 
全球普遍性假设
 该观点认为原核生物、单细胞真核生物以及微型多细胞生物分布于全球。由于他们的体积小、丰度高并且能够形成休眠阶段（胞、卵以及孢子），因而他们能够通过空气、灰尘、水和动物迁徙散布到世界各处。
 
海洋微生物多样性
 目前，我们仍然没有测量海洋微生物多样性的有效方法。经过对西太平洋以及赤道东太平洋的采样测序，科学家们已经确定了800多个不同的16S rDNA核糖体基因型（用于细菌分类的一种基因）。从北大西洋深层水体进行细菌采样测序的科学家提出单个样本中存在多达20000多种细菌。所有这些研究表明，一些细菌数量丰富，在海洋中广泛分布，而另一些则受空间限制，使不同海洋区域存在不同的微生物群落。有趣的是，似乎有一种叫“稀有生物圈”的存在——丰度低、记录少的微生物物种。
 
微生物圈
 每一毫升的海水中就有超过一百万的微生物细胞，据估计海洋中的微生物细胞约有3.6 x 1029之多，其中约含有3 x 1017g的碳。现在科学家们意识到微生物支配着海洋中的初级产物，调节着所有的生物地球化学循环。微生物循环具有着决定性的重要意义。细菌的主要食物是溶解的有机物质，主要来源于浮游植物以及动物的排泄物。细菌又是鞭毛虫类和其他原生动物的主要食物，而后者则是微型浮游动物的主要食物（大小范围与较大的浮游植物细胞相似），这就返回到了主食物链。经过这种微生物圈的呼吸作用，大量的能量流失，但关键的是，同时也释放了营养物，比如初级生产所需的氮和磷。
 
深层地下生物圈
 存活在海床深处的微生物群落，活动于海底以下1600多米的沉积物中。这些群落的生物量和活性随着地下深度加深对数减少。但是，这些群落大约是地球上生物总量的十分之一到三分之一，原核生物量的65%。深层地下生物圈通过各种途径产生能量，包括硫酸盐还原作用（特别是在较浅的沉积物中）以及甲烷生成/甲烷厌氧氧化（特别是在较深的沉积物中）。在后者的这些反应过程中氢是极为重要的能量源。
 
测序技术
 这是一项用于读取生物基因序列的技术。20世纪70年代取得初步发展，一种叫做“桑格测序”（Sanger sequencing）的方法被科学家们采用了很多年，但这种方法每次运行最多只能测定900个碱基对（bp）的DNA片段，速度缓慢且过程费力。后来，研究者们通过使用“鸟枪法”加速了过程。这个过程中基因组被分成许多随机片段，对被个片段进行测序，然后将每个读取出来的序列通过计算机组合成一个基因组序列。新兴的DNA测序方法显著加快了基因组测序的速度，被称作新一代或第二代测序技术。其中最常用的是焦磷酸测序法（pyrosequencing，也被称为454测序法）和亿明达测序（Illumina sequencing）。
 
环境基因组学
 这个术语涵盖了利用遗传学方法研究生态学的多种广泛途径，这种高通量的方法采用了新一代测序法或大规模并行基因表达研究（如微阵列）。在海洋微生物生态学的研究中，科学家们已经对不同的样本进行测序，检验现有微生物的多样性、基因内容以及功能评定。通过这种方法，研究人员可以推断微生物的进化演变、群落多样性以及功能在形式上的区域差异。
 
基因合成
 科学家们已经合成了病毒和细菌（支原体）的基因组。为实现这一点，科学家们将长度刚超过1000bp的序列片段（基因盒）以化学的方法培养合成，再将这些基因盒通过载体（用于将外部DNA再入细胞的DNA分子）合成为刚超过10000bp的环状DNA组件，然后由酵母细胞吸收（转化）。酵母细胞通过无数次的基因盒复制（克隆）来生长和繁殖。这些基因盒在酵母细胞内部连接，陆续制造出更大的基因盒，直到整个人造基因合成。然后科学家仔细地从酵母细胞（易破）中将合成基因组提取出来，利用这些基因组来转变细菌细胞。基因标记可用来识别细菌是否已经吸收了合成基因组。
 
耐辐射球菌
 耐辐射球菌是一种聚-嗜极生物, 能在多种极端环境条件下生存，别名叫做“毁灭者柯南”，它可以在极强的辐射下生存——高达五十万拉德——几乎没有任何生存能力的损失。即使是暴露于放射性环境中，被切成小碎片，它通过重建基因组依然可以存活。科学家认为异常球菌属为应对极端干燥的环境而逐步形成了这些DNA修复带来的非凡力量。重组DNA分子在生物技术应用是一种有效的方法，在合成染色体的形成过程中有着显而易见的适用性，有可能成为构建合成生命的重要途径。转基因耐辐射球菌已经应用于放射性废弃物的生物降解。

作业：

1. 海洋微生物的多样性是如此令人难以置信，其中涵盖了三种领域的生命，包括病毒。近期的一些研究，如Craig Venter及其同事在“巫师二号”（Sorcerer II）上进行的工作，已经改变了我们对海洋微生物多样性的认识。参考最近的研究发现，写一篇有关海洋微生物群落多样性的大众杂志文章，并明确海洋中每类主要微生物种群的生物功能范围。参考以下资源：

• Microbe World (2006). Oceans of Microbes[Video podcast]. Originally part of the television series Intimate Strangers: Unseen Life on Earth. American Society for Microbiology.

• National Geographic Photo Gallery: Marine Microbes

http://ocean.nationalgeographic.com/ocean/photos/marine-microbes/  
• Gross, L. (2007). Untapped Bounty: Sampling the Seas to Survey Microbial Biodiversity. PLoS Biol 5(3): e85.

• Breitbart, M., Thompson, L.R., Suttle, C.A., and Sullivan, M.B. (2007). Exploring the vast diversity of marine viruses. Oceanography 20: 135-139.

• Sogin, M.L. et al. (2006). Microbial diversity in the deep sea and the underexplored ‘‘rare biosphere’’. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 103: 12115-12120.

ckner F.O. et al. (2012). Marine Microbial Diversity and its role in Ecosystem Functioning and Environmental Change. Marine Board Position Paper 17. Calewaert, J.B. and McDonough N. (Eds.). Marine Board-ESF, Ostend, Belgium. (See especially the Introduction chapter)

2. 值得关注的是，在海床深处存在着数量巨大、种类多样的活性微生物。写一篇关于“深层微生物圈”的五分钟广播稿。参考以下资源：

• Fry, J.C., Parkes, R.J., Cragg, B.A., Weightmann, A.J., and Webster, G. (2008). Prokaryotic biodiversity and activity in the deep subseafloor biosphere. FEMS Microbial Ecology 66: 181-196.

• The Deep Dark Biosphere: Extreme Life (2008, July 26). NASA Astrobiology Magazine.

• Stone, M. (2012, July 2). Oddly microbial: 86 million year old deep-sea mystery cells[Blog post]. Small Things Considered: The Microbe Blog. American Society for Microbiology.  

• Harris, R. (2012). Ancient deep-sea bacteria are in no hurry to eat[Radio broadcast]. All Things Considered, National Public Radio.

• Keim, B. (2012, October 24). Electric bugs: New microbe forms living, deep-sea power cables[Blog post]. Wired.

3. 关于微生物的普遍性一直都存在着争议。阅读有关海洋微生物多样性和生物地理学的文章，然后写一篇有关全球普遍性假设的文章，需表达赞成或者反对的态度。参考以下资源：

• Fenchel, T., Finlay, B.J. (2004) The ubiquity of small species: patterns of local and global diversity. BioScience 54: 777-784.

• Fenchel, T. (2005) Cosmopolitan microbes and their cryptic species. Aquatic Microbial Ecology 41: 49-54.

• Foissner, W. (2006) Biogeography and dispersal of microorganisms: a review emphasizing protists. Acta Protozoologica 45: 111-136.

 Kenny, D. (2013, January 14). MBL scientists find bipolar distribution of marine bacteria, refuting idea that “everything is everywhere [BloWg post]. Marine Biological Laboratory.

4. 在Craig Venter的TED演讲中，他提到了詹氏甲烷球菌，一种单细胞深海生物，能够从环境中捕获碳。Venter认为通过研究这种细菌，将来人类就可以将大气中的碳转换成生物聚合物或者其他产物。

海洋生物技术的研究人员还在开发深海微生物的哪些其他应用？工作过程中要考虑到法律、经济及/或伦理问题吗？若是如此请举例。学术研究人员、企业以及政府机构是如何参与到这些工作中的？进一步了解当前的研究成果，做一次简短的视频或者其他视觉形式表现，描述深海微生物技术的现状。

• Woods Hole Oceanographic Institution: Bacteria at Hydrothermal Vents

http://www.divediscover.whoi.edu/hottopics/bacteria.html  
• Scripps Institute of Oceanography: Center for Marine Biotechnology and Biomedicine

http://sio.ucsd.edu/About/Research_Overview/Marine_Biotechnology_and_Biomedicine/  
• McKie, R. (2012, November 10). Marine treasure trove’ could bring revolution in medicine and industry. The Observer.

• BBC News (2012, August 6). Deep-sea solution to superbugs.

• Ruth, L. (2006). Gambling in the deep sea. EMBO Reports 7(1): 1721.

• Spotts, P. (2005, June 16). Who will own deep sea life?Christian Science Monitor.

• Burgess, J.G. (2012). New and emerging analytical techniques for marine biotechnology. Current Opinion in Biotechnology 23(1): 29-33.

相关资料:

•   J. Craig Venter Institute: Microbial and Environmental Genomics

http://www.jcvi.org/cms/research/groups/microbial-environmental-genomics/  
• Sorcerer II Expedition

http://www.sorcerer2expedition.org/version1/HTML/main.htm  
• Ocean Genome Resource

http://www.oglf.org/OGResource.htm  
• Introduction to Marine GenomicsCock, J.M., Tessmar-Raible, K., Boyen, C., and Viard, F. (eds.) (2010). . Springer.

• Microbial metagenomics: Beyond the genome Gilbert, J., and Dupont, C. (2011). . Annual Review of Marine Science, 3 (1), 347-371.

• Pawlowski, J., Christen, R., Lecroq, B., Bachar, D., Shahbazkia, HR, et al. (2011). Eukaryotic richness in the abyss: Insights from Pyrotag sequencing. PLoS ONE 6(4): e18169.

• Microbial Ecology of the Oceans Kirchman, D. (2008). , 2nd ed. London: Wiley-Liss.

• Pomeroy, L.R., Williams, P.J. leB., Azam, F., Hobbie, J.E. (2007) The microbial loop. Oceanography 20: 28-33.

• Giovannoni, S.J., Foster, R.A., Rappé, M.S., and Epstein, S. (2007). New cultivation strategies bring more microbial plankton species into the laboratory. Oceanography 20: 62-69

• Keim, B. (2009, June 22). Extreme life thrives where the livin’ ain’t easy[Blog post]. Wired.

经典实验、研究及文章

1. Azam, F., Fenchel, T., Field, J.G., Gray, J.S., Meyer-Reil, L.A., Thingstad, F. (1983). The ecological role of water-column microbes in the sea. Marine Ecology Progress Series 10: 257-263. 该文章的作者描述了微生物循环，最后解析了微生物在海洋以及地球系统中的重要性。

2. Gibson, D.G., Glass, J.I., Lartigue, C., Noskov, V.N., Chuang, R.-Y., Algire, M.A., Benders, G.A., et al. (2010). Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science 329: 52-56. 细菌的首次基因组合在合成生命的创造过程中具有里程碑意义。从病毒基因组的合成、基因移植技术的发展到最终合成支原体的产生，这项工作是一系列逐步增量的顶点。（另见TED演讲“Craig Venter： 揭开‘合成生命的面纱’”）

接下来：

我们将观看TED演讲“John Delaney：联系互动的海洋”，进一步了解先进的海洋实验和技术。

关于作者：Alex Rogers是一名海洋生物学家，主要研究深海生态系统，包括热液喷口，冷水珊瑚的栖息地和海丘。Rogers也是牛津大学保护生物学的教授。

翻译: Zuhong Yue

审译: Alexandra Shi

引导性文章由：深海科学的出现、深海多样性——是过高估计还是超乎想象、深海环境的形成：“漂移说”与“固定论”、没有太阳也能存活的生命、海洋自然资产消耗殆尽和海洋的未来，这6部分展开，详尽的展示和海洋相关的专业权威的生物学知识。

水中探险家们在TED的舞台上分享他们所见所闻，描述地球最边缘处的鸿沟——深海。那里有着庞大的海底山脉和峡谷，巨大的烟囱，众多令人称奇的动物。本系列演讲展示有关地球生命起源的线索。概况环节将向你展示本系列演讲的主要演讲者、涉及的学科内容和整个课程的结构组织。