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神秘的海洋微生物

发表时间:2023/01/07 18:42:07  来源:“科普向蔚蓝”海洋科普创作大赛获奖作品  作者:小阳  浏览次数:1888  
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海洋占据地球表面积的71%,其生态环境极为复杂,孕育着丰富的生物资源。在人类已知的150余万种微生物中,约7.2万种存在于陆地的表面(注:2006年数据),其他则存在于海洋中。

从海绵(Ircinia)中收集的部分微生物 / wikipedia

为充分了解、利用海洋微生物资源,科学家花费了大量的精力分离海洋微生物。1881年,罗伯特·科赫(Robert Koch)创立固体培养基划线分离纯种法,为微生物培养奠定了坚实的基础。而后的百年多,科学家在应用中不断探索新型培养基营养配方,并开发新型技术,在实验室中模拟自然环境进行微生物培养。

罗伯特·科赫 / wikipedia

培养基 / wikipedia

然而,直到目前仍有许多微生物未被分离。一方面,目前的技术无法充分模拟自然环境的基本组分,比如深海环境、极地环境,这直接导致在实验室中进行微生物培养时,微生物生长曲线发生改变,微生物迟缓期延长,培养时间增加,部分微生物可能需要百年才可形成菌落;另一方面,某些微生物太过稀少,稀释分离时可能会丢失,导致分离失败。此外,还有一些微生物对环境有特定的适应要求,比如季节等。它们在生长地便长期处于休眠状态,偶尔处于活跃状态。对于这类微生物,即使我们模拟出了其生长环境,它们也仍不能很好地生长。

地球上的典型极端环境:a. 冰川;b. 戈壁;c. 热泉;d. 盐湖;e. 海底火山;f. 自然形成的酸性河流

近年来测序技术日益成熟。现今高通量测序技术(NGS)在分析微生物多样性、种群结构、进化关系的基础上,可进一步探究微生物群体功能活性、相互协作关系及与环境之间的关系,发掘潜在的生物学意义。微生物培养的必要性受到了一定的怀疑。

深渊斜坡沉积物中微生物的生态潜能预测

但是这种看法正在改变,因为高通量测序的局限性已经显现:测序技术只能对细菌功能进行推测,但其确切的生态作用和生理作用仍需要通过细菌分离培养来确定。

现在,仍有很多科学家对细菌分离保持热情,他们也想出很多办法去解决目前所存在的问题,比如,开发复苏促进因子刺激休眠细胞的生长,多种细菌混合培养进一步模拟细菌生长环境,等等。

随着科技的进步,细菌培养所遇到的难题可能会得到解决。但考虑到海洋环境的复杂性和微生物家族的庞大,从海洋环境中分离培养所有微生物也是不可能的。因此,科学家尝试先找出与海洋环境密切相关的微生物进行培养。他们为这些微生物制定了标准:相对丰度较高;在生物地球化学或生物降解中发挥关键作用;具有生产天然产物的潜力;与已培养的微生物类群具有很大差异。

我们相信,在未来的某一天,我们会充分了解海洋微生物在地球生态环境中的作用。

最后附上一张微生物的美图!

微生物作画(李健豪等,2022)

参考资料:

[1]Da Shuai Mu, Yang Ouyang, Guan Jun Chen, Zong Jun Du. Strategies for culturing active/dormant marine microbes[J]. Marine Life Science & Technology,2020,3(2).

[2]微信公众号“全国博士生学术会议”文章《挑战生命的极限:极端环境微生物》

[3]微信公众号“检验医学科”文章《公卫·科普 | 高通量测序技术 —— 打开病原体诊断的“钥匙”》

[4]Zhou Y L, Mara P, CuiG J. et al. Microbiomes in the Challenger Deep slope and bottom-axis sediments. Nat Commun 13, 1515 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29144-4

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