人類首次發現專吃病毒的微生物

羅丁豪

病毒體型微小，但無處不在。據估算，世界上病毒的數目大約是1031，比宇宙中的恒星總數還要多1億倍，總重量則與250億人的體重相當。幾乎所有的物種，都會被病毒感染。但奇怪的是，病毒似乎處于食物鏈之外——病毒只顧著感染并蠶食生物，卻不會被生物當成食物。因此，生物學家一直在尋找噬食病毒的生物。最近，他們終于在兩類原生生物的體內，找到了它們食用病毒的證據。

尋找“噬病毒體”

要找到食用病毒的生物，沒那么簡單。此前，科學家就發現一些原生生物體內有病毒的DNA，因此懷疑它們有可能吃下了病毒。但美國畢格羅海洋科學實驗室（Bigelow Laboratory for Ocean Sciences）的拉穆納斯·斯特潘納烏斯卡斯（Ramunas Stepanauskas）研究員認為，這些實驗室培養的原生生物并不能代表自然界中的情況。為了了解在自然情況下原生生物是否真的以病毒為食，斯特潘納烏斯卡斯的團隊決定前往海岸，搜集海洋浮游生物的信息。

左：聚胞動物;右：皮膽蟲

海洋浮游生物是一類具有進化和功能多樣性的單細胞真核生物。含葉綠素的原生生物對整體碳固定有顯著貢獻，而不含葉綠素的異養生物和質體混合營養菌被認為是原核生物和原生生物的重要捕食者。由于它們體型微小，種類繁多，其對生物地球化學循環的影響仍然知之甚少。

他們在美國緬因州的海灣和地中海里總共采集了上千個樣本，并對這些樣本進行了單細胞基因組（single-cell genomics）分析。發現這些原生生物來自十多個不同的門。其中，有兩類原生生物皮膽蟲（picozoan）和聚胞動物（choanozoan）的樣本中，每一個個體都含有病毒DNA，相比之下細菌的DNA卻很少。這暗示這類原生生物是單獨攝取了病毒，而不是攝食被病毒感染的細菌而獲得這些DNA的。

雖然都是浮游原生生物，但這兩類生物之間的親緣關系比樹木和人類之間的親緣關系還要遠，因此病毒是不可能同時感染這兩類生物的所有個體的。這說明這兩類生物極有可能以病毒為食。

雖然有些原生生物可能以細菌為食，而噬菌體（以細菌為宿主的病毒）會寄生在細菌中，從而一起成為原生生物的晚餐，但是皮膽蟲和聚胞動物樣本中只有大量病毒DNA，卻很少出現細菌DNA，這足以排除“搭便車”的可能性。

并且，皮膽蟲長度僅3微米，細菌的大小則為0.5到5微米，皮膽蟲的進食“器官”根本不足以吞噬細菌，吃下病毒倒是綽綽有余。

研究團隊稱，加上實驗室研究，我們終于有證據證明，噬食病毒的原生生物的確存在。團隊的分析結果于9月24日發表在《微生物學前沿》（Frontiers in Microbiology）期刊上。

不論是對于皮膽蟲還是聚胞動物研究來說，這都是激動人心的發現。一方面，聚胞動物長3到10微米，是動物和真菌的近親，與海綿的鞭毛細胞（choanocyte）有著驚人的相似之處。而皮膽蟲自發現以來，科學家都未弄清皮膽蟲究竟吃什么，畢竟它們的“嘴”連細菌都吃不下。

“病毒含有豐富的磷和氮，或許能給皮膽蟲和聚胞動物的伙食增添一些重要的營養元素。”畢格羅海洋科學實驗室的生物信息學家朱莉婭·布朗（Julia Brown）指出。既然病毒不只消滅其他生物，還會反被其他生物消滅，在食物鏈中缺少的那一個節點，如今也能補上了。

“病毒穿梭模型”的簡化圖

填補生態圈空缺

對于生物學家來說，這項研究可能解決了一個重要問題：原生生物能直接調控病毒的數量。此前，最常用于解釋海洋中病毒的角色的模型是“病毒分流模型”（viral shunt model）。這類簡單的病毒-宿主-捕食者（virus-host-consumer）模型最后會導致病毒和微生物之間激烈的資源競爭，從而導致其中一方的勝利和另一方的消失。而這次發現的原生生物能直接噬食病毒的證據，實際上穩定了這三者之間的交互，維持了平衡。

這個最新發現則支持了“病毒穿梭模型”（viral shuttle model）。在這個模型中，病毒既將其宿主裂解成溶解有機物，送至食物鏈底端，又被小型浮游生物（例如皮膽蟲和聚胞動物）食用，將自身包含的有機物送至食物鏈上端。

現在我們總算知道，就連“感染一切”的病毒，也會淪為小小單細胞生物的晚餐，在大自然的動態平衡中，沒有誰可以成為漏網之魚。而這項“改寫生物書”的發現，或許能為海洋生態研究帶來全新的思考方式。而我自己的第一想法是能不能用來制作抗病毒的藥劑呢？

（本文經授權轉載自“把科學帶回家”微信公眾號，有刪節）