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病毒在自然界有没有天敌?

Pixabay / CC0

量子永生,视限之外,想象之巅。

在很长一段时间内,人类对于这个问题的答案都是:没有。

似乎病毒才是这个星球的主宰,统治地球近 40 亿年,种类繁多,分布广泛,几乎能感染和残害所有动物,植物和微生物。但反观自然界茫茫数以亿计的物种,似乎发现不了任何一种其他生物的食谱包含病毒。如此在某种意义上,小小的病毒才是地球的霸主。据研究估算,世界上病毒的数目大约是 10³¹,比可见宇宙中的恒星总数还要多 1 亿倍,总重量则与 250 亿人的体重相当[1]。曾经的天花和今天的新冠也给人类带来沉重的灾难。龙珠超里比鲁斯(破壊神ビルス)名字的来源正是「virus」[2]

肆虐全球的 COVID-19

自从人类于 19 世纪末发现病毒以来,对此的认知一直未改变,直到 2008 年才有了新的突破,地中海大学的 Bernard La Scola 和 Christelle Desnues 在这一年发现了一种能感染并消灭其他病毒的病毒,并将其命名为「Sputnik」(俄文,意为「旅伴」)[3],并引入了一个新的种类:噬病毒体(virophages,基于 bacteriophage,噬菌体)[4]。Sputnik 仅有 18,000 个碱基对,它与噬菌体不同,噬菌体在细菌内部独立复制传播;而 Sputnik 是一种卫星病毒,他需要依赖辅助病毒,基因才能复制和表达,并完成增殖的亚病毒,因此常伴随着其他病毒一起出现[5]

Sputnik

时间到了今年(2020 年)9 月,终于迎来了颠覆性进展。

美国 Bigelow 海洋科学实验室的单细胞基因组研究中心主任 Ramunas Stepanauskas 使用现代的单细胞基因序列技术对美国缅因湾大西洋西北部和西班牙加泰罗尼亚海域的表面海水的生物样品进行了测序。他们的数据表明,许多原生生物细胞具有多种非感染性病毒的 DNA。这一有力的证据表明这些原生生物是以病毒而不是细菌为食[6]

Stepanauskas 于 Bigelow 海洋科学实验室

研究人员在海水样品里发现了各种各样的原生生物,其中一些是囊泡虫类(Alveolates),不等鞭毛类(Stramenopiles),绿藻类,蓝藻类,picozoans 和 choanozoans。这些生物种,只有 picozoans 和 choanozoans 不含叶绿体,也就是说,这两种原生生物是异养生物。而 choanozoans 更是现代动物与真菌的近亲。

经过基因测序发现,picozoans 和 choanozoans 的基因序列与噬菌体相似。并且,从缅因湾采摘的单细胞生物的基因组中和地中海地区的基因组中分别有 19% 和 48% 里发现有细菌 DNA 序列,这意味着这些原生生物曾经吃够细菌;病毒的 DNA 序列更为普遍,来自缅因湾和地中海的基因组种分别有 51% 和 35% 具有病毒 DNA。值得注意的是,在 choanozoans 和 picozoans 的基因组中,100% 的样本都含有病毒的 DNA 序列,但是相比之下细菌的 DNA 却很少。

左:choanozoans | 右:picozoans

科学家疑惑的是,这些病毒 DNA 是怎么来的呢?一般来说,在原生生物体内发现病毒 DNA 是因为被该病毒 DNA 感染。然而,Bigelow 海洋科学实验室的 Julia Brown 发现,这些病毒几乎不可能感染所有被发现的生物。综上,科学家得出的结论是,picozoans 和 choanozoans 可能经常吃这些病毒。

这项发现解答了 2007 年发表在 PLOS ONE 杂志上的一个疑问,当时发现,picozoa 的取食器太小,只有 150 纳米,以至于无法吃掉细菌[7]。科学家一直困惑于他切割食物或捕食的方式。今天,这个问题迎刃而解。

Julia Brown 补充说,该病毒富含磷和氮,可以作为富含碳的饮食的良好补充。这些原生生物吃掉该病毒会减少其他生物的被感染数量,与此同时,病毒内的有机碳则沿食物链向上传播。

这是人类首次发现以病毒为食的非病毒生物,具有里程碑意义。

这个食物网中的全新节点,也让科学家对碳循环和整个食物网的结构都有了新的理解。病毒成为食物网中输送养料的重要一环,并让科学家们重新思考和定义之前构建的海洋食物网模型。