一个危险的“深远的无知”——随着动植物多样性的减少,微生物的生命也在改变吗?

人类舌头上的微生物群落

每种颜色代表一种不同类型的微生物。核心部分的白色物质代表了微生物赖以生长的人类舌头细胞的残留物。来源:史蒂文·威尔伯特,加里·鲍里斯,福赛斯学院;杰西卡·马克·韦尔奇,海洋生物实验室

微生物(包括病毒)生物多样性的未知变化方向和速度可能对地球上所有生命产生深远影响。

随着动植物多样性日益减少的警钟敲响,一个具有同样深远影响的相关问题也提出了:包括病毒在内的微生物生命的多样性也在变化吗?如果是的话,变化的方向是什么,变化的速度有多快?

在今天发表的一篇论文中,瑞士巴塞尔大学的David S. Thaler和洛克菲勒大学人类环境项目(PHE)的客座研究员指出,植物和动物多样性的“明显下降”轨迹已被充分记录,构成了“人类世的一个关键问题”。

微生物的世界是否也在发生变化是“完全未知的”。微生物是行星运行中最小的齿轮。我们不知道全球微生物多样性是在增加、减少还是保持不变,”塞勒博士说。

“大多数科学论文告诉我们新的事实。这是一种不同的纸;它没有回答任何问题,只是提出了一个新问题,”塞勒博士说。

“苏格拉底把对不懂的东西的无知称为‘深度无知’。”这种无知也被美国前国防部长唐纳德·拉姆斯菲尔德称为“未知的未知”(视频嵌入下面)。今天的论文确定了什么是(或到目前为止是)生物学上的‘未知的未知’。”

塞勒博士指出,评估植物和动物的生物多样性包括在给定的时间范围内统计不同的物种,然后比较随后的统计结果。通过这样做,我们了解到一些物种最近已经灭绝,许多物种的数量更少,估计有100万个物种在几十年内面临灭绝的危险。

例如,同样的方法也被用于监测由于饮食变化而引起的肠道微生物多样性的变化。

Thaler博士说,不幸的是,“在不同的时间数数所有的事情”来弄清楚全球微生物生物多样性的变化方向可能是不可能的,因为:

  • 目前微生物生物多样性的程度是未知的,微生物世界的很大一部分可能存在于难以接近的、罕见的或极端的环境中——深度越深,我们知道的就越少。先前的研究推断,深层热生物圈可能包含了我们星球上大部分的微生物多样性。解决这个问题可能需要20年的时间,才能对深层生物圈和其他难以接近的环境有充分的了解。
  • 一个可能的“先有鸡还是先有蛋”的悖论可能很难解决:建立一个基线序列库可能永远不会完成,因为新的多样性产生的速度比测量的速度要快。如果微生物多样性的某些部分或所有部分都在迅速增加,那么调查方法可能永远赶不上这一动态过程。

塞勒博士说:世界上正在发现数以百计的变异SARS-CoV-2病毒导致新型冠状病毒肺炎据粗略估计,世界上有100亿种不同的微生物,每种微生物都以自己的方式进化。

(塞勒博士引用了下面嵌入的哈佛医学院(Harvard Medical School)的一段视频,它记录了细菌如何快速变异,以克服抗生素浓度越来越高的问题。与此同时,最近的一项研究(bit.ly/ ipbeespandemic)也估计,世界上有超过100万种动物病毒,其中大约一半可能会传染给人类。

他补充说:“微生物的进化并不总是朝着更大的多样性方向发展,微生物也可能灭绝,天花病毒就是一个例子。”“无数的其他病毒和细菌可能也来了又走了,而我们根本不知道它们的存在。有些微生物与某些动物和植物有特殊的联系。随着这些动植物的灭绝,与它们相关的特殊微生物似乎也消失了。”

“关键是,我们知道,就植物和动物而言,目前地球生物圈的总体轨迹是朝着更少的物种方向发展,但对微生物进化的总体轨迹或详细的精细结构轨迹没有可比的理解。”

微生物进化轨迹中可能的影响并不局限于攻击人类或我们赖以为生的少数物种的病原体的进化。

海藻表面的细菌

每个点或细丝都是一个细菌细胞,不同的颜色表示不同种类的细菌。较大的脊状椭圆形是被称为硅藻的单细胞藻类。图片来源:Tabita Ramirez-Puebla和Jessica Mark Welch,海洋生物实验室

非致病性微生物生命的变化也可能对生物圈产生重大影响。这些复杂的微生物群落——据估计仅微生物就多达100亿种——的重要性再怎么强调也不过分:它们维持着地球的宜居性。

(2011年,科学家估计地球上的动植物物种(或称“macrobe”)数量接近1000万,这意味着每一个“macrobe”物种就有1000种微生物,陆地和海洋物种的macrobe/微生物比例相同。)

人类依赖细菌、古生菌、真菌和原生生物所提供的生态服务,它们循环利用营养物质,滋养植物生长,净化水源,制造奶酪和葡萄酒,分解废物。而且,通过将大气中的二氧化碳转化为碳储存在土壤或海洋深处(氮、硫、铁、锰等也可以这样做),微生物是地球大气和气候的关键。

海带表面微生物群落

每个点或细丝都是一个细菌细胞,不同的颜色表示不同种类的细菌。较大的脊状椭圆形是被称为硅藻的单细胞藻类。图片来源:Tabita Ramirez-Puebla和Jessica Mark Welch,海洋生物实验室

今天,全球可遗传的DNA序列信息“可能是由微生物主导的,包括病毒,”塞勒博士说。“一个有趣的可能性是,宏观可见的动植物在生物圈可遗传信息中所占的比例可能会不断缩小。我们真的不知道。”

“然而,我们或许应该知道,在一场生物信息竞赛中,我们是否处于失败的边缘,甚至可能想要采取实际步骤,增加‘我们的团队’的信息内容。”’还有一种纯粹的智力兴趣,就是更多地了解我们在生物信息宇宙中的位置,或许类似于我们在不断膨胀的物理宇宙中的位置。”

这是一个很难的问题,但难并不意味着不可能,他补充道:“有什么方法至少开始解决这个问题?”

DNA技术显然是一个值得关注的地方。如何应用当前的技术,以及未来的发展如何提供帮助?

塞勒博士说,有两种方法。

一种是关注微生物进化的“调节器和载体”,比如细菌的性别。其他可能被利用的新方法包括单分子或单细胞(DNA)测序。

DNA条形码和其他基于序列的方法用于识别植物和动物的物种,并评估物种内部的变异量,“可以与微生物多样性的测量方法进行比较,”Thaler博士说。

“在宏观生命中看到的群集模式,似乎在一般情况下也是微观生命形式的属性。比较的细节是有趣的。在‘生命是坎坷的’这一不言自明的事实背后,可能存在定量的普遍原则。”

在微生物和可见动植物的宏观世界中,一个“物种”可能被认为是“序列空间”中的一个簇,可以从恒星和星系的角度来考虑,在那里,个体是恒星,物种是星系。

这项研究的赞助者、洛克菲勒大学公共卫生部门主任杰西·奥苏贝尔总结道:“林奈在1735年开始了他的自然系统,大约300年前,我们仍然没有他开始编撰的动植物物种的完整清单。用1000倍数量的微生物做类似的事情并测量变化并不容易!”

来自加里·鲍里斯(福赛斯研究所)和杰西卡·马克·韦尔奇(海洋生物实验室)实验室的视觉图像显示了直接计数的困难。几十微米,一根头发的宽度,就跨越了整个不同的、人口众多的微生物群落。

塞勒博士说,这篇论文没有提供“解决问题的方案”,而是试图“把微生物生物多样性的变化速度框定为一个有趣的、可能是重要的问题,在这个问题上有可能取得进展。”我希望阅读这篇论文的人能受到激励,想出比文中建议的更好的新方法。”

奥苏贝尔补充说:“目前还没有机构监测微生物世界的状态,也没有世界野生动物基金会(world Wildlife Fund)和微生物自然保护协会(Nature Conservancy)。也许不久的将来,我们会意识到并纠正我们的忽视,提高我们对微生物多样性的尊重。”

"微生物多样性研究的方向和步伐是什么? "David S. Thaler, 2021年4月19日,《生态学与进化前沿》。
DOI: 10.3389 / fevo.2021.565649

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