自然界与实验室中的微生物群落——访谈

我叫 Ed DeLong，是麻省理工学院的一名教授。我同时在土木与环境工程系以及生物工程系任职，这可能看起来是一个不寻常的组合，因为我实际上涉足了两个不同的领域。我们研究的一个方面与环境有关，特别是与微生物相关，研究它们如何影响环境，以及环境如何影响它们，这就是我们项目中土木与环境工程部分，也就是环境方面的内容。

我们研究的另一个方面更侧重于生物工程。是什么让微生物具有生命活性？它们的结构是如何组成的？

构成微生物或微生物群落的不同部分是如何协同发挥作用的？这两个领域之间的某种联盟结合得相当紧密。我个人的专业背景是普通微生物学，同时结合了一些海洋学。

我，我在加州大学戴维斯分校获得了细菌学学士学位。之后，我在斯克里普斯海洋研究所获得了博士学位。我的博士学位实际上是海洋生物学，如果你相信的话。

而我如今身处麻省理工学院。这一切是如何发生的？微生物学领域正在迅速变革。

而目前我们对微生物的认识之所以取得重大进展，很大程度上得益于基因组学领域的技术进步。通常情况下，如果在显微镜下观察微生物，很难对其进行准确鉴定。尽管微生物具有一些不同的形态和大小，但这些特征并不能充分说明该生物体的身份或其功能。

因此，微生物学家通常只能在实验室中观察微生物，这种方法虽然极为有效，但基本上属于医学微生物学的延伸。你可以从环境中分离出一种微生物，就像分离一种化学物质一样。

一旦获得了这种纯培养的微生物，即纯的微生物物种，就可以研究其表型、特征以及使其能够在环境中发挥作用的各种属性，等等。然而，在理解整个微生物世界方面，这种方法存在两个问题。其一是，微生物在实验室中的行为并不总是与其在自然环境中的行为相同。

另一个更为严重的问题是，大多数微生物物种实际上很难被驯化。我们在实验室中培养的微生物“动物园”通常仅代表自然界中微生物多样性的约0.1%。因此，微生物世界中存在一个巨大的组成部分，我们迄今尚无法在实验室中培养，因而对其知之甚少。

然而，这代表了自然界中绝大部分的生物量。这一点之所以重要，原因有很多。但其中一个主要原因是，微生物可以说是自然界中能量和物质转化的驱动力。

因此，诸如温室气体和能量在生态系统中的流动，其规模之大，与我们讨论的某些气体相比极为显著。每年以吉吨计的通量，实际上是由微生物物种以分布广泛的方式介导的，尽管单个微生物非常微小。正是数量上的优势以及微生物在地球上的广泛分布特性，推动了大量物质和能量的转移。

而且，这正是在微生物自身的环境中、在自然界中理解它们的一个重要而有力的理由。随着基因组学逐渐成为研究前沿，对整个微生物基因组进行测序变得越来越容易，成本也越来越低。当然，这一进程大约始于二十世纪九十年代中期。

当这一现象开始出现后，人们意识到可以利用相同的技术来研究自然环境中微生物基因组的特性，而无需对其进行培养。这一方法实际上是更早期由卡尔·伍斯（Carl Woese）和诺姆·佩斯（Norm Pace）开展的研究工作的延伸。在20世纪80年代中期，诺姆·佩斯（Norm Pace）意识到，他可以在不培养微生物的情况下识别它们。

实现这一目标的方法是前往任何微生物栖息地，分离生物量，然后从这些生物量的脱氧核糖核酸（DDNA）或核糖核酸（RNA）中提取核酸。例如，可以对具有分类学信息的分子（如核糖体RNA）进行测序，从而获得一系列不同的核糖体RNA序列。

它们几乎就像是特定分类群的条形码，你可以利用它们来鉴定任何特定生境中微生物的种类。这种方法的局限性在于，你所拥有的仅是一个RN基因。

它能告诉你微生物是什么，但无法确切说明它们正在做什么。而现在，随着基因组学的应用，你可以更进一步：可以从几乎任何你想到的微生物栖息环境中分离核酸，并利用多种技术分离出较大的基因组片段，这些正是我们今天将要向你们展示的一些实验方案。

或者，你可以将该DNA打成小片段，然后进行鸟枪法测序。理解这一点最简单的方式是：你获得了构成该微生物群落的所有微生物组分的部件清单。而这份部件清单是我们以前从未能够获取的。

因此，根据该部件列表，我们能够逐步解析出其中存在的微生物组成，以及它们的一些潜在功能。实际上，我们最终的目标是提出假设，然后通过生物化学方法进行验证；或通过生理学方法，回到环境中去追踪基因在空间和时间上的分布与变化。

而这一不断发展的领域，将基因组学与生态学方法相结合，如今被称为宏基因组学或环境基因组学。如今人们发现，这类研究正在多种不同生境中开展，包括土壤、农业环境以及海洋。此类研究中最早且规模最大的项目之一是由克雷格·文特尔（Craig Venter）在马尾藻海开展的，此外，人类微生物组的研究也具有重要意义。

大多数人可能并未意识到，与人体共生的微生物细胞数量实际上超过了人体自身的细胞数量。人体内大约有10的14次方个微生物，而人体细胞仅有10的13次方个。因此我有时会说，上帝一定对微生物有着异乎寻常的喜爱，因为它们的数量远超我们自身。

但这些概念确实非常重要。试想我们自身，我们从来都不是孤立存在的。

我们始终伴随着一个微生物群落，它可能具有多种不同的功能。现有证据表明，事实上，某些疾病（如肥胖症）中，微生物成分可能对人类表型以及我们从食物来源中吸收能量的多少产生重大影响。因此，我们是一个生命系统，其组成不仅包括我们自身，还包括与我们共生的微生物群落。

这些利用基因组学的新方法使我们能够开始剖析那些此前无法观察的生物世界部分，而其力量正蕴含于此。目前该领域的发展不仅仅是收集一份组成部分的清单，更重要的是人们真正认识到其中存在着复杂的动态过程。

最初，当基因组开始被测序时，当然，单个基因组序列被视为一个独立的实体：你拥有一种纯化的微生物菌株，它具有一个基因组，你可以测定构成该基因组的约200万个碱基对。这看起来像是一个非常固定且静态的实体。然而，当我们去自然界中观察时却发现，实际上几乎不存在单一的微生物菌株这种现象。

当研究这些天然的微生物群落时，你会发现其中存在一种基因组层面的共性模式，可以说，一个物种正是围绕着这种模式构建而成。但在任何一个特定的群体中，都存在着大量对该模式的变异，即众多不同的菌株。而我们逐渐认识到，基因组并非静态不变的实体，而是始终处于动态变化之中。

它们具有动态性。事实上，种群正是以这种方式运作的。因此，你可以想象，当环境中存在一些细微变化时——这些变化可能与营养、温度或盐度有关——种群中的某些变异个体能够更好地响应这种环境变化。

并且存在持续的变动，但它们自身也在不断变化。因此，中性漂变持续提供变异，而自然选择则作用于这些变异。这使人们对基因组有了不同的、更为动态的认识。

这不仅仅是像基因组的静态图片，而更像是在观看一部动态影像。这些新研究的强大之处在于，我们开始获得一系列“定格画面”，从而能够拼凑出基因组如何进化的动态过程，揭示基因组变化对生物表型、对环境的响应以及对环境影响的深层含义。因此，这一领域确实令人振奋，因为它为微生物学、群体遗传学开辟了新的研究方向。尽管人们可能认为微生物学中的这一方面早已发展成熟，但实际上并非如此，因为我们此前一直缺乏一种能够以高度精细的方式研究自然微生物群体遗传学的有效方法。

此外，这类研究的另一个组成部分是，我们现在可以深入研究群体遗传学和群体基因组学，以观察这一动态过程。这具有非常强大的作用，并对我们理解微生物如何获得功能、功能和特性如何在群落间传播具有诸多实际意义。令我们感到惊讶的是，这在一定程度上改变了我们对表型特征和功能特性在微生物之间传递方式的认识。在生物学中，对于有性生殖生物，我们通常认为性状是从母代传递给子代的，依此类推。

并且，生物特性正是通过这种遗传性的基因传递方式得以延续。然而，微生物世界具有不同的动态机制，我们开始在一些宏基因组学调查中观察到这一点，这些现象与所谓的水平基因转移有关，即基因或完整的基因簇通过DNA转移过程从差异很大的生物体之间进行传递。如果这些DNA在受体生物体中得以表达，并具有正向的选择优势，那么它们便可以在多种不同的生物体中开始传播。最近，我们利用实验室中所采用的这类技术，揭示了这一过程的机制：我们能够从微生物群体中分离出非常大的基因组片段。

我们在不同的时间和空间节点上进行这一操作。在此案例中，我们能够沿着能量梯度——即穿透海洋的光照梯度——分离出基因组的大量片段。在我们所研究的开阔海域中，这一梯度具有非常明确的分布特征。

透光层实际上相当深，一直延伸到海平面以下200米处。然而，光能的质量和数量当然会发生变化。

随着光线被衰减，深度越深，光的颜色变得越来越偏蓝，导致深海生物可利用的光波长范围更窄。同时，光的能量也逐渐降低。因此，可以开始研究依赖光的生物如何适应并随着光能梯度、光质和光量的变化而发生相应改变。

有趣的是，你可以沿着这些光梯度追踪特定基因以及与之相关的微生物种类。简而言之，我们的发现表明，某些参与光能捕获、被称为视紫红质（rhodopsins）的特定基因，其表达非常容易且所需基因极少，因此这些光系统相关基因已在各种不同的微生物之间广泛传播。

我们之所以能够得出这一结论，是因为我们已从已知的、差异极大的不同类群（如古菌和细菌）中分离出了基因组片段，并发现了具有几乎相同特性的光合作用系统。因此，可以追踪这些功能性基因片段在环境中的不同生物之间转移的过程。

这不仅仅是对生物体上的基因进行定位，还包括沿着环境梯度来绘制这些基因的分布图。因此，当我们观察包含这些光合系统的较大基因组片段时，另一个发现是：这些基因在光照区（深度约0米至130米）中非常丰富。然而，当深入到光照区底部及其下方时，这些基因便消失了。

尽管相同的生物在更深处仍然存在，但这些基因却消失了。这向我们表明，在缺乏选择压力——即缺乏使这些基因能够发挥作用的光照——的情况下，这些基因会随着深度的增加而在各种不同的生物中逐渐丢失。这一现象之所以引人关注，首先在于它揭示了一种利用光的特定能量生成机制，说明了这种机制在环境中的分布位置，以及它在不同生物间的分布情况和动态变化规律。

但总体而言，这也非常有趣，它提供了一种思考基因和基因组定位的新方式，不仅涉及生物体本身，还包括这些生物体在时间和空间中的分布，以及这些基因在时间和空间中的分布，还有二者的交汇点。我们才刚刚开始学习如何实现这一点。这仅仅是一组基因的示例。

但你可以提出一个普遍性的问题：这些喜欢在不同生物间频繁移动的泛基因共有多少种类？在任何特定生境中，我们尚不清楚这一问题的答案，也不了解其发生的普遍程度以及这些基因移动的机制是什么。是环境中的游离DNA吗？还是通过病毒将基因从一个生物体传播到另一个生物体？

这些在很大程度上是未知的领域，但现在我们可以通过将基因映射到天然存在的生物体上、将这些生物体映射到环境中并理解其变异性的方法来探索。因此，微生物学正处在一个真正崭新的时代，我们得以以前所未有的方式观察环境中基因组动态的“动态影像”，这使我们处于一个全新的位置，能够更深入地理解微生物世界在自然界中的真实运作方式。当然，其中一个挑战——这不仅是环境科学的挑战，我认为也是生物医学科学的挑战——就是如何全面获取所有正确类型的数据。

在此情况下，我所指的是元数据，元数据当然是指关于数据的数据。如果你回想一下我在海洋中提到的例子，有许多信息是你需要了解的。你需要知道光谱辐射度是多少，光子通量如何，穿过水体的光的波长是什么，水的温度、盐度和压力如何，因为这些变量中的每一个都会对生物的演化过程产生重要影响。

因此，除了获取基因组和生物体的数据外，我们还需要获得关于环境的丰富数据，以便与不同时间、不同地点以及其他研究者的数据进行比较。尽管环境科学家长期以来一直在使用此类数据集，但生物信息学、基因组学与环境科学之间的融合相对较新。而目前现有的数据库尚不一定能够很好地容纳这类数据。

因此，目前可以说正在经历一个小小的演变过程，不仅来自环境科学领域，而且由于我本人是海洋学家兼海洋生物学家，也来自海洋学领域，正试图与从事基因组学和生物信息学的研究人员进行交流，反之亦然。我可以举一个例子：我参与了一个美国国家科学基金会（NSF）资助的科学与技术中心，名为微生物海洋学研究与教育中心（Center for Microbial Oceanography Research and Education），简称 C-MORE。

在Seymour，我们非常关注捕捉这一完整的动态过程，即从基因组到生物群系的连续体，涵盖从基因组、转录组、蛋白质组，到细胞、种群、群落以及生态系统的各个不同层次的生物学复杂性。这些涉及大量不同类型的信息，目标相当宏大。

因此，这个项目——美国国家科学基金会（NSF）科学与技术中心——Seymour，位于夏威夷，由一群海洋学家、微生物学家和分子生物学家组成，他们正致力于合作，探索如何以这种方式对特定系统进行表征。在本案例中，该系统主要是指中太平洋的上层海洋。开展这项研究的一个重要原因在于，这一系统涵盖了地球表面广阔的生物组成部分，覆盖了我们星球约三分之二的面积。Seymour 实际上正在与另一个由摩尔基金会资助的项目 camera 展开合作。

而 CAMERA 由 Larry Smar 和 Craig Venter 牵头，旨在收集环境中获取的大量基因组数据，并将其与同步采集的环境数据或综合环境数据一并呈现。因此，这些环境数据与基因组数据是在同一时间采集的。这确实是全新的领域。

这项工作刚刚开始，将需要更多的协调，以及关于数据标准和元数据标准的讨论。如何构建一个能够容纳此类信息的数据库？因为目前这项工作主要集中在海洋领域，这为研究提供了一个明确的方向。

但可以想象，研究人类微生物组的人员必然需要类似的数据集，以及临床数据、个体信息等相关数据。这是一整套不同的问题，但在很多方面，它与之前的问题类似，即从自然存在的微生物群落中获取基因组数据，同时收集所有相关的元数据，例如它们所处的环境、生存条件等。当然，人们希望未来能够建立起大型关系型数据库，从而可以针对特定基因类型或类别提出相当有意义的科学问题。

可以思考一下我们通常认为具有致病性的某些基因，例如 pilI，是否存在某些特定的 pilI 基因总是与临床或致病环境相关，还是这些 pilI 基因分布更为广泛，实际上只是适应了特定条件下的致病形成等情况。在理解微生物世界如何进化以及特定适应性如何导致某种环境关系或生活方式的过程中，这些数据集之间可能存在大量潜在的相互作用。我是自由生活的吗？

我是否附着？我是否为病原体？所有这些问题都相互关联。因此，随着这些关系型数据库的不断扩展，它们可能在实际应用以及理论发展方面都变得极为重要。

而且，目前尚未达到目标。在接下来的五到十年内，他们还有很长的路要走。我认为，在人类基因组、人类医学和遗传学的背景下，将会出现一系列进展。

一千美元基因组一直是人们追求的圣杯，相关技术正在迅速发展，至少在重测序领域是如此。因此，其中一个重大影响将是获取基因组信息的门槛显著降低。我这里所说的门槛，指的是经济成本。

这将大大降低成本，并显著加快速度。在不久的将来，很可能出现腕表大小的设备，让你能够自行测序自己的基因组。这 certainly 在可能的范围之内。

当这种情况发生时，游戏规则就会发生一些变化。目前，大量的基因组测序工作是在人员众多的大型专业中心进行的。基因组测序未来的发展方向，以及当前正在发生的变化，无疑是变得更加分散化。

有趣的是，随着数据生成的源头变得越来越分散，这给数据收集、数据标准以及数据传播带来了新的挑战。因此，这是一个颇为棘手的问题。而且，这再次与整个数据库问题密切相关。

另一件正在开始发生且未来将更加普遍的现象是，我们通常认为获取基因组数据是一种将数据存入数据库的企业化行为，一旦数据进入数据库，任务便告完成。实际上，DNA测序在实验科学中具有非常强大的应用价值。随着一些新技术逐渐崭露头角，我认为未来人们获取基因组数据的方式将更多地转向实验性模式，而不仅仅是单纯的数据收集与存档模式。

而且，人们可以设想通过追踪环境中的种群，研究基因表达，并将基因表达模式与蛋白质组学模式进行叠加分析。所有这些都将逐步实现。因此，我们可能会更多地将基因组测序视为一种实验工具，而非仅仅用于扩充数据库的手段。

因此，这类工作都即将展开，而所有这些工作的核心必然是数据采集，以及应对海量数据所需的计算基础设施，包括硬件和软件。在此基础之上，还需要发展相应的理论体系。如果考虑生物学理论在生态学中的具体应用，会发现许多理论是基于大型生物、尤其是进行有性繁殖的大型生物建立的，而其中一些基本规律和理论并不一定适用于微生物世界。因此，我认为对于数学家和理论研究者而言，利用当前以及未来所收集的这些数据，作为建立新理论和预测性理论的模型基础，具有巨大的发展潜力。

而最终目标实际上是理解我们星球的运行机制，部分原因在于，我们所呼吸的空气，以及真正维持地球元素循环平衡的物质与能量通量，在很大程度上是由微生物物种的集体活动所调控的。由于我们人类自身目前正以前所未有的强度影响着某些能量和物质循环——以大气中的 CO2 为例——因此，理解自然平衡如何发生变得愈发重要。随着我们自身对这些循环的干扰日益加剧，我们更需要思考如何以更可持续的方式与地球上的物质和能量循环共存。因此，我认为，这类基础性研究，尽管看似是还原论式的科学，但最终将通过宏基因组学以及我所提到的其他一些技术与理论发展，演变为一种更加整体性的科学，从而帮助我们理解复杂系统，不仅限于细胞层面，更扩展至整个地球层面。

因此，目前凭借我们在实验室中向你们展示的这些技术，以及该领域当前的发展状况，我们才刚刚迈出最初的一小步。但我认为，我们已经开始看到一些微小的迹象，预示着这一领域未来可能的发展方向。如果我们能够找到方法来统筹协调这些技术，那将令人振奋，因为它需要众多技术专家、理论学家、数学家和工程师的共同协作，才能将这一切整合起来。

因此，目前形势十分有趣，而且可以肯定的是，事态将会变得愈发引人关注。