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無處不在 5 感染的海洋

無處不在

5 感染的海洋

制止霍亂爆發對於海洋病毒來說只是雕蟲小技。它們能殺滅無數種微生物,而微生物本身又是地球上最偉大的地質工程師,二者角力,甚至會影響整個地球的大氣層。藻類和光合細菌生產了大約一半我們吸入的氧氣,藻類的代謝還會生成二甲基硫,這種氣體釋放到空氣中,水汽圍繞它們開始凝結,就形成了雲。雲層把來自外太空的陽光反射回去,就使地表冷卻下來。微生物還會吸收和釋放出大量二氧化碳,這些二氧化碳通過捕獲大氣中的熱量來調節大氣溫度,例如一些微生物的代謝廢物是二氧化碳,當它們大量排放到大氣中,就會使地球變暖。相反,藻類和光合細菌在生長的過程中又會吸收二氧化碳,使大氣變冷。當海洋微生物死去,它們之中蘊藏的碳會沉入海底。就是這一層層逐漸積累的微生物遺體,在數百萬年的時間里讓地球溫度穩定下降。更重要的是,死去的微生物會變成岩石——位於英國多佛的白崖之所以擁有它神奇的顏色,正是尾藻這種單細胞生物的白色外殼大量沉積的結果。
海洋病毒的驚人之處不僅在於它們的數量,還在於它們的遺傳多樣性。人類的基因和鯊魚的基因非常相似——科學家甚至可以在鯊魚基因組中找到與人類基因組中大多數基因相對應的基因。然而,海洋病毒的基因與人的基因之間幾乎沒有任何相似性。在對北冰洋、墨西哥灣、百慕大和北太平洋的病毒進行的調查中,科學家發現了180萬個病毒基因,其中只有10%的基因能與微生物、動物、植物或其他九_九_藏_書生物(甚至包括病毒)的基因相對應。其他90%的基因都是全然陌生的。從200升海水中,科學家一般可以找到5000種遺傳背景完全不同的病毒,而在1千克海洋沉積物中,病毒的種類可能達到100萬種。
這個數字實在太大了,大到根本找不到一個例子來類比。在海洋中,病毒的數量是其他所有海洋居民加起來總量的15倍,而它們的總重量則相當於7500萬頭藍鯨(整個星球上只有不到1萬頭藍鯨)。如果你把海洋中所有病毒挨個兒排成一排,會延長到4200萬光年之外。
科學家可以通過比較很久以前從共同祖先分道揚鑣的物種的基因組,來確定某個基因的演化歷史。例如,通過比較,科學家就從現在的宿主細胞里找到了一些來自遠古病毒的基因。科學家發現,所有現存生物的基因組中都有鑲嵌的痕迹,正是病毒充當了載體的角色,在基因組中引入成百上千的新基因。科學家在生命之樹上所能觸及的地方,都有病毒傳遞基因的痕迹。達爾文把生命的歷史比作一棵樹,但基因的歷史——至少是海洋微生物和它們所攜帶病毒顯示出的基因的歷史——更像是一個繁忙的貿易網路,這個網路可以一直蔓延到數十億年前。
基因在物種之間的穿梭,對地球上所有生命的演化都產生了深遠的影響。畢竟生命是從海洋中走出來的。最古老的生命痕迹是大約35億年前海洋微生物的化石;多細胞生物也是從海洋中演化而來,最古老的多細胞生物化石可以追溯到20九-九-藏-書億年前。事實上我們的祖先直到大約4億年前才爬上陸地。病毒並不會在岩石中留下化石痕迹,但它們卻能在宿主的基因組中留下自己的印記。這些印記表明病毒已經存在了數十億年。
但即使是這麼偉大的地質工程師,也會源源不斷地死在病毒手裡,實際上每天死於病毒襲擊的細菌多達數萬億。隨著這些受害者的生命走向終結,每天會有10億噸的碳元素被釋放出來。這些重獲自由的碳有時候會起到養料的作用,哺育其他的微生物,還有一些就沉入了海底。細胞內的分子是有黏性的,所以一旦病毒把它們的宿主爆開,這些有黏性的分子就釋放出來,裹挾住更多的碳分子,如同巨大的雪暴,紛紛落入海底。
這些數字並不意味著在海里游泳就是死路一條。海洋病毒中只有極小部分會感染人類,也有的會感染魚類和其他海洋動物,但迄今為止,它們最常見的目標是細菌和其他單細胞微生物。微生物是渺小的,單獨的一個微生物個體肉眼不可見,但當你把所有海洋微生物作為一個整體,那麼所有的鯨魚、珊瑚礁和其他海洋生物都會相形見絀。就像我們身體內的細菌會被噬菌體攻擊一樣,海洋中的微生物也會遭受海洋噬菌體的攻擊。
一些偉大的發現,初看起來彷彿是可怕的錯誤。
當宿主細胞製造新病毒時,它有時會意外地加入一些自己的基因。這些新病毒就成了這些基因的載體,它們帶著這些來自宿主的基因在漫漫海洋中暢遊。當病毒插入新宿主的基因組,舊宿主給它們的這段read•99csw•com基因也就插入了新宿主的基因組。一項研究顯示,海洋病毒每年都會在不同的宿主之間傳遞大約一億億億(1×1024 )個基因。
海洋病毒的強大在於它們的傳染性。在短短1秒鐘之內,它們能對微生物發起10萬億次進攻;每一天,它們能殺死海洋中15%~40%的細菌,而宿主細菌的死亡就意味著更多噬菌體被釋放出來。每升海水每天能產生多達1000億個新病毒,這些病毒馬上就會投入戰鬥,迅速感染新的宿主。高效的作戰風格讓它們很好地控制了宿主,而我們人類就成了獲益者。例如霍亂,它由一種經水傳播的弧菌所致,這種細菌也是不少種噬菌體的宿主。當霍亂弧菌爆發並導致霍亂流行時,噬菌體也跟著大肆繁殖。病毒迅猛增殖,越來越快地殺死弧菌,直到超過了微生物繁殖的速度,細菌陣營就潰敗下來,霍亂的流行也因此平息。

海洋噬菌體是如何統治海洋的

普羅克特的計算結果大大超出了之前人們的估計。但是當其他科學家也開展了類似的獨立調查,也得到了相似的數據。學術界逐漸認識到,海洋中大約存在著1000000 0000000000000000000000000(1×1031 )個病毒顆粒。
1986年,紐約州立大學石溪分校一個名叫利塔·普羅克特(Lita Proctor)的研究生決定看看海水中究竟有多少病毒。當時人們普遍認為海里是幾乎沒有病毒的。為數不多真正嘗試過從海里尋找病毒read•99csw•com的科學家,也的確只發現了很少的個體,而且在大多數專家看來,這些偶爾在海水中發現的病毒實際上也都來自陸地上的污水等其他來源。
早在1917年,當費利克斯·德雷勒從法國士兵體內第一次發現噬菌體的蹤影,許多科學家都拒絕相信這種東西的存在。而在今天看來,德雷勒是毋庸置疑地發現了地球上最豐富的生命形式。而且海洋病毒的存在,對整個地球都施加了巨大的影響。海洋中的噬菌體影響著全球的海洋生態系統,它們在全球氣候中也留下了自己的印記。在數十億年生命演化的過程里,它們一直扮演著至關重要的角色。可以說,它們是所有其他生命仍然在世的母體。
不過,若干年過去,少數科學家的研究積少成多,越來越多違背共識的證據出現。例如,海洋生物學家約翰·西伯思(John Sieburth)曾發表過一張照片,照片展示了一顆海洋細菌釋放出大量病毒的過程。普羅克特決定進行一番系統的搜索。她從美洲加勒比海輾轉到北大西洋中部的馬尾藻海,一路收集海水。回到位於紐約長島的實驗室之後,她小心翼翼地從海水中提取出生命物質,在它們的表面塗布金屬,這樣這些生命物質就會在電子顯微鏡下現形。當普羅克特做完冗長的準備工作,終於坐下來仔細觀察她的樣本時,展現在她眼前的是一個驚人的病毒世界。其中一些病毒自由漂浮,而另一些則埋伏在遭受感染的細菌體內。普羅克特根據樣本中病毒的數量估算,每升海水中竟含有多達1000億個病毒顆粒。
https://read.99csw.com成如此豐富的多樣性的其中一個原因是海洋病毒可以感染的宿主數量龐大。每種病毒都必須演化出新的性狀,才能有效穿過宿主的防線。多樣性也可以是更和平的演化的結果。溫和噬菌體完美地融合在宿主的DNA中,當宿主繁殖時,在複製自身DNA的同時也會複製病毒的DNA。只要溫和噬菌體的DNA在複製過程中能保持完整,它就保留了重獲自由的機會,時勢艱難時,噬菌體能再次脫離宿主而出。但是經過足夠多的世代,溫和噬菌體的基因組裡總會出現一些突變,讓它再也不能逃脫,這時候,它就成為了宿主基因組永恆的一部分。
有時,這些外來基因能使新宿主在生長和繁殖方面更成功。宿主的成功也意味著病毒的成功。雖然有的病毒會要了霍亂弧菌的命,但有的病毒卻給細菌提供了釋放毒素的基因,人感染霍亂之後,正是這些毒素引起了腹瀉。這些帶有毒素基因的病毒可能就是新霍亂流行的始作俑者。
世界上之所以有這麼多氧氣,也可能和基因通過病毒的傳遞有關。海洋聚球藻(Synechococcus)是一種在海洋中含量非常豐富的細菌,它們包攬了全球約1/4的光合作用。科學家仔細分析了海洋聚球藻樣本中的DNA,從中發現了捕捉光子的蛋白編碼基因,而這種蛋白基因正來自病毒。科學家甚至也在海里找到了攜帶光合作用基因的自由漂浮病毒,這些病毒正在等待遇到新的宿主。粗略估算,地球上10%的光合作用都是病毒基因開展的。也就是說,你每呼吸十次,就有一口氧氣是病毒惠予的。