海洋微生物來自海洋環境，其正常生長需要海水。圖為海南三亞蜈支洲島海域海洋牧場內生長的珊瑚。 新華社記者楊冠宇攝
在國家海洋博物館展示的海洋生物標本，肉眼看不見的微生物也寄身在魚類身上。 新華社記者李然攝
一些壞的微生物在鳥類身上無處不在。上海動物園在每年春秋兩季給園內170多種、2600多隻鳥類進行體內外用藥、接種疫苗，採取多種方式「防疫」。 新華社記者張建松攝
科學前沿
老前輩
●肉眼看不見的微生物是我們人類的「老前輩」。如果把地球年齡比喻為一年的話，微生物約在3月20日誕生，而人類約在12月31日出現在地球上
無處不在
●上至幾萬米高空，下至幾千米深海，熱達300℃的溫泉，冷至零下80℃的寒極，都有微生物存在
社會關係
●數十億年中，微生物形成錯綜複雜的「社會關係」網絡。它們不僅僅是「分解者」，還影響到溫室氣體、綠色生產以及人體健康的方方面面
不久前，浙江大學徐建明教授團隊在《微生物組》雜誌上發表論文，通過分析地球微生物組計劃（Earth Microbiome Project）大數據，進一步發掘全球微生物的「社會關係」。浙大科研人員從地球微生物組計劃的大數據著手，構建起一套統計模型，進而「篩出」微生物之間的相互作用規律。
□朱涵
微生物圈「奇遇記」
大魚吃小魚、小魚吃蝦米、蝦米吃浮遊生物……這是物種間的食物網。在微生物群落中，也有類似的網絡，不同微生物間存在著共生、寄生、捕食和競爭等相互作用形式。
「在過去，科研人員常常在微觀尺度挖掘微生物的具體特性，但有時如同盲人摸象，只能看到局部。」徐建明說，這就像是人類社會，除了知道一個個的人叫什麼名字，還要知道人與人之間的關係，才能更好了解社會關係的全貌。
大魚吃小魚、小魚吃蝦米、蝦米吃浮遊生物……這是物種間的食物網。在微生物群落中，也有類似的網絡，不同微生物間存在著共生、寄生、捕食和競爭等相互作用形式。
浙大研究團隊綜合分析土壤、植物、動物、水體等全球多種生存環境中的微生物組數據，採用了來自14個環境中的2.3萬多個樣本，分八大模塊構建了全球微生物共存網絡。乍看之下，整個網絡圖就像分子結構模型，不同的是，網絡內部各模塊之間縱橫交織，連接更為複雜。
通過這張網絡，研究人員發現，土壤微生物組與動物體表、動物腸道和淡水微生物組有密切關係，植物、動物體表的微生物是連接兩組微生物網絡的「橋梁」。而由於人類活動範圍大，人類的皮膚微生物組可能對地球微生物遷移具有非常重要的作用。
「微生物社會關係網絡的相似性，反映了微生物交流的強度。比如土壤微生物和淡水微生物的『親緣關係』和『日常交往』，比土壤微生物和鹹水微生物要緊密和頻繁，這很大程度上在於水的循環作用和影響。」徐建明說。
世界上最柔弱的生物
共生、寄生、捕食和競爭等相互作用是微生物進化過程中自然選擇的關鍵。就像《愛麗絲奇遇記》中紅皇后所說的：「你必須盡力不停地跑，才能使你保持在原地。」
「這樣的關係在自然界中非常普遍，但我們有時候搞不清楚這些關係最早是如何形成的。」論文第一作者、浙江大學環境與資源學院馬斌研究員說，所有的微生物是相互關聯的，無法割裂。通過微生物社會關係網絡，我們對微生物的關係看得更清，也為進一步理解微生物之間的運行機制提供了前提。
這些共生、寄生、捕食和競爭等相互作用是微生物進化過程中自然選擇的關鍵。美國芝加哥大學進化生物學家範瓦倫認為，這就像《愛麗絲奇遇記》中紅皇后所說的：「你必須盡力不停地跑，才能使你保持在原地。」另一方面，一些微生物在進化中呈現出截然不同的面貌，比如原綠球藻屬細菌，它們數量龐大，卻幾乎是世界上最柔弱的生物。在漫長的演化過程中，這些細菌顯示出一副「成功人士」的樣子——它們慢慢地失去了分解過氧化氫等有毒物質的能力，完全依賴別的生物替自己做這些「粗活」。
進一步認識微生物、了解微生物，讓微生物為我所用，這是浙大團隊著手繪製微生物社會關係圖譜的初衷。「微生物群落是典型的複雜系統，很難對其進行準確的控制。要實現微生物群落功能的定向調控，就要找出關鍵控制因子。」馬斌說，通過分析微生物社會網絡，可以找出關鍵控制節點，通過大數據建立關係模型，有望找到對微生物定向調控的方法。
釐清微生物複雜關係
用微生物製酒、醬油、醋等已有很長的歷史，但相對於千姿百態的微生物世界，我們的了解還很有限。
中國人用微生物製酒、醬油、醋等已有很長的歷史，但將微生物作為一門科學進行研究，起步較晚。近年來，隨著科研實力的提升、科技手段的進步，我們對微生物的認識和研究也有了長足進步。但相對於千姿百態的微生物世界，我們的了解還很有限。
徐建明認為，釐清不同生態系統中微生物的複雜交互關係，還面臨兩大挑戰：一是超過95%的微生物無法人工培養，無法一一甄別；二是上萬種微生物之間存在幾億對相互關係，這樣的海量數據，根本無法通過傳統的實驗開展研究。「由於環境中絕大部分微生物類群都是未培養類群，因此我們的研究是從複雜系統的角度整體分析共存網絡，而不是對具體微生物類群進行分析。」徐建明說。
2010年，美國阿貢實驗室的傑克·吉爾伯特教授啟動了地球微生物組計劃，其最終目標是鑑定世界各地的20萬個微生物樣本，以生成一份詳細的目錄。地球微生物組計劃的第一階段成果已於2017年在《自然》雜誌發表。研究人員按照由採樣到數據分析各流程的統一標準，建立包含2.7751萬個高質量細菌和古菌群落的資料庫，並利用這些樣本，鑑定出大約30萬條獨特的微生物基因序列，其中絕大多數無法在原有資料庫中找到。
研究人員表示，雖然基因測序領域取得了一系列新進展，但由於缺乏標準化的分析方法，常用分析框架也存在缺陷，微生物組的研究仍然受到一定限制。
目前地球微生物組計劃的第二階段研究也已開始，研究人員將基於生物環境中全部微生物遺傳物質的總和，建立統一標準流程，構建地球宏基因組參考數據。「這項工作體現了全球生物界的通力合作，為深入研究未知環境的微生物組構成提供了數據基礎和參考依據。」徐建明說。
延伸閱讀
整個宇宙遍布著像蒲公英的種子一樣散落的微生物
地球生命或源於全宇宙微生物入侵
《微生物學前沿》雜誌日前刊登的一篇文章指出，一些暴露在國際空間站外的細菌存活了3年多，這一發現支持了所謂的「泛種論」，即地球上的生命可能起源於全宇宙的微生物入侵的假說。
據埃菲社華盛頓報導，這一名為「蒲公英」的研究項目的首席研究員、東京藥科大學教授山岸昭彥表示：「地球上的生命起源是人類最大的謎團。科學家對這一問題可能存在完全不同的觀點……有人認為生命非常稀有，在宇宙中只發生過一次，而另一些人則認為生命可以在每個合適的星球上發生。」
他指出：「如果泛種論成為可能，生命必定比我們想像的要普遍得多。」
報導稱，這項研究的想法是，整個宇宙遍布著像蒲公英的種子一樣散落的微生物，它們會在找到合適的環境時生長。
山岸昭彥領導的一項實驗在2018年利用一架飛機和科研氣球測試了大氣中微生物的存在，發現了漂浮在海拔1.2萬米以上的迪諾球菌（Deinococcal）。
已知這些細菌形成的菌落可以達到超過一毫米的長度，並且對紫外線和其他環境因素具有抵抗力，因此科學家們想知道它們是否能夠在外太空中停留足夠長的時間，甚至進行星際傳播。
為了尋找答案，日本研究團隊將成團乾燥的迪諾球菌樣本放置在國際空間站外裸露的板上。這些不同厚度的樣本在太空中放置了一年、兩年或三年。
報導稱，先前的實驗已經表明，如果細菌被巖層包裹，它們可以在太空中長期生存，而此次是關於細菌以團塊或團簇形式在太空中生存的可能性的首次研究。
3年後，研究人員發現厚度超過0.5毫米的星團在太空條件下部分倖存，並觀察到表面細菌死亡後會形成了一層保護層，以確保其他「殖民者」的倖存。
隨後，研究人員使用了暴露一年、兩年和三年的細菌的生存數據，並推算出一個厚度超過0.5毫米的星團在國際空間站實驗室外可以存活15至45年。
□相關連結
地球微生物組計劃
●第一階段成果
建立包含2.7751萬個高質量細菌和古菌群落的資料庫
鑑定出大約30萬條獨特的微生物基因序列
●第二階段研究
基於生物環境中全部微生物遺傳物質的總和
建立統一標準流程，構建地球宏基因組參考數據
●計劃最終目標
鑑定世界各地的20萬個微生物樣本，以生成一份詳細的目錄
□同步播報
科學家「復活」1億年前海底微生物
□袁原
近日，日本研究人員在海底沉積物中發現休眠超過1億年的微生物，在實驗室培養後成功「復活」它們。
據路透社報導，日本海洋研究開發機構研究人員在南太平洋5700米水深處海底鑽探74.5米提取粘土樣本，發現10個種群和亞群的細菌。他們在出版的英國雜誌《自然·通訊》發表研究報告，說這些細菌過去約1億年在海底處於休眠狀態，可能是地球目前已知最老生物體。
研究人員發現，儘管棲身之處幾乎一直沒有養分，這些海底沉積物中發現的微生物99%都生存下來。
日本海洋研究開發機構地球微生物研究人員諸野由己在實驗室培養這些微生物557天，為它們提供氨、醋酸鹽和胺基酸等碳、氮「食物」。這些微生物竟然開始「進食」、生長、繁殖，並顯示出多種新陳代謝活動。
這些微生物生存需要氧氣。研究人員說，如果海底沉積物以每100萬年堆積1米至2米深的速度形成，那麼其中可能殘存氧氣，使這些微生物得以存活。
微生物是地球上最簡單的生物體。它們有些能在高級生物無法生存的極端環境存活。諸野由己說，研究顯示，地球上最簡單的生物結構「沒有壽命的概念」。
本組稿件均據新華社