海洋微生物是如何演化的 | 科普专访

导语

微生物小到看不见，却可以影响海底板块的运动，还可以通过调节空气里的二氧化碳，影响气候。同时它们的DNA像一本超长历史年鉴，记录着关于地球和生命的往事。科学家现在用人工智能和合成生物学来研究微生物演化，探寻它和地球与信息的关联。本期专访南方科技大学助理教授范陆，带你走进微生物演化的神奇世界。

关键词：演化，地球科学，微生物

范陆丨受访者

集智编辑部丨整理

目录

1. 海洋微生物的演化

2. 地球-生物-信息的共演化

3. 未来的微生物演化研究

1. 海洋微生物的演化

Q1：海洋中主要有哪些微生物？

海洋微生物其实跟陆地微生物一样。它也包括古菌、细菌等原核生物，还有一些真核单细胞生物，包括原生动物、单细胞藻类、真菌，然后也包括一些病毒。这是海洋生物的一个主要类群，它不仅参与能量和物质循环，还会对整个海洋的气候变化产生非常重要的调节作用。

Q2：什么是微生物演化？

目前在地球上，有非常多样的微生物，包括古菌、细菌，以及一些真核微生物。虽然它们现在各有特点，或生活在不同的环境，但如果把这些微生物放到一棵进化树上面，会发现它们有一个共同的祖先。我们就可以去了解，它们的共同祖先来自哪里，然后在地球40多亿年的历史中，它们分别对地球的生化环境以及地质现象做了哪些贡献，包括古地球古海洋的变化，或者是古代气候的变化，都与微生物有非常紧密的关联。

Q3：海洋微生物演化有什么特点？

首先，海洋微生物与陆地微生物生活的环境有很大的区别。从海洋环境，比如海底世界的照片来看，与陆地有非常多的不一样，但是经过我们的一些前期研究发现，它们最大的区别还是所生活的水环境的盐度。海底的盐度大概在30‰左右，而陆地许多地方都是淡水，所以这个盐度对细胞的适应机制，以及它们的群落组成（微生物类别的组成）是一个最大的驱动因素。因此，盐度对它们来说，是一个最大的进化驱动因子。对于海洋微生物来说，因为它始终在一个盐度非常均衡的环境里面，所以它的演化就没有盐度这样一个最大的限制因素。但是到了陆地上，虽然有很多淡水，但陆地还有一些比如盐碱湖，以及陆地与海洋交汇的地方，有很多盐度梯度的变化，所以对陆地微生物来说，盐度的变化对它们是一个很大的进化驱动因子。

除此之外，其它的因素，包括陆地的温度、pH值、生境的异质性、时间的变化可能会更加剧烈一点。所以对陆地微生物来说，在这些方面，对于它适应环境条件的应激性，比海洋微生物的要求会更高一点。

Q4：海洋微生物的遗传信息是如何演化的？

这个问题取决于首先如何定义信息，也包括生命包含哪些信息，这也是一些前沿的理论研究的领域。就我个人理解来说，微生物最重要的信息，就是它的遗传物质，即DNA，也就是大家熟知的ATCG的排列组合，这就决定了这个细胞或这个物种的遗传基础是什么，所以这是它信息的变化的基础。但是随着这个信息变化，作为一个细胞来说，它要支持很多化学反应，即生化反应，然后它还需要与外界的环境进行交互，对环境做出应答，甚至会改变这个环境，所以在它与环境之间，也有一个信息的输入和输出。等于说，除了它自己的遗传物质之外，其上面的一些大分子，以及它与周围其他生物的互作，这种互作的关系，我认为也是一种信息。这个是我觉得大家以前可能关注不够，或者是从以前的一些经典生物学知识和方法，是很难去研究这个问题。

2. 地球-生物-信息的共演化

Q5：什么是地球-生命-信息共演化？

生命演化本来就不是一个孤立的演化，它除了跟其它生物在不停地发生互作的关系，地球生命起码在我们已知的38亿到40亿年中，它们还在跟地球的环境不断进行互作。比如我们最近有个研究观察到，像寒武纪大爆发，那是一个多细胞生物或者是宏体生物突然间出现和爆发的一个最重要的节点。这个节点，现在越来越多的研究证明，它是跟地球本身的一个板块运动密切相关的，是因为板块运动导致海洋跟陆地之间的交互，在沿海地区，形成了一个非常适宜生命与生态系统快速增长的环境。这个就是证明了，地球科学对生命演化研究的一个非常重要的指导作用。

那反过来，生命对地球的演化的影响，我刚才可能提及过了，包括对大气的气候的变化，包括对板块和沉积过程的影响。比如说现在最新的一些理论认为，微生物可能跟地震发生都密切相关，我们知道像日本，或者是马里亚纳海沟，它们附近是俯冲带，是大洋板块跟陆地板块碰撞俯冲的地方，大洋的板块往下滑动的时候，就会发生地震。像日本、菲律宾这些地方，就会有非常多的地震。但是在这个俯冲的地方，那个叫海沟，像马里亚纳海沟，这个海沟地方就会聚集很多的微生物，从而产生有机质沉积，这些生物沉积物会有比较高的滑动性，它会促进这个板块的滑动。所以在地球地质记录中，人们发现微生物在地球上变得非常丰富的时候，板块活动也就会变得更剧烈。所以这反过来也是不起眼的微生物可以影响我们整个地球板块活动的一个例子。

Q6：共演化研究还和哪些其他领域有关？

在交叉学科上，一方面是地质学，我们跟地质学家做了很多互动，所以比如说用他们的发现一些生物标志物和古代的一些沉积记录。微生物自身在古代不易直接保存为可辨认的化石，但是它们的行为，比如说它们会代谢某一种铁化合物，形成某一种矿物，这种行为是可以被地质学的岩石记录下来的。所以我们也在学习怎么样去理解岩石学里面的有机质，或者是一些矿物组分，怎么去解读这些信息，跟哪些地质时间能够联系起来，那时候地球在发生哪些大的故事。这是和地球科学的交叉。

还有一个对应点就是信息科学，信息科学的话，我们生命演化现在非常重要的一些手段就是分子的序列信息，但除了它这个一维序列信息之外，还有它的三维结构信息，三维结构就决定了它的功能，像现在一些冷冻电镜技术，以及一些预测结构的AlphaFold这些模型，当然还包括了像语言模型。其实很多科学家已经开始把生命信息当做一个语言，就是把遗传信息转化为一种语言模型，用这样的模型去研究生命，这些模型通常概括了基因组不同区域遗传信息之间的互相潜在的联系。所以，我们会综合运用一些结构生物学和大语言模型的一些方法去做研究

3. 未来的微生物演化研究

Q7：微生物演化研究将会带来怎样的新发现？

经常大家就会问，你研究几亿年之前、几十亿年之前、甚至生命起源的时候的问题，为什么要去研究这些问题？只是基于人类对于基础科学的好奇，还是说你的研究结果能够对我们现在的生命有哪些启示？我觉得这个答案是肯定的。你可以想象到，DNA从几十亿年前开始，一直在不断地演化，一直到包括我们现在每个人身体内的DNA，它们最早的版本就是来自于38亿年之前那个最早的细胞。所以我们是留存了这个细胞记忆的。所以这个祖先细胞的一些特征就会告诉你，为什么可以从一堆化学分子，变成一个有组织的、能够自我复制的、能够进行新陈代谢的细胞或者有机体。所以这让你从更本质上去理解，为什么我们会生病，为什么我们的DNA会受到损伤，为什么我们的生命是有一定的限度的，它会积累一些突变。我觉得，对于我们现在很多跟医学相关的问题，或者一些合成生物学问题，比如我们用合成生物去创造一些生物工程的细菌，能够帮助我们生产一些药物和化合物，那么怎么样才能高效地利用这个菌，来帮我们生产？所以这都需要我们对生命细胞结构的本质，包括它的DNA基因组组织的一些本质，进行一个从头的理解。我觉得这是生命演化研究它最关键的意义所在。

Q8：新技术如何助力微生物演化研究？

我觉得这个帮助是非常大的，而且是在可以预期的未来一段时间里，会对微生物演化里面一些非常重要的问题，给出一些全新的答案。比如真核生物的起源问题。真核生物和另外两大类生物（包括细菌和古菌）的区别就在于，它有个细胞核，里面有基因组，然后在它外面还有一些线粒体的基因组，还包括其它一些细胞器，在植物中还包括一些叶绿体，它会更加复杂。所以这个真核细胞它是怎么来的，这是一个科学研究非常热点的问题。现在用传统的一些生物分子演化方法，就是我们说的基于遗传物质，然后构建进化树的方法，它的研究的一个瓶颈就在于，它的历史太遥远，很多信息可能就丢失了。所以我们就不知道，当时第一个真核细胞，它是怎么出现的。现在我们有了一些新的手段，比如说像一些人工智能方法，它可以去分析这些基因它们当时怎么样组合，是何以形成一个高度复杂的细胞系统。我们可以对蛋白做一个结构的预测，然后可以推测在20多亿年第一个真核细胞里，当时的蛋白可能是什么结构。这样我们就可以去推测，可能是哪些蛋白分别来自于古菌还是细菌。现在真核起源研究最大争论点就是到底真核是来自于古菌细胞，还是说真核和古菌细胞，它是在各自进化很早期就分开了。还有些理论认为真核细胞可能来自于病毒的一些基因。所以这些都需要我们用这些新的技术去推测当时的生物大分子可能的形态。

第三点就是合成生物学，有一个说法，当你把一个东西制造出来的时候，你才能够真正去理解这个东西。所以说合成生物学的意义就在于，我们对生命起源的一些理论进行研究的时候，可以用现有的一些细胞，或者人造的细胞，去模拟当时起源的过程，然后去论证中间的一些关键的步骤是否可行。我觉得对生命演化学来说，这些新的技术将会带来的一些变革。

本文根据访谈内容进行了书面化整理，内容删减仅涉及重复表述与非核心细节。

本文为科普中国创作培育计划作品 受访者：范陆 创作团队：集智俱乐部 审核专家：张江 北京师范大学系统科学学院教授 出品：中国科协科普部 监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

地球系统科学读书会

世界气象组织《2023年全球气候状况》报告确认2023年是有观测记录以来最暖的一年。气候变化正在以高温、干旱、洪水、野火和沙尘暴等极端天气的形式吸引人们的广泛关注。世界经济论坛《2024全球风险报告》将气候变化作为首要值得关注的风险。地球作为一个多要素、非线性的开放复杂系统，要素间相互作用关系复杂，往往牵一发而动全身。在人类活动深刻影响下，我们该如何理解并有效应对正在面临的气候变化以及其带来的社会经济等一系列议题，实现人类与地球的可持续发展？

为了能够深入理解人类世背景下地球系统各要素之间复杂的相互作用与演化机制，并为人类应对未来的地球系统科学重大挑战提供一套科学的认知框架，集智俱乐部联合清华大学讲席教授陈德亮、北京师范大学教授樊京芳、东莞理工学院特聘副研究员陈爱芳、南开大学副教授戴启立老师和爱尔兰都柏林大学博士生班崭共同发起，将组织大家从新的研究范式出发梳理相关文献，并深入研读其中涉及的理论与模型。

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