这些你看不见的小东西，居然是浩瀚海洋的动力引擎？
一滴海水中，有数以百万计的海洋微生物，它们绝大多数善良无害，是海洋的动力源，对整个地球的健康不可或缺。目前，我们对大多数海洋微生物知之甚少，到底有哪些微生物正在海洋深处默默地帮助人类？它们与海洋环境是如何互动的？
“给少年的科学前沿”系列（9）
作者 Anna Kopf, Julia Schnetzer, Frank Oliver Glöckner（德国马克斯-普朗克海洋微生物学研究所微生物基因组学与生物信息学研究组，德国不来梅雅各布大学生命科学与化学系）
翻译 YAO
编辑/校对 李娟
赛先生“中小学生评审”李若鹏、阮景婷为本文撰写了点评。
小黑板
DNA：脱氧核糖核酸的缩写。也被描述为微生物或其他活细胞的使用说明或“蓝图”。由四种不同分子（以字母A，G，C，T表示）按照特定的排列顺序组成核酸链，并存储信息。
基因：带有遗传讯息的DNA片段，它指导细胞活动，告诉细胞在合适的时间做合的事。生物体的DNA中有成千上万个基因，每个基因都有其特定的功能。
测序：读取和记录细胞DNA（A，G，C，T）序列的遗传学技术。
二代测序（NGS）：读取和记录细胞DNA序列的一项全新技术。通过此技术，科学家们无需进行微生物的实验室培养即可获取大量的DNA信息。也被称为大规模平行高通量测序。
rRNA基因：该基因编码细胞的“核糖体RNA”。rRNA基因参与蛋白质的合成，对细胞的代谢起着关键作用。地球上的每一个生物体在其DNA中都有这种基因，而且每个物种都是独一无二的，因此，它可以作为“遗传指纹”的标记物。
生物多样性：这一术语描述了地球上各种不同种类生命的多样性。
宏基因组学：是一种直接从环境样品中提取全部微生物DNA的研究。由此产生的数据包含样品中的所有微生物的DNA，而不仅仅是单一的物种。
你能想象吗？一滴海水中有数以百万计的海洋微生物！它们绝大多数善良无害，是海洋的动力源，对整个地球的健康不可或缺。目前，我们对大多数海洋微生物知之甚少，到底有哪些微生物正在海洋深处默默地帮助人类呢？它们与海洋环境是如何互动的？
回答这些问题，将帮助我们应对气候变化、环境污染等全球性的挑战。然而，海洋微生物形态太小，不易被观察，又有着极为丰富的多样性，它们生活的海洋环境也非常复杂，使得海洋微生物的相关研究开展起来并不容易。因此，海洋微生物的研究者正在招募“公民科学家”对海洋微生物进行采样，希望人人都能贡献一份力量，争取早日破解海洋世界之谜。
海洋生态活动的“动力引擎”
几乎每个人都听说过微生物干的坏事，比如，细菌会引起蛀牙，或者会导致百日咳。人类对微生物充满反感，这是可以理解的。然而，这并不意味着所有的微生物都是邪恶的，实际上大多数微生物对人类大有益处。
你可以在海洋中找到这类“好细菌”（图1）。它们是微小的单细胞有机体，包括细菌和古细菌。古细菌与细菌外观相似，但往往具有一些特异功能：有的古细菌可以生活在极端环境中，比如极热或极冷的地域。此外，海洋微生物还包括一些微小藻类甚至病毒等单细胞生物。
图1.体现海洋微生物多样性的图片。它显示了多种分布于藻类上及藻类周围的微生物细胞。微生物已被染料染色，因此可被人们观察。（图片来源：德国不来梅州马克斯-普朗克海洋微生物学研究所）
海洋微生物虽小，但数量庞大，遍布海洋。居住在海洋中的微生物比生活在陆地上的人类还要多得多。作为海洋中数目庞大的生命体，海洋微生物不仅构成了世界上最大的生态系统，也是海洋食物网的基础，负责营养物质的循环利用，是海洋功能中必不可少的参与者，在海洋中的所有活动里扮演重要角色，如果没有它们，海洋生命将无法生存。出于这个原因，它们被称为海洋的“动力引擎”。
由于海洋微生物参与的生命活动极为广泛，不论你我居住何方，海洋微生物对我们的日常生活都有着极为重要的影响。
海洋微生物影响人类的一个例子是光合作用，这是一个你可能听说过的，与植物有关的过程。一些海洋微生物，如蓝藻细菌（Cyanobacteria），也可以像植物一样，利用来自太阳的光能，将二氧化碳（CO2）和水转化为糖，产生并释放氧气（O2）。据统计，世界上大约有一半的氧气产自海洋中，而另一半则来自陆地。换句话说，人类每分每秒呼吸所耗的氧气都有海洋微生物做出的贡献。
另一个关于海洋微生物重要性的例子是一些微生物具有分解石油的能力，这些海洋微生物以石油为食，可帮助清理泄漏的石油。
由此可见，海洋微生物不仅是海洋的发动机，它们也对人类乃至整个地球的健康至关重要。这些微生物与地球上较大的生物种群之间相互影响，处于微妙的平衡状态，而不断变化的环境条件或者污染等因素正在威胁着这种平衡。为了保护和维持生态环境的健康，我们需要深入了解现有的微生物种类，它们在做什么，如何与环境互动。遗憾的是，收集这些信息并不像听起来那么简单。
研究海洋微生物的现实困难
人们对于微生物的研究主要建立在纯培养的基础上。这种研究手段要求单一微生物必须在没有其他物种干扰的情况下生长于实验室的环境中。由于实验室与海洋环境具有天壤之别，海洋微生物的生长极为困难。
据统计，仅有约1-10%的海洋微生物可在实验室培养[1]。幸运的是，在过去的几年中，科学家们已发明出了若干项新技术，无需对海洋微生物进行实验室培养即可开展相关研究。其中一项重要的技术被称为二代测序（NGS）。
二代测序技术（NGS）助力破解谜题
所有微生物或任何一种细胞的信息，都存在于细胞的DNA中。DNA是包含生物体遗传密码的分子，它告诉细胞什么时候需要做什么事情，被称之为细胞的“蓝图”。带有遗传信息的DNA片段称为基因。生物体的DNA中有成千上万个基因，每个基因都有其特定的功能。比如，人类DNA含有大约25000到35000个基因，决定眼睛颜色的基因只是极少数。
NGS技术使科学家避开了传统的微生物分离培养方法，直接从环境样品中读取DNA。这种研究策略被称为“宏基因组测序”，可研究特定环境中全部微生物的基因组。
你可能听说过，指纹分析是犯罪调查的手段之一。执法机构将数百万人的指纹特征保存在大型数据库中，刑侦技术人员将犯罪现场采集的指纹与数据库中的指纹进行比对，可帮助我们找出罪犯。这一过程与科学家开展的微生物基因指纹研究类似。地球上的物种有相同的基因，也有物种特异的基因。“核糖体RNA”（rRNA）对于每个物种都是独一无二的，科学家把它当作微生物的“指纹”。他们在一个特定的数据库（如SILVA[2]数据库）中进行rRNA基因的搜索和比对，识别出环境样品中获得的微生物，明确样品中含有的海洋微生物的种类。
DNA序列不仅仅是物种独有的指纹，它是构建生物体的计划蓝图，对生物体所有特征和功能作出指示。如果科学家能够“读取”DNA中编码的数据，就可以获得关于该生物体的海量信息。遗憾的是，破译来自海洋微生物的DNA数据就像试图理解一种古老的语言或完成一个复杂的拼图，非常艰难。每当科学家发现一个新的拼图碎片，关于海洋微生物的若干未知信息也将被揭示。目前，科学家需要继续收集更多的拼图碎片，以便尽可能多地破译神秘的海洋世界。
NGS是全新的技术，它的成功应用已将海洋微生物研究提升到了新的层次。然而，到目前为止，我们所获得的海洋微生物的知识仍是沧海一粟——还有许多未知信息有待研究和挖掘！基于此目的设立的海洋采样日（OSD）项目[3]旨在提高我们对海洋微生物的认识，并号召全球科学家同心协力，一起研究世界各地海洋生态系统中的微生物。
意义重大的海洋采样日活动
Micro B3项目（B3是指海洋微生物的生物多样性、生物信息学以及生物技术三个研究领域）的研究人员1分别在2014和2015年的6月21日组织了海洋采样日（OSDs，Ocean Sampling Day）的活动。6月21日是夏至，它是北半球一年中最长的一天，也是南半球一年中最短的一天。选择夏至作为微生物采样日，可以帮助人们了解白昼的长度是否影响所收集微生物的种类[4]。
在海洋采样日活动中，科学家通过一种被称为Sterivex™的过滤器过滤海水。这种过滤器上分布着成千上万个比微生物还要小的小孔，因此微生物得以滞留在过滤器表面而被捕获。这就是科学家捕获海洋或任何水生系统微生物的秘密武器。接下来，科学家从过滤器中收集微生物，并使用一些化学物质从微生物中提取DNA，再用NGS技术分析DNA信息。
OSD项目可以回答以下几个问题：
“海洋中都有哪些微生物？”（基于DNA“指纹”的生物多样性分析）
“这些微生物在做什么？”（基于宏基因组学的功能分析）
“这些微生物和环境之间是如何相互作用的？”
该项目所得数据将有助于揭秘一系列的问题，例如，生活在热带和极地环境中的微生物有何区别？微生物如何在被污染的环境（例如石油泄漏之后的环境）中生存？科学家仍在分析相关的数据（图2），目前还未得出明确的结论。
图2. 二代测序（NGS）技术是一种强大的工具。它使科学家们能够快速读取数以百万计的微生物DNA，进而了解海水中海洋微生物的种类及其功能。
人类活动与海洋密不可分。全球约有一半的人口生活在200公里的海岸线附近[5]，同时，作为一个集旅游、娱乐、渔业及其他活动于一体的多功能场所，海洋也是人类重要的经济来源。人类的行为影响并改变了沿海地区的生态环境。因此，绝大多数OSD的采样点分布在沿海地区（图3），以便科学家研究人类活动和生活方式对海洋微生物的影响。例如，科学家需要研究各种类型的污染（重金属、抗生素和化肥等）如何影响海洋微生物的健康。
图3. 地图显示了2014年OSD项目的采样点。红色星号表示采样点，通常位于沿海地区。
快来加入我们的探索活动吧
过去几年开展的OSD活动已吸引了150多个来自各大洲的科学团队，样本采集区域包括夏威夷亚热带水域，以及北冰洋弗拉姆海峡的寒冷极地海域。然而，OSD的项目地图上仍然有许多有待采样的区域。OSD计划继续扩大采样范围，探索更大面积的海域。毕竟，70%以上的地球表面都是被海洋所覆盖[6]啊！
为了加大研究力度，我们邀请像你这样的“公民科学家”加入我们名为“MyOSD”的公民科学项目。为此，我们开发了一个MyOSD采样套装和一个OSD 公民智能手机应用程序，使每个热爱科学的你都能为科学做贡献。
采样套装包含采集海洋微生物样本可能用到的所有设备，以及测量其他重要参数（如水温、咸度等）的材料（图4）。每个套装都配有详细的操作说明，简单而直观。通过阅读并按照说明书操作，你就可完成MyOSD的系列任务。采样套装可以通过注册MyOSD免费提供，并由MyOSD设立的联络点或中心分发给当地区域或国家的民众。MyOSD联络点的信息可点击MyOSD的网站进行查询2。
样品收集完毕后，你需要将收集得到的样品和信息送至MyOSD的当地联络点，联络点会负责将样品统一送回OSD总部——坐落于德国不来梅州的马克斯-普朗克海洋微生物学研究所3。
图4. MyOSD采样套装。该套装包含采集海洋微生物样本可能用到的所有材料和设备。公民科学家完成采样后需要将样品寄送至OSD总部进行后续分析。
在OSD总部，科学家将汇总所有样品进行后续处理和数据分析。如果你所在地区没有MyOSD联络点，你仍然可以通过测量环境参数（如水温和/或盐度）来参与MyOSD项目，使用OSD智能手机应用程序，或在MyOSD网站在线填写表单进行环境参数的提交。请相信，你提交的每一个数据都是有用的！例如，假设你的数据有助于发现某处海洋区域的独特温度特征，吸引了科学家的关注，他们会发起并开展后续的研究。最后，所有数据将在互联网上免费共享，以帮助科研人员和民众。
过去几年开展的OSD项目仅仅是一个开始，我们希望更多人能加入到即将到来的活动中！
注释：
1 www.microb3.eu
2 http://www.my-osd.org
3 http://www.mpi-bremen.de
参考文献：
[1] Amann,R. I., Ludwig, W., and Schleifer, K. H. 1995. Phylogenetic identification and in situ detection of individual microbial cells without cultivation. Microbiol.Rev. 59, 143–169.
[2] Quast,C., Pruesse, E., Yilmaz, P., Gerken, J., Schweer, T., Yarza, P., et al. 2013.The SILVA ribosomal RNA gene database project: improved data processing and web-based tools. Nucleic Acids Res. 41, D590–D596. doi:10.1093/nar/gks1219
[3] Kopf, A., Bicak, M., Kottmann, R., Schnetzer, J.,Kostadinov, I., Lehmann, K., et al. 2015. The ocean sampling day consortium. Gigascience 4,27. doi: 10.1186/ s13742-015-0066-5
[4] Gilbert,J. A., Somerfield, P., Temperton, B., Huse, S., Joint, I., and Field, D. 2010. Day-Length Is Central to Maintaining Consistent Seasonal Diversity in Marine Bacterioplankton. Nature Precedings. Available at: http://precedings.nature.com/ documents/4406/version/1
[5] Creel,L. 2003. Ripple Effects: Population and Coastal Regions. Washington, D.C: Population Reference Bureau, Measure Communication.
[6] Costello,M. J., Cheung, A., and De Hauwere, N. 2010. Surface area and the seabed area, volume, depth, slope, and topographic variation for the world’s seas, oceans, and countries. Environ. Sci. Technol. 44, 8824–8828. doi: 10.1021/es1012752
Frontiers for Young Minds青少年评审：
美国佛罗里达州康尼斯顿国际中学14–15岁的中学生：
目前，康尼斯顿中学设置的实验科学课程有28位学生参加，他们年轻聪慧，善于运用所擅长的实验工具，充分发挥头脑中闪耀的魅力。该课程侧重于多领域学科的科学分析及实验过程，特别注重培养学生设计和构建实验的能力。教师们采用的是以解决实际问题为基础的教学模式，并鼓励学生提出创造性的解决方案。比如，我们与国际非营利组织“人民之水（water for people）”开展合作，在印度农村地区建立可持续的基础设施，以提供清洁的饮用水和卫生设备。我们很高兴与青少年前沿科学（Frontiers for Young Minds）联手，传播科学知识和信息。
赛先生青少年评审：
李若鹏（初三学生，来自南昌市心远中学）
简介： 一个思想老跑偏的男孩
点评：
一般说起基因研究，我们的第一印象就是长长的、缠绕的双螺旋，但作者用通俗的语言以及巧妙的比喻将二代测序讲的通俗易懂。本文大部分是在写研究海洋微生物的方法，我期待能看到更多关于微生物具体如何助推环境的内容。
阮景婷（11岁，来自中山市体育路杨仙逸小学，五年级学生）
简介：我是一个喜欢画画、跳舞和小动物的学生。
点评：
本文主要突出了海洋微生物的特点、作用，也描述了研究、采样的工具等，使人们更深地认识海洋微生物。但我希望文章围绕海洋微生物对海洋的作用展开，为什么是海洋的动力引擎，而不是采集它。作者可以将描写采集海洋微生物改为介绍一个海洋生物对海洋的贡献，要详细，这样可以让读者更详细了解到它，而不是只知道海洋微生物可以干什么，可以写写是海洋微生物是怎样去运作的，或者更细致地描写其中的一种海洋微生物。
本文译自Frontiers for Young Minds网站。
原文标题：Understanding marine microbes, the driving engines of the ocean
原文链接：http://kids.frontiersin.org/article/10.3389/frym.2016.00001
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