海洋中有病毒嗎,？有，而且數(shù)量驚人,。

近一個世紀(jì)以來,，海洋生物學(xué)家一直認(rèn)為海洋中是沒有病毒的。當(dāng)他們在顯微鏡下觀察海水時,，他們根本沒有發(fā)現(xiàn)任何病毒,，因此他們得出結(jié)論，海洋環(huán)境太惡劣,，病毒無法大量存活,。

但是總是有較真兒的人。1986年,，一位名叫麗塔 · 普羅科特的生物學(xué)家決定進(jìn)行一次更仔細(xì),、更系統(tǒng)的觀察。她對加勒比海和馬尾藻海等地的海水進(jìn)行了調(diào)查,，發(fā)現(xiàn)了數(shù)量驚人的病毒,。此后，其他研究人員也陸續(xù)證實,，海洋確實是一種病毒湯,。

病毒是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分

1990年1月，海洋傳播病毒生態(tài)學(xué)的先驅(qū)福爾曼和麗塔 · 普羅科特合作發(fā)表在《自然》雜志上的論文,，以及一組挪威科學(xué)家的另一篇論文,，首次證實了病毒是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。但是到這個階段，科學(xué)家們只是模糊地意識到海洋病毒圈的驚人規(guī)模,，但許多關(guān)于它的最簡單的問題多年來一直沒有得到解答,。比如，科學(xué)家甚至不能說出海洋中有多少種病毒,。

學(xué)術(shù)界逐漸認(rèn)識到,，海洋中大約存在著

10000000000000000000000000000000

(1×1031)個病毒顆粒

我們該如何理解這一長串幾乎數(shù)不過來的數(shù)字呢？勉強(qiáng)做一些類比,。在海洋中,，病毒的數(shù)量是其他所有海洋居民總量的15倍，而它們的總重量則相當(dāng)于7500萬頭藍(lán)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,。

藍(lán)鯨是世界上最大的哺乳動物

海水中怎么會有這么多病毒呢,？

海洋病毒具有與陸地病毒相同的增殖方式，它們無法自我復(fù)制,，而是利用被感染的細(xì)胞進(jìn)行繁殖,。以一種主要的海洋浮游病毒——噬菌體為例，我們看看它是怎么繁殖的,。

顯微鏡下的噬菌體

噬菌體是一種病毒,，由于病毒在自然界中不能生活以及繁衍，所以病毒需要找一個宿主生存,。地球上絕大多數(shù)病毒的宿主是生物,，但是噬菌體是個例外，它們的宿主是細(xì)菌,。噬菌體其實是這類病毒的統(tǒng)稱,，在噬菌體家族中，存在著許多種類的噬菌體,，而每一種噬菌體只能對應(yīng)一種細(xì)菌,，有時也能對應(yīng)這種細(xì)菌的近親。噬菌體無處不在,，你的手機(jī)上,，你的手上以及身體里，可能就生活著上億只噬菌體,，而你渾然不覺,。

上圖：一個典型的噬菌體結(jié)構(gòu)圖/圖源：Wikimedia

噬菌體在水中與宿主細(xì)胞發(fā)生偶然碰撞后便附著于宿主細(xì)胞表面，之后它們通過自己底部“注射器”一樣的身體結(jié)構(gòu),，也叫尾管,，把自身物質(zhì)注入宿主細(xì)胞內(nèi)。進(jìn)入到宿主細(xì)胞的核酸以自身的遺傳信息為“藍(lán)圖”向宿主細(xì)胞發(fā)出指令，使宿主細(xì)胞的代謝系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成合成噬菌體特有的組分和“部件”,。當(dāng)大批成套的“部件”合成好了以后,，就在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行裝配，于是就產(chǎn)生了一大群形狀,、大小完全相同的子代噬菌體,。之后宿主細(xì)胞發(fā)生裂解，這些子代噬菌體便被釋放到環(huán)境中去,，開始新一輪的感染過程,。

噬菌體感染宿主

海洋病毒的強(qiáng)大在于它們的傳染性。在短短1秒鐘之內(nèi),，它們能對微生物發(fā)起10萬億次進(jìn)攻,；每一天，它們能殺死海洋中15%～40%的細(xì)菌,，而宿主細(xì)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(chǎn)生多達(dá)1000億個新病毒，這些病毒馬上就會投入戰(zhàn)斗,，迅速感染新的宿主,。除了侵染細(xì)菌的噬菌體之外，浮游病毒還包括侵染原核藻類的噬藻體和侵染真核藻類的真核藻類病毒等,。

海洋病毒是如何高效工作的,？

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地球上大約有10億種細(xì)菌，其中很大一部分都棲息在海洋中,。盡管細(xì)菌種類不計其數(shù),，在海洋中興衰了無數(shù)個世代，但它們卻從未取得過永久的統(tǒng)治地位,。是什么樣的秘密機(jī)制,，使得海洋沒有被一種超級細(xì)菌填滿呢？答案也許藏在細(xì)菌最小的天敵海洋病毒身上,。

因為海洋病毒和它們的宿主細(xì)胞都是隨機(jī)發(fā)生接觸的,，因此病毒的感染依賴于一定的宿主密度。也就是說,，當(dāng)某個宿主種群數(shù)量太少的時候,，浮游病毒就很難接觸到它們；而當(dāng)宿主數(shù)量比較多的時候,，感染就相對容易些,。當(dāng)一個宿主種群成為優(yōu)勢種群時，就很容易被易感病毒找到,，并在隨后的過程中被大量裂解,，直到變得不再是優(yōu)勢種群。而當(dāng)另一個種群成為優(yōu)勢種群時，同樣的故事也會再次上演,。這個循環(huán)具備自然選擇理論的所有元素：突變,、捕食，勝者獲得巨大的生殖獎勵,。這一循環(huán)對微生物的多樣性也有著巨大的潛在影響,。

海洋生物學(xué)家為這個循環(huán)取了一個名字——“殺死勝利者”（或殺死贏家）。病毒的這個“殺死勝利者”游戲,，對調(diào)節(jié)群落結(jié)構(gòu)和海洋生態(tài)多樣性有著非常積極的作用,。例如，當(dāng)赤潮發(fā)生的時候,，由于有害藻類的數(shù)量大量增加,，其病毒也相應(yīng)地大量繁殖并裂解宿主藻類細(xì)胞，這都大大有利于赤潮的消失,。

赤潮

“殺死勝利者”的永恒戰(zhàn)爭,，引發(fā)了細(xì)菌和病毒之間適應(yīng)和反適應(yīng)的軍備競賽。一些被感染的金藻會啟動一個叫作“凋亡”的自殺流程,，以防止病毒自我復(fù)制。爆炸雖然會讓細(xì)胞送命,，但也保護(hù)了它們的子女,。

不過病毒也會演化：高級版本的病毒會攜帶一種能組織“凋亡”的蛋白質(zhì)，以防宿主細(xì)胞自殺,。最陰險的病毒甚至?xí)眠@種“自殺機(jī)制”,，增加自身的繁殖。有一種叫作赫氏圓石藻的金藻展現(xiàn)出另一種逃生策略,。

病毒的逃生策略

當(dāng)遭受病毒攻擊時,，它們會將自己變成移動的逃生艙，其中只包含自身一半的DNA,。在億萬年的時間里,，大海中持續(xù)進(jìn)行的攻擊、防御,、反擊的戰(zhàn)斗,，催生了微生物驚人的多樣性。

2.5億年前的生物大滅絕事件致使地球上96%的物種遭遇了滅頂之災(zāi),。大規(guī)模的火山活動為大氣中注入了大量二氧化碳,，導(dǎo)致全球性的氣候變暖，微生物在溫暖的海洋中大量繁殖,。于是,，海洋食物鏈被完全破壞，生態(tài)系統(tǒng)的天平倒向一邊，導(dǎo)致微生物爆發(fā),，耗盡了海洋中的氧氣,。直到500萬年以后，海洋生態(tài)才復(fù)蘇,，走上了正軌,。

單細(xì)胞生物和病毒是地球上演化速度最快的生物，而“殺死勝利者”是地球上賭注最高的競賽,。這場競賽發(fā)生在每一滴海水中,，發(fā)生在過去30億年中的幾乎每一天里。它阻止了任何一個微生物物種變得太過成功或占盡優(yōu)勢,，也因此擔(dān)負(fù)了部分責(zé)任,，保持了大海中多樣性的平衡。

海洋病毒對人類友好的前提也許是我們的行為不再導(dǎo)致全球變暖……

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（不代表以后會發(fā)生變化），它們最常見的目標(biāo)是細(xì)菌和其他單細(xì)胞微生物,。某些時候,，海洋病毒甚至在幫助人類。例如霍亂,，它由一種經(jīng)水傳播的弧菌所致,，這種細(xì)菌也是不少種噬菌體的宿主。當(dāng)霍亂弧菌爆發(fā)并導(dǎo)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(xì)菌陣營就潰敗下來，霍亂的流行也因此平息,。制止霍亂爆發(fā)對于海洋病毒來說只是雕蟲小技,，你也許想不到，我們每天呼吸的氧氣也會與海洋病毒有關(guān),。

藻類和光合細(xì)菌生產(chǎn)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(jié),，就形成了云。云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(diào)節(jié)大氣溫度，例如一些微生物的代謝廢物是二氧化碳,，當(dāng)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(xì)菌在生長的過程中又會吸收二氧化碳,，使大氣變冷。

當(dāng)海洋微生物死去,，它們之中蘊(yùn)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(shù)百萬年的時間里讓地球溫度穩(wěn)定下降,。更重要的是,，死去的微生物會變成巖石——位于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(xì)胞生物的白色外殼大量沉積的結(jié)果,。

每天死于病毒襲擊的細(xì)菌多達(dá)數(shù)萬億,，這導(dǎo)致每天會有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(yǎng)料的作用,，哺育其他的微生物,；還有一些就沉入了海底。細(xì)胞內(nèi)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,。

世界上之所以有這么多氧氣,，也可能和基因通過病毒的傳遞有關(guān)。海洋聚球藻是一種在海洋中含量非常豐富的細(xì)菌,，它們包攬了全球約1/4的光合作用,。科學(xué)家仔細(xì)分析了海洋聚球藻樣本中的DNA,，從中發(fā)現(xiàn)了捕捉光子的蛋白編碼基因,，而這種蛋白基因正來自病毒?？茖W(xué)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，就有一口氧氣是海洋病毒惠予的,。

今天的海洋生物學(xué)家都在擔(dān)憂大氣中二氧化碳含量的提高和海洋的變暖,。而我們自身的行為正在加劇地球氣候變化的異常。假如我們破壞環(huán)境的行為不加收斂,，海洋生態(tài)系統(tǒng)自我運(yùn)行的機(jī)制被打破,，病毒還對我們有益嗎？更何況,，我們對海洋病毒知之甚少……

我們對海洋病毒的影響還了解甚少……

海洋病毒的驚人之處不僅在于它們的數(shù)量,，還在于它們的遺傳多樣性。人類的基因和鯊魚的基因非常相似——科學(xué)家甚至可以在鯊魚基因組中找到與人類基因組中大多數(shù)基因相對應(yīng)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(jìn)行的調(diào)查中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了180萬個病毒基因,，其中只有10%的基因能與微生物,、動物、植物或其他生物（甚至包括病毒）的基因相對應(yīng),。其他90%的基因都是全然陌生的,。從200升海水中，科學(xué)家一般可以找到5000種遺傳背景完全不同的病毒,，而在1000克海洋沉積物中,，病毒的種類可能達(dá)到100萬種。

盡管海洋病毒數(shù)量驚人,，但科學(xué)家對海洋病毒的種類仍知之甚少,。2015年，一個研究小組記錄了海洋中5476種不同類型的病毒,，到了2016年,，同一個研究小組將其數(shù)量更新為15222個；但在2019年4月發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上的一項研究中,，這個數(shù)字猛增到195,728個不同的病毒種群,，增加了12倍多。大約40% 的新病毒種群來自北極地區(qū),，并且,，研究人員推斷存在著五個“群落級別”的海洋病毒群，它們根據(jù)溫度和深度分布在不同的海洋生態(tài)區(qū),，包括北極,、南極,、溫帶和熱帶表面、溫帶和熱帶次表面以及深海,。

造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(shù)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,。當(dāng)宿主細(xì)胞制造新病毒時,，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游,。當(dāng)病毒插入新宿主的基因組，舊宿主給它們的這段基因也就插入了新宿主的基因組,。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(xì)菌提供了釋放毒素的基因,，人感染霍亂之后,，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,。

海洋病毒基因多樣性數(shù)據(jù)庫之所以極速更新,，也許緣于我們對海洋病毒關(guān)注度的提高，但是科學(xué)家們也承認(rèn),，目前世界各國對海洋中的病毒生態(tài)學(xué)研究開展深度,、廣度不足，對病毒的分布區(qū)域,、致病率,、對人類的影響都知之甚少。

涉及海洋相關(guān)的科學(xué)本身都是高度交叉的學(xué)科,，我國當(dāng)前生態(tài)環(huán)境問題的復(fù)雜性幾乎涵蓋了社會經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域,。海洋各類科學(xué)研究應(yīng)圍繞生態(tài)環(huán)境與資源領(lǐng)域涉及國家安全、環(huán)境風(fēng)險,、生態(tài)安全,、公共衛(wèi)生等重大主題,，凝聚相關(guān)學(xué)科形成跨學(xué)科,、跨專業(yè)的研究團(tuán)隊，跨學(xué)科解決重大問題的協(xié)同與賦能,，提高海洋生態(tài)研究的國際對話能力與影響力,，使海洋科學(xué)研究惠及于民。