深海尋“元”記：DNA解碼原生奧秘

原生生物研究中的重難點(diǎn)

原生生物主要包括原生動(dòng)物和真核微藻，在深海碳循環(huán)和沉積物的構(gòu)造過(guò)程中具有重要作用。同時(shí)，在深海生態(tài)系統(tǒng)中，原生生物也是連接有機(jī)碎屑和大型生物的重要“營(yíng)養(yǎng)橋梁”——它們能夠攝食有機(jī)碎屑（如沉入海底的死亡生物殘骸、糞便顆粒等），同時(shí)自身又被更大的生物（如小型甲殼類、魚類幼蟲等）捕食。

由于深海單細(xì)胞原生生物的采集培養(yǎng)過(guò)程有一定難度，因此目前用形態(tài)學(xué)方法（指科學(xué)家對(duì)生物的外形、結(jié)構(gòu)等可見(jiàn)特征來(lái)觀察）開(kāi)展的深海原生生物研究主要針對(duì)有殼的種類，如有孔蟲和放射蟲。

大海里的“小蝸牛”——有孔蟲

大多數(shù)有孔蟲具有鈣質(zhì)的殼，這些外殼能形成化石，并保留古環(huán)境和古氣候等變化的標(biāo)記。研究發(fā)現(xiàn)，深海中不僅生活著鈣質(zhì)殼的有孔蟲，還棲息著一些特殊的古老種類。這些種類的殼由有機(jī)質(zhì)或其他黏合物質(zhì)構(gòu)成，只有單室結(jié)構(gòu)，基本沒(méi)有形成化石的潛力。

深海碳循環(huán)的推動(dòng)者

放射蟲為單細(xì)胞浮游原生動(dòng)物，其死亡后會(huì)有大量的遺骸沉積在海底，可形成化石，同樣含有豐富的古生態(tài)、古環(huán)境信息。放射蟲在深海中廣泛存在，與深海的物質(zhì)循環(huán)密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，這些微小生物的分布規(guī)律與深海沉積物中有機(jī)質(zhì)的周期性變化（“脈沖規(guī)律”）高度一致，在碳沉降過(guò)程中扮演著重要角色。簡(jiǎn)而言之，放射蟲通過(guò)自身活動(dòng)和殘骸沉降，持續(xù)推動(dòng)著深海碳循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

科學(xué)家通過(guò)基于形態(tài)學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，深海中仍存在大量未知種類的微型生物，甚至存在一些分類階元非常高（在生物分類體系中處于較高級(jí)別的類群，如門、綱甚至更高的級(jí)別的生物。換句話說(shuō)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的可能不是某個(gè)物種或?qū)俚男鲁蓡T，而是整個(gè)大類，例如一個(gè)新的綱或門的生物）的類群。

由于深海單細(xì)胞原生生物采樣技術(shù)及后續(xù)培養(yǎng)過(guò)程中的技術(shù)性障礙，目前關(guān)于深海原生生物分類學(xué)的研究十分欠缺。只有解決技術(shù)上的難題，才能更全面地認(rèn)識(shí)深海中原生生物的多樣性，并進(jìn)一步研究其在生態(tài)系統(tǒng)中的作用。

現(xiàn)代科學(xué)家的“秘密武器”

從深海采集的微型生物樣品一旦離開(kāi)高壓、低溫的原始環(huán)境，絕大多數(shù)都無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室存活，因此大部分深海原生生物無(wú)法成功培養(yǎng)。如果我們一直依賴傳統(tǒng)培養(yǎng)方法，只能研究極小部分的微型生物，對(duì)深海微型生物多樣性的認(rèn)知會(huì)始終存在空白。

分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展突破了傳統(tǒng)培養(yǎng)方法的限制，現(xiàn)在通過(guò)直接分析環(huán)境中的DNA，科學(xué)家便能檢測(cè)更多難以培養(yǎng)的微型生物種類，大大拓展了我們對(duì)深海生物多樣性的認(rèn)知。

環(huán)境DNA技術(shù)的基本原理

如今，科學(xué)家可以通過(guò)環(huán)境DNA技術(shù)來(lái)研究深海微型生物。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就像收集犯罪現(xiàn)場(chǎng)的指紋一樣，從海水或泥沙里提取微型生物的DNA分子，接著，科學(xué)家會(huì)用一種叫PCR的“DNA復(fù)印機(jī)”，復(fù)制微型生物的18S rDNA（即編碼真核生物核糖體小亞基的DNA序列，相當(dāng)于微型生物的“身份證號(hào)碼”），通過(guò)對(duì)比這些“身份證號(hào)碼”，科學(xué)家就能知道樣品中有哪些微型生物。

高通量測(cè)序技術(shù)的基本原理

高通量測(cè)序技術(shù)（High-throughput sequencing）是一種能同時(shí)對(duì)數(shù)百萬(wàn)DNA分子進(jìn)行快速測(cè)序的方法，就像超級(jí)快速的“生命密碼掃描儀”，一次能識(shí)別成千上萬(wàn)種微型生物的“身份證號(hào)碼”，它徹底改變了我們研究生物世界的方式。想象一下，傳統(tǒng)測(cè)序方法像用放大鏡一個(gè)字一個(gè)字地查看書籍，而高通量測(cè)序則能同時(shí)對(duì)應(yīng)數(shù)百萬(wàn)個(gè)DNA片段的信息。

這項(xiàng)革命性技術(shù)具有3大突出優(yōu)勢(shì)：首先，是驚人的速度，原本需要數(shù)月才能完成的測(cè)序工作，現(xiàn)在僅需幾天即可完成；其次，是超強(qiáng)的全面性，它能一次性捕獲樣品中幾乎所有微型生物的DNA信息，連那些數(shù)量稀少的微型生物也不放過(guò)；再次，是令人驚嘆的精確度，也就是對(duì)微型生物種屬的識(shí)別非常精準(zhǔn)。

在科研應(yīng)用方面，高通量測(cè)序技術(shù)已經(jīng)成為不可或缺的利器。科學(xué)家用它來(lái)探索深海微型生物的奧秘，探索這些肉眼看不見(jiàn)的小生命中可能掌握著的地球生命奧秘的關(guān)鍵線索。

環(huán)境DNA技術(shù)結(jié)合高通量測(cè)序技術(shù)，這個(gè)超級(jí)組合幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了許多從未見(jiàn)過(guò)的深海小生命，讓我們得以全面了解深海微型生物世界的全貌。現(xiàn)在，科學(xué)家正在用這些新技術(shù)，破解深海生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)作密碼，拓展對(duì)深海原生生物多樣性的認(rèn)識(shí)，以進(jìn)一步推動(dòng)深海生態(tài)系統(tǒng)的研究進(jìn)程。

（責(zé)任編輯 / 趙鶴立" 美術(shù)編輯 / 周游）