導語

微生物小到看不見，卻可以影響海底板塊的運動，還可以通過調節(jié)空氣里的二氧化碳，影響氣候。同時它們的DNA像一本超長歷史年鑒，記錄著關于地球和生命的往事?？茖W家現(xiàn)在用人工智能和合成生物學來研究微生物演化，探尋它和地球與信息的關聯(lián)。本期專訪南方科技大學助理教授范陸，帶你走進微生物演化的神奇世界。

關鍵詞：演化，地球科學，微生物

范陸丨受訪者

集智編輯部丨整理

目錄

1. 海洋微生物的演化

2. 地球-生物-信息的共演化

3. 未來的微生物演化研究

1. 海洋微生物的演化

Q1：海洋中主要有哪些微生物？

海洋微生物其實跟陸地微生物一樣。它也包括古菌、細菌等原核生物，還有一些真核單細胞生物，包括原生動物、單細胞藻類、真菌，然后也包括一些病毒。這是海洋生物的一個主要類群，它不僅參與能量和物質循環(huán)，還會對整個海洋的氣候變化產生非常重要的調節(jié)作用。

Q2：什么是微生物演化？

目前在地球上，有非常多樣的微生物，包括古菌、細菌，以及一些真核微生物。雖然它們現(xiàn)在各有特點，或生活在不同的環(huán)境，但如果把這些微生物放到一棵進化樹上面，會發(fā)現(xiàn)它們有一個共同的祖先。我們就可以去了解，它們的共同祖先來自哪里，然后在地球40多億年的歷史中，它們分別對地球的生化環(huán)境以及地質現(xiàn)象做了哪些貢獻，包括古地球古海洋的變化，或者是古代氣候的變化，都與微生物有非常緊密的關聯(lián)。

Q3：海洋微生物演化有什么特點？

首先，海洋微生物與陸地微生物生活的環(huán)境有很大的區(qū)別。從海洋環(huán)境，比如海底世界的照片來看，與陸地有非常多的不一樣，但是經過我們的一些前期研究發(fā)現(xiàn)，它們最大的區(qū)別還是所生活的水環(huán)境的鹽度。海底的鹽度大概在30‰左右，而陸地許多地方都是淡水，所以這個鹽度對細胞的適應機制，以及它們的群落組成（微生物類別的組成）是一個最大的驅動因素。因此，鹽度對它們來說，是一個最大的進化驅動因子。對于海洋微生物來說，因為它始終在一個鹽度非常均衡的環(huán)境里面，所以它的演化就沒有鹽度這樣一個最大的限制因素。但是到了陸地上，雖然有很多淡水，但陸地還有一些比如鹽堿湖，以及陸地與海洋交匯的地方，有很多鹽度梯度的變化，所以對陸地微生物來說，鹽度的變化對它們是一個很大的進化驅動因子。

除此之外，其它的因素，包括陸地的溫度、pH值、生境的異質性、時間的變化可能會更加劇烈一點。所以對陸地微生物來說，在這些方面，對于它適應環(huán)境條件的應激性，比海洋微生物的要求會更高一點。

Q4：海洋微生物的遺傳信息是如何演化的？

這個問題取決于首先如何定義信息，也包括生命包含哪些信息，這也是一些前沿的理論研究的領域。就我個人理解來說，微生物最重要的信息，就是它的遺傳物質，即DNA，也就是大家熟知的ATCG的排列組合，這就決定了這個細胞或這個物種的遺傳基礎是什么，所以這是它信息的變化的基礎。但是隨著這個信息變化，作為一個細胞來說，它要支持很多化學反應，即生化反應，然后它還需要與外界的環(huán)境進行交互，對環(huán)境做出應答，甚至會改變這個環(huán)境，所以在它與環(huán)境之間，也有一個信息的輸入和輸出。等于說，除了它自己的遺傳物質之外，其上面的一些大分子，以及它與周圍其他生物的互作，這種互作的關系，我認為也是一種信息。這個是我覺得大家以前可能關注不夠，或者是從以前的一些經典生物學知識和方法，是很難去研究這個問題。

2. 地球-生物-信息的共演化

Q5：什么是地球-生命-信息共演化？

生命演化本來就不是一個孤立的演化，它除了跟其它生物在不停地發(fā)生互作的關系，地球生命起碼在我們已知的38億到40億年中，它們還在跟地球的環(huán)境不斷進行互作。比如我們最近有個研究觀察到，像寒武紀大爆發(fā)，那是一個多細胞生物或者是宏體生物突然間出現(xiàn)和爆發(fā)的一個最重要的節(jié)點。這個節(jié)點，現(xiàn)在越來越多的研究證明，它是跟地球本身的一個板塊運動密切相關的，是因為板塊運動導致海洋跟陸地之間的交互，在沿海地區(qū)，形成了一個非常適宜生命與生態(tài)系統(tǒng)快速增長的環(huán)境。這個就是證明了，地球科學對生命演化研究的一個非常重要的指導作用。

那反過來，生命對地球的演化的影響，我剛才可能提及過了，包括對大氣的氣候的變化，包括對板塊和沉積過程的影響。比如說現(xiàn)在最新的一些理論認為，微生物可能跟地震發(fā)生都密切相關，我們知道像日本，或者是馬里亞納海溝，它們附近是俯沖帶，是大洋板塊跟陸地板塊碰撞俯沖的地方，大洋的板塊往下滑動的時候，就會發(fā)生地震。像日本、菲律賓這些地方，就會有非常多的地震。但是在這個俯沖的地方，那個叫海溝，像馬里亞納海溝，這個海溝地方就會聚集很多的微生物，從而產生有機質沉積，這些生物沉積物會有比較高的滑動性，它會促進這個板塊的滑動。所以在地球地質記錄中，人們發(fā)現(xiàn)微生物在地球上變得非常豐富的時候，板塊活動也就會變得更劇烈。所以這反過來也是不起眼的微生物可以影響我們整個地球板塊活動的一個例子。

Q6：共演化研究還和哪些其他領域有關？

在交叉學科上，一方面是地質學，我們跟地質學家做了很多互動，所以比如說用他們的發(fā)現(xiàn)一些生物標志物和古代的一些沉積記錄。微生物自身在古代不易直接保存為可辨認的化石，但是它們的行為，比如說它們會代謝某一種鐵化合物，形成某一種礦物，這種行為是可以被地質學的巖石記錄下來的。所以我們也在學習怎么樣去理解巖石學里面的有機質，或者是一些礦物組分，怎么去解讀這些信息，跟哪些地質時間能夠聯(lián)系起來，那時候地球在發(fā)生哪些大的故事。這是和地球科學的交叉。

還有一個對應點就是信息科學，信息科學的話，我們生命演化現(xiàn)在非常重要的一些手段就是分子的序列信息，但除了它這個一維序列信息之外，還有它的三維結構信息，三維結構就決定了它的功能，像現(xiàn)在一些冷凍電鏡技術，以及一些預測結構的AlphaFold這些模型，當然還包括了像語言模型。其實很多科學家已經開始把生命信息當做一個語言，就是把遺傳信息轉化為一種語言模型，用這樣的模型去研究生命，這些模型通常概括了基因組不同區(qū)域遺傳信息之間的互相潛在的聯(lián)系。所以，我們會綜合運用一些結構生物學和大語言模型的一些方法去做研究

3. 未來的微生物演化研究

Q7：微生物演化研究將會帶來怎樣的新發(fā)現(xiàn)？

經常大家就會問，你研究幾億年之前、幾十億年之前、甚至生命起源的時候的問題，為什么要去研究這些問題？只是基于人類對于基礎科學的好奇，還是說你的研究結果能夠對我們現(xiàn)在的生命有哪些啟示？我覺得這個答案是肯定的。你可以想象到，DNA從幾十億年前開始，一直在不斷地演化，一直到包括我們現(xiàn)在每個人身體內的DNA，它們最早的版本就是來自于38億年之前那個最早的細胞。所以我們是留存了這個細胞記憶的。所以這個祖先細胞的一些特征就會告訴你，為什么可以從一堆化學分子，變成一個有組織的、能夠自我復制的、能夠進行新陳代謝的細胞或者有機體。所以這讓你從更本質上去理解，為什么我們會生病，為什么我們的DNA會受到損傷，為什么我們的生命是有一定的限度的，它會積累一些突變。我覺得，對于我們現(xiàn)在很多跟醫(yī)學相關的問題，或者一些合成生物學問題，比如我們用合成生物去創(chuàng)造一些生物工程的細菌，能夠幫助我們生產一些藥物和化合物，那么怎么樣才能高效地利用這個菌，來幫我們生產？所以這都需要我們對生命細胞結構的本質，包括它的DNA基因組組織的一些本質，進行一個從頭的理解。我覺得這是生命演化研究它最關鍵的意義所在。

Q8：新技術如何助力微生物演化研究？

我覺得這個幫助是非常大的，而且是在可以預期的未來一段時間里，會對微生物演化里面一些非常重要的問題，給出一些全新的答案。比如真核生物的起源問題。真核生物和另外兩大類生物（包括細菌和古菌）的區(qū)別就在于，它有個細胞核，里面有基因組，然后在它外面還有一些線粒體的基因組，還包括其它一些細胞器，在植物中還包括一些葉綠體，它會更加復雜。所以這個真核細胞它是怎么來的，這是一個科學研究非常熱點的問題?，F(xiàn)在用傳統(tǒng)的一些生物分子演化方法，就是我們說的基于遺傳物質，然后構建進化樹的方法，它的研究的一個瓶頸就在于，它的歷史太遙遠，很多信息可能就丟失了。所以我們就不知道，當時第一個真核細胞，它是怎么出現(xiàn)的?，F(xiàn)在我們有了一些新的手段，比如說像一些人工智能方法，它可以去分析這些基因它們當時怎么樣組合，是何以形成一個高度復雜的細胞系統(tǒng)。我們可以對蛋白做一個結構的預測，然后可以推測在20多億年第一個真核細胞里，當時的蛋白可能是什么結構。這樣我們就可以去推測，可能是哪些蛋白分別來自于古菌還是細菌?，F(xiàn)在真核起源研究最大爭論點就是到底真核是來自于古菌細胞，還是說真核和古菌細胞，它是在各自進化很早期就分開了。還有些理論認為真核細胞可能來自于病毒的一些基因。所以這些都需要我們用這些新的技術去推測當時的生物大分子可能的形態(tài)。

第三點就是合成生物學，有一個說法，當你把一個東西制造出來的時候，你才能夠真正去理解這個東西。所以說合成生物學的意義就在于，我們對生命起源的一些理論進行研究的時候，可以用現(xiàn)有的一些細胞，或者人造的細胞，去模擬當時起源的過程，然后去論證中間的一些關鍵的步驟是否可行。我覺得對生命演化學來說，這些新的技術將會帶來的一些變革。

本文根據(jù)訪談內容進行了書面化整理，內容刪減僅涉及重復表述與非核心細節(jié)。

本文為科普中國創(chuàng)作培育計劃作品 受訪者：范陸 創(chuàng)作團隊：集智俱樂部 審核專家：張江 北京師范大學系統(tǒng)科學學院教授 出品：中國科協(xié)科普部 監(jiān)制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

地球系統(tǒng)科學讀書會

世界氣象組織《2023年全球氣候狀況》報告確認2023年是有觀測記錄以來最暖的一年。氣候變化正在以高溫、干旱、洪水、野火和沙塵暴等極端天氣的形式吸引人們的廣泛關注。世界經濟論壇《2024全球風險報告》將氣候變化作為首要值得關注的風險。地球作為一個多要素、非線性的開放復雜系統(tǒng)，要素間相互作用關系復雜，往往牽一發(fā)而動全身。在人類活動深刻影響下，我們該如何理解并有效應對正在面臨的氣候變化以及其帶來的社會經濟等一系列議題，實現(xiàn)人類與地球的可持續(xù)發(fā)展？

為了能夠深入理解人類世背景下地球系統(tǒng)各要素之間復雜的相互作用與演化機制，并為人類應對未來的地球系統(tǒng)科學重大挑戰(zhàn)提供一套科學的認知框架，集智俱樂部聯(lián)合清華大學講席教授陳德亮、北京師范大學教授樊京芳、東莞理工學院特聘副研究員陳愛芳、南開大學副教授戴啟立老師和愛爾蘭都柏林大學博士生班嶄共同發(fā)起，將組織大家從新的研究范式出發(fā)梳理相關文獻，并深入研讀其中涉及的理論與模型。

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