《物种灭绝的影响:在微生物的尺度上,动物群落的消失将如何破坏生态系统?》

  • 来源专题:外来生物入侵
  • 编译者: 王成卓
  • 发布时间:2019-07-08
  • 随着世界第六次大规模灭绝的继续,大型动物的消失对生物多样性和生态系统进程产生了广泛的影响。在草原、沼泽、森林和珊瑚礁等完全不同的系统中进行的研究表明,即使在微生物的范围内,群落消失的影响也很明显,会影响微生物群落、微生物驱动过程和宿主与微生物的相互作用。基础物种的微生物群落,如珊瑚、树木和草类,似乎特别容易失去大量的消耗者,这往往导致疾病、死亡和生态系统的变迁。我们使用级联的消耗者-猎物交互的概念,以及消费者在生态系统中自下而上的角色,来概述未来的研究如何填补该领域的空白。例如,消耗者的多样性和体型大小影响营养级联的强度,并可能决定了群落消失如何影响微生物群落。最后,我们认为,大型生物和微生物之间的联系可能很常见,但没有得到充分的重视,因为失去大量消耗者的影响会扩散到整个生态系统。

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  • 《欲望的微生物学:微生物的世界观-合生菌》

    • 来源专题:人类遗传资源和特殊生物资源流失
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2019-12-17
    • 在2001年出版的《植物学的欲望:植物的世界观》一书中,作者迈克尔•波伦挑战了传统的以人类为中心的世界观,并鼓励读者从植物的角度来看待生命。是人类还是植物在发号施令?也许我们不是为了生存而控制植物,而是植物为了生存而控制我们。普兰强调了几种植物是如何满足人类的基本需求的。纵观历史,我们一直在有选择地培育不同的作物,以获得某些特性,并将它们传播到世界各地,似乎是为了我们的利益。这些农作物包括苹果(用于制造甜味)、郁金香(用于制造美感)、大麻(用于麻醉)等等。 同样,微生物也在与人类共同进化,在数百万年的时间里形成了一种共生关系。事实上,每个人都被数万亿的微生物所占据。我们吃的食物喂养了生活在我们肠道内的有益微生物,作为回报,它们战胜了病原微生物,产生了调节我们免疫系统的代谢物。此外,数千年来,微生物一直在帮助人类进行一种最古老的食品加工方法——发酵,即微生物将食物从一种形式转化为另一种形式。在20世纪后期,我们开始通过工业发酵——类似于酿造啤酒的过程——来改造微生物来生产药物,如胰岛素和其他成分。从那时起,我们就利用这项技术在农业、能源、食品和医疗保健行业进行大量应用。 今天,我们正在加速与这些可爱的小生物的合作。我们正在设计和发展它们,喂养和种植它们,保护和传播它们到世界各地。问题是,我们做这些工作是为了我们的利益还是为了他们的利益?也许发号施令的不是人类或植物,而是微生物。 改造和进化微生物 随着基因组测序和云计算等技术的成本在过去几年里呈指数级下降,科学家们一直在加大对微生物的研究,围绕微生物的功能及其与其他有机体的相互作用出现了一些新发现。工业界正利用这项研究进行各种商业应用,例如利用微生物作为小型工厂来生产不含动物的蛋白质、健康的农作物和药物。作为这一运动的一部分,三家初创公司——enEvolv (Cultivian portfolio company)、银杏生物工程公司(Ginkgo Bioworks)和Zymergen——总共筹集了超过15亿美元的风险资本,为其中的一些应用程序设计和进化微生物。利用新一代DNA测序和机器学习等工具,这些革新者极大地增加了有用微生物的数量和多样性,并且与以前的技术相比,大大减少了为我们的利益而将基于生物的产品商业化所需的时间和成本。 喂养和培养微生物 科技风险投资家马克•安德森(Marc Andreessen)在2011年发表的文章《软件正在吞噬世界》(Software is Eating the World)中,展示了软件公司是如何接管世界上一些最大的行业的。如今,随着微生物发酵成为蛋白质、药物和其他产品的关键生产过程,微生物似乎正在吞噬这个世界(有时确实如此)。 为了设计这些过程中的微生物,我们利用硅模型和计算机代码(0和1)来修改微生物的遗传代码(A、C、T和G),从而设计出某些能滋养我们的菌株,在某种程度上,还能设计出其他能产生滋养它们的糖的菌株。根据一些估计,到2024年,益生菌(滋养我们的活微生物)和益生元(滋养它们的糖)市场预计将分别达到770亿美元和70亿美元。由于预期需求将不断增长,近年来微生物群落领域的风险投资出现了爆炸性增长。 几家初创公司正在利用微生物及其衍生产品进行商业应用。这些用例有助于证明存在于人类和微生物之间的共生关系。我们设计和进化微生物,然后喂养和培养它们;作为回报,他们生产的产品使我们受益。我们与微生物的关系也开启了新的价值主张,减少了我们对自然世界的依赖,比如需要收获动物来获取食物、药品和其他产品。例如,Geltor (Cultivian portfolio公司)是通过发酵生产无动物蛋白领域的新兴领导者。该公司最初的重点是胶原蛋白,历史上只能从动物皮肤、骨骼和结缔组织中提取。Geltor最近宣布了与GELITA的重大合作,将在2020年推出世界上第一个无动物胶原蛋白。 保护和传播微生物 就像Pollan在他2001年的书中所强调的各种各样的植物一样,人类一直在世界各地保护和传播微生物,表面上是为了满足我们的需要。最近,消费者对减少或消除食品供应链中的抗生素和杀虫剂的偏好开始改变农业。其结果是,对生物制品需求的增加和对生物制品的采用正在保护我们作物、牲畜和肠道中的有益微生物。事实上,像Eligo生物科学公司,叶形科学和一般益生菌工程微生物选择性地破坏致病微生物,同时保持有益微生物完整代替广谱抗生素消灭有益和致病微生物,有点像“我们会让你活着如果你做同样的为我们“交换条件。 此外,我们一直在世界各地传播有益微生物。当某些微生物在发达国家证明对人类有用时,盖茨基金会正在投资并与风险投资支持的初创公司合作,例如AgBiome(用于作物健康)和evolution BioSystems(用于婴儿营养),以便在发展中国家部署这些微生物产品。
  • 《PNAS:颗粒沉降促进海洋微生物群落的垂直联系》

    • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者:mall
    • 发布时间:2018-08-09
    • 海洋是地球上最大的生态系统之一,并由原核生物主导着海洋生物生物量和生物多样性。颗粒下沉是一种将物质输送到深海的普遍机制,在全球碳循环中起着重要作用。但这一过程是否能够将表层与深海中的原核生物群落多样性连接起来,又是否在全球范围内普遍存在,尚未可知。2018年7月17日,发表在《美国科学院院刊》(PNAS)上的一项研究《下沉颗粒促进海洋微生物群落的垂直连通性》(Sinking particles promote vertical connectivity in the ocean microbiome)对该过程的作用进行了论述。研究表明表层和深海原核生物群落之间紧密相连,构成了一个巨大的“海洋元群落”(oceanic metacommunity ),其中的相互作用是通过下沉颗粒的运输来实现。这种由下沉颗粒介导的垂直扩散是深海原核生物群落形成的动力来源。 在海洋光层中形成的有机颗粒的沉降是将表层碳输送到深海中的主要形式。下沉的颗粒物非常适宜海洋微生物定殖,暗示着下沉颗粒可能在沉降过程中将表层微生物群落转移到深海层中。研究人员通过对16S rRNA基因的Illumina测序来探索海洋微生物组的垂直连通性,一方面表征出与颗粒大小尺度相关的海洋微生物群落的组成,另一方面检测微生物群落在位于大西洋、太平洋和印度洋等不同地区站点的从海平面到水下4000米的群落组成变化。研究发现,在深海中最丰富的原核生物也存在于海洋表层中,并且这种垂直的群落连通性似乎主要通过大型沉降颗粒来实现。因为在整个水体里的大沉降颗粒中的微生物群落具有最高的系统发育相似性,而不依附于沉降颗粒的微生物群落则在垂直水平分布上相对孤立。研究进一步发现,在表层水中发生的微生物定殖沉降颗粒的过程在一定程度上决定了海洋微生物群落的组成和垂直分布。 该研究发现全球海洋微生物组在整个水体中表现出强烈的垂直连通性。并阐明了这种连接是通过颗粒沉降将定殖其上的表层群落引入深海,突出了沉降颗粒作为微生物运输载体的驱动作用。但是沉降颗粒的组成和下沉率的变化又会如何影响深海群落?又或者,沉降后的微生物是否会回到表层海洋,是否可能存在将它们带回表层的分散机制?这些将是科学家们未来关注的重点。 (刘晓琳 编译)