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[转载]时间本身成为一种资源,微生物可以利用它进入新的栖息地

已有 190 次阅读 2020-10-22 15:51 |系统分类:论文交流| 微生物休眠, 细菌, 微生物, 栖息地 |文章来源:转载

谷禾健康

微生物需要能源和细胞构成的材料。他们还需要使用液态水来达到自然条件,并且细胞损伤率要低于修复。当缺乏资源和自然条件时,微生物通常会进入某种形式的休眠状态(例如,通过停止细胞分裂,减慢新陈代谢速度或形成内生孢子),直到它们再次生长。例如,在晚上,营养养分等待太阳回来。在冬季,土壤微生物会等待温度升高。导致结核病等疾病的微生物可以保持多年休眠状态,等待抗生素或免疫系统轰炸的停止。

但是更长的时间尺度呢?与多细胞生命不同,微生物可以在极为广泛的条件下生存,并且在没有细胞分裂的情况下可以获取各种资源来维持细胞功能。这意味着它们有可能休眠数月或数年以上。从理论上讲,没有理由说微生物无法依靠维持能量生存数百年或数千年,甚至更长的时间,而几乎没有细胞增殖。由于缺乏对微生物休眠间隔时间的理论限制,因此出现两个问题:

(i)是否有证据表明存在休眠期很长的生物? 

(ii)这么长的等待时间有什么好处?

确定微生物生理学的唯一方法是将其与自然环境隔离,并在实验室中进行培养。许多处于休眠状态的种群具有充当“侦察兵”的单个细胞,它们会在随机时间退出休眠状态,以定期采样以恢复有利于生长的条件。这些侦察兵中的一些可以被赋予生长因子并进行培养。但是,依靠营养生长来研究能够长期休眠的微生物存在两个问题。 

第一个问题:

首先是来自许多环境的DNA的直接测序表明大多数微生物细胞在系统发育上不同于任何人曾经培养过的细胞。这可能是“平板计数差异法(the great plate count anomaly)”背后的驱动力,它认为许多样本中不到1%的细胞可以轻松培养。重要的是要注意,并非所有环境都会受到极高的平板计数异常的影响。经历快速环境变化或具有丰富养分的环境,例如人的肠道和最近被火山灰淹没的湖泊通常以易于培养的细胞为主。 

然而,对于许多条件稳定的环境,尚未培养的微生物进化支配着总细胞的丰度,并且存在巨大的平板计数异常现象。有充分的证据支持以下观点:这些群体尚未屈服于培养的原因是他们专心于慢速生长,在正常的实验室时间尺度上不容易加速生长。长期以来,人们认识到,如果将它们培养数月,可以从天然样品中获得更多的培养物。事实上,在培养耐培养演化支方面,最近最大的进展是在生长非常缓慢的生物体中。

高丰度的海水微生物(如Nitrosopumilus sp. Pelagibacter ubiquitans 和 Prochlorococcus sp. )一天或更长时间会翻倍,这意味着它们需要一个月或更长时间才能达到稳定阶段。

海洋沉积物微生物的培养和富集需要更长的时间,其中 Atribacteria 在5天内增加一倍,Lokiarchaeota 则在14-25天内增加一倍,而未培养的甲烷菌(ANME-2)在7个月内会增加一倍。这些培养物发展得如此缓慢,以至在人类时间尺度上几乎不可能进行详细的生理评估和基因操作,即使它们是经过技术培养的。

第二个问题:

依靠培养物来研究寿命极长的微生物的第二个问题是,营养状态下的生理状态可能与微生物以低代谢活动生存数千年时的生理状态大不相同。因此,虽然培养对于确保生物体的生理至关重要,但它不能用于研究每种情况下每种类型的超慢生长微生物。

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因此,必须将培养工作直接研究天然样品中的超慢生物结合起来。然而,在自然样本中识别等待不频繁事件的多年休眠微生物是具有挑战性的。对于人类时间尺度的观察者而言,这种超慢速生物似乎无所作为。打个比方,加州海岸线是在地质时间尺度上不断搅动的岩石,但对人类来说,它足够稳定,可以在上面建造房屋。这些房子必须坚固到足以承受偶尔的地震,但在数百万年的旋转,淹没和挖掘中,它们将无法承受土地重新定向的影响。

幸运的是,现代海洋沉积物提供了一个天然实验室,可在其中研究长期休眠的微生物,而无需加快实验室培养中微生物的生长或等待数千年才能发生变化。通过将养分浓度的变化与沉积物的沉积速率进行比较,可以在很长时间内量化细微的地球化学变化。由此产生的反应-运输模型表明,向海洋沉积物微生物群落的总能量传递速率通常比支持实验室培养所需的能量传递速率很多数量级。这意味着这些微生物群落没有足够的能量来维持稳定的细胞分裂速度。

进一步的证据表明,在海底沉积物中埋藏在数米以内的微生物群落基本上处于非生长状态,这是因为即使种群正常生长也会发生突变或生态竞争的时间尺度之后,很少出现遗传上的新变化。这些生存的微生物群落的周转时间已被计算为几十年。这并不一定意味着细胞每30年经历一次传统的复制和细胞分裂。生物质量的改变可以通过逐渐取代所有的细胞物质来实现,脂质被脂质,核苷酸被核苷酸取代,从而在大约半个世纪的时间里,所有分子都被替换了。实际的细胞分裂事件可能需要更长的时间,或者可能永远不会发生,直到资源恢复,这可能需要数亿年。

这些微生物细胞几十年、甚至几百年、几千年或几百万年都没有复制,是因为它们在等待一个事件在这些时间尺度上发生吗? 

 另一种可能是,这些微生物不适应超长休眠,而只是在它们最终被俯冲到大陆之下并在俯冲带被压碎或烫伤致死之前,碰巧发现自己处于某种休眠状态数百万年。

尽管必须坚持多年静止生计的偶然选择,但有一些证据表明,在这种困境中发现自己的生物在进化上已准备就绪。随着河口沉积物深度的增加,微生物表达的酶对地下可用的底物具有更高的特异性,这表明它们具有一定的代谢活性以适应地下休眠。地下微生物还具有针对超慢代谢和细胞分裂的生理适应性。

此外,在地下发现的微生物进化枝不仅是持久存在的浮游动物群落的残余物,而且在被掩埋时不会消失。相反,它们不同于海水中发现的那些。

因此,在海洋沉积物中发现的生物虽然不能在那里真正生长,但很可能已经适应了在海洋环境中生活。但是,即使它们在长期休眠过程中经过了充分的调整和“快乐”,它们也必须在某个地方生长——自4.5亿年前地球开始以来,这些细胞就不可能一直处于休眠状态。

然后,我们必须问第二个问题:他们还在等什么?如果冬天在土壤中遇到休眠的微生物,我们可以假定它渴望在夏天变成营养状态。对于潜伏了数千到数百万年的深埋海洋沉积物生物来说,这相当于什么?他们的夏天是什么版本?

为了确定哪些事件导致长期休眠的生物体恢复其营养状态,我们必须假设一个进化框架,其中长期休眠是一种适应性的方法,最终在进化中获得回报。回报是有一天休眠的微生物会“醒来”,并产生后代,当这些资源可用时,它们首先获得这些资源,从而获得生存收益。

该模型的证据来自已在固定阶段研究多年的实验室培养。当在饥饿条件下将静止培养数月或数年的大肠杆菌培养物与新鲜生长的大肠杆菌培养物竞争时,预先适应的培养物会胜过新鲜生长的培养物,这种特性被称为静止期的生长优势。如果生活在海洋沉积物中的微生物也是如此,那么如果它们有机会竞争贫乏的资源,它们就会比更新鲜的生物有优势,就像习惯了匮乏的瑜伽士在饥荒中与贪吃的人竞争一样。

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对长期休眠的适应可能是由生长资源的变化所驱动的,这些生长资源随相当长的时间尺度的周期变化而变化。由于海洋沉积物微生物处于数百至数百万年的休眠状态,因此它们很可能“等待”在这些时间范围内发生的事件。地质过程发生在足够长的时间范围内。在较短的时间范围内,微生物可以适应多年的洪水,干旱或暴风雨周期,就像蝉经历了长达17年的滞育期一样。但是,在更长的时间尺度上发生的地质事件也可能导致休眠。

海洋沉积物中休眠的微生物回到营养新鲜的海底后,可以重新进入营养状态。由于生物扰动作用、小重力流或极端风暴事件,上层公尺以上的沉积物可以被挖出并重新沉积在海底(如果水足够浅)。埋藏得更深的沉积物可能在更长的时间尺度和更大的事件中被挖掘出来。整个海底悬崖可能会因海底滑坡,塌陷或浊流而重新分布。

在更长的时间范围内,当大洋板块撞击俯冲带中的其他大洋板块或大陆板块时,那些埋藏在数百米深的海洋沉积物中幸存下来的微生物可能会被挖出来。在这里,增生棱柱或火山泥喷发为使一些深埋的微生物脱离休眠提供了潜在的机会。

其他环境,例如古老的多年冻土也可能具有长期休眠的生物。尽管重要的是要指出,由于气候变化,现代多年冻土的融化速度快于预期,但这类生物的进化回报可能是在米兰科维奇循环之后的冰川期结束。

注:米兰科维奇循环是指一个地球气候变动的集合影响。以十万年为主要周期,伴随着四万年以及二万年左右的周期。与三种地球绕日运行轨道的变化有关。这三个影响因素也造成了地球的冰期与间冰期,大都与太阳辐射变化量有关。

正如微生物不依赖于氧气一样,它们也不依赖于达到一定的增长率。众所周知,厌氧呼吸的能力会增加微生物的环境范围,从而防止将其囚禁在有氧环境中。同样,微生物在长期,甚至是非常长时间匮乏中的生存能力使它们的栖息地在更大的时间范围内扩张。时间本身成为一种资源,微生物可以利用它进入新的栖息地。他们可以等待资源补充事件,而这超出了受限于更快生长速度的生物体的时间范围。

这种超慢的微生物可以被看作是在经典的 r vs. K 策略的生态框架中的K策略者,它们具有较慢的繁殖速度,更长的寿命并保持稳态种群,以最大程度地利用环境的承载能力。

注:物种有两种生存策略。K策略:培育一两个,每一个个体都是高质量和长寿命。R策略:培育很多很多个体,以数量来博取生存概率,每个个体都比较脆弱,死亡很多。

当然,需要注意的是,像这样的生态范式是围绕多细胞真核生物而设计的,包括对后代繁殖和体型的预测,而这并不能完全转化为在地质时间尺度上存活的微生物。因此,将时间视为微生物资源的新颖性并不意味着一种新的生态范式,而是一种新的生态位。通过积极关注微生物是如何利用大范围的时间尺度,或许比以前所认为的更长的时间尺度,我们可以为微生物和地球系统如何相互作用开辟新的认识。


参考文献:

Karen G. Lloy, Time as a microbial resource, Environmental Microbiology Reports, 04 October 2020




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