陳旭淼, 徐奎棟

(中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 海洋生物分類(lèi)與系統(tǒng)演化實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071)

1 引言

原生動(dòng)物是一大類(lèi)單細(xì)胞真核生物的統(tǒng)稱(chēng), 其中自由生活的主要類(lèi)群包括異養(yǎng)鞭毛蟲(chóng)、纖毛蟲(chóng)和肉足蟲(chóng)(有孔蟲(chóng)和放射蟲(chóng)為代表); 它們是生物圈中數(shù)量最為龐大的吞噬營(yíng)養(yǎng)類(lèi)群, 部分種類(lèi)具有內(nèi)共生藻類(lèi)或功能性葉綠體而進(jìn)行兼性營(yíng)養(yǎng)。在水環(huán)境中, 不論是浮游或是底棲生活的原生動(dòng)物, 其生命過(guò)程與水體和底質(zhì)的環(huán)境存在著密切的聯(lián)系; 并且通過(guò)各種營(yíng)養(yǎng)關(guān)系與其他生物共同聯(lián)結(jié)成為一個(gè)有機(jī)整體。同時(shí), 原生動(dòng)物的基礎(chǔ)研究也為探索真核生物系統(tǒng)進(jìn)化提供了重要素材。

回顧原生動(dòng)物 300多年的研究歷史: 從基礎(chǔ)的形態(tài)分類(lèi)、系統(tǒng)發(fā)育研究, 逐步拓展至對(duì)其生態(tài)功能、新陳代謝方式和真核細(xì)胞進(jìn)化模式的探索中[1]?，F(xiàn)生的原生動(dòng)物中, 自由生活的約有2萬(wàn)余種[2], 其中一半以上來(lái)自海洋[3]。近 30年來(lái), 我國(guó)對(duì)于海洋原生動(dòng)物的研究側(cè)重于物種多樣性、分子多樣性、群落結(jié)構(gòu)以及時(shí)空變化等方面。樣品采集范圍集中于潮間帶、河口濕地、較特殊的養(yǎng)殖水體和紅樹(shù)林生境以及近海等。在近岸海域已發(fā)現(xiàn)自由生活的原生動(dòng)物約3000種, 其中鞭毛蟲(chóng)20余科40余屬300余種、有孔蟲(chóng)120余科400余屬約1500種、放射蟲(chóng)近60科240屬500余種、纖毛蟲(chóng)近百科200余屬700余種[4-7]。然而, 我國(guó)對(duì)于深海的物種多樣性研究?jī)H在大型動(dòng)物和細(xì)菌、古菌等方面有所開(kāi)展, 針對(duì)原生動(dòng)物多樣性的調(diào)查尚屬空白。

深海, 通常是指深度大于 1000m 的海洋, 占據(jù)了全球海洋總面積的75%, 環(huán)境特征多為黑暗、低溫(多低于 4℃)、高壓和寡營(yíng)養(yǎng)等, 這樣的極端環(huán)境常被視為“生命禁區(qū)”。然而, 深海中的一些特殊地貌,譬如海山區(qū)、深海盆地、熱液噴口、冷泉等, 由于特殊的水文條件(泰勒環(huán)流等)和環(huán)境因子(乏氧、高鹽、硫化、富含甲烷等), 往往造就出獨(dú)特的生態(tài)價(jià)值, 因而成為生物多樣性研究的熱點(diǎn)區(qū)域[8-9]。國(guó)際上, 隨著研究理論與技術(shù)的提高, 人們對(duì)于深海原生動(dòng)物多樣性已有初步認(rèn)識(shí)和研究方法的拓展。開(kāi)展深海原生動(dòng)物多樣性研究, 全面了解該生境內(nèi)原生動(dòng)物主要形態(tài)功能類(lèi)群的物種組成, 發(fā)現(xiàn)處于真核生物演化分支重要節(jié)點(diǎn)的代表生物, 闡明其特有的生命現(xiàn)象和生命過(guò)程以及驅(qū)動(dòng)其變化的主要環(huán)境因子,進(jìn)而深入探索原生動(dòng)物在深海環(huán)境的生態(tài)功能, 已成為當(dāng)今海洋微型生物研究的主流方向, 具有十分重要的意義。

1.1 生態(tài)功能

在海洋生態(tài)系統(tǒng)中, 水體和底質(zhì)中自由生活的原生動(dòng)物具有十分重要的生態(tài)功能; 它們通過(guò)直接或間接作用, 調(diào)節(jié)水體中微型生物的群落結(jié)構(gòu)和新陳代謝。例如: 異養(yǎng)和兼性自養(yǎng)的浮游原生動(dòng)物, 其群落結(jié)構(gòu)的時(shí)空演替在很大程度上影響著海洋生物圈中碳的動(dòng)態(tài)平衡[1]; 同時(shí)作為細(xì)菌、單胞藻的攝食者和小型浮游動(dòng)物的餌料來(lái)源, 以纖毛蟲(chóng)為主要功能類(lèi)群的異養(yǎng)原生動(dòng)物源源不斷地從微型生物類(lèi)群向更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)傳遞物質(zhì)和能量, 是海洋浮游和底棲微食物網(wǎng)不可替代的組成部分[10-14]。

大洋中浮游生有孔蟲(chóng)和放射蟲(chóng), 死亡后沉積海底形成的軟泥, 占據(jù)了現(xiàn)代海底三分之一以上的面積[15-16]。它們的種群消長(zhǎng)與深海中有機(jī)碳通量和沉降模式顯著相關(guān)[17-19], 多被應(yīng)用于海洋深部水團(tuán)變化規(guī)律和海洋表層初級(jí)生產(chǎn)力的研究[20]。

在深海中, 除上述重要生態(tài)功能外, 在一些極端環(huán)境下原生動(dòng)物常常發(fā)揮著更為獨(dú)特的生態(tài)學(xué)作用。例如: 在熱液噴口[21]和冷泉[22], 活躍著一些特殊的原生動(dòng)物(以眼蟲(chóng)、纖毛蟲(chóng)和有孔蟲(chóng)為主), 它們通過(guò)在細(xì)胞表面或內(nèi)部共生的產(chǎn)甲烷細(xì)菌、硫化細(xì)菌等, 將極端生境內(nèi)的特殊化合物轉(zhuǎn)化成細(xì)胞能夠直接利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[23]。此外, 許多原生動(dòng)物在深海沉積物中以包囊的形式存在, 它們的豐度和群落結(jié)構(gòu)在一定程度上能夠?qū)﹂L(zhǎng)期的環(huán)境變化起到指示作用[24]。

因此, 開(kāi)展深海原生動(dòng)物多樣性的研究, 對(duì)不同的功能類(lèi)群進(jìn)行更深入、細(xì)致的劃分, 在一定程度上可為探尋其在深海浮游、底棲以及一些極端環(huán)境下(寡營(yíng)養(yǎng)、乏氧、高鹽、熱液噴口、冷泉等)微型生物種群消長(zhǎng)規(guī)律和在生態(tài)系統(tǒng)中的功能與作用奠定基礎(chǔ), 也為了解深海生態(tài)系統(tǒng)的組成和如何響應(yīng)環(huán)境長(zhǎng)期變化的機(jī)制提供可行的方式。

1.2 模式生物與進(jìn)化節(jié)點(diǎn)

原生動(dòng)物的很多類(lèi)群在進(jìn)化過(guò)程中擁有不同的生命周期、營(yíng)養(yǎng)方式、能動(dòng)性以及細(xì)胞分化類(lèi)別[25]。盡管僅為單細(xì)胞結(jié)構(gòu), 但它們?cè)谕庑巍⑦\(yùn)動(dòng)方式、表面結(jié)構(gòu)的分化和特化等方面, 均表現(xiàn)出極高的多樣性。特殊類(lèi)群可通過(guò)獨(dú)特的方式來(lái)進(jìn)行遺傳物質(zhì)的傳遞、表達(dá)和新陳代謝等等。一些能夠建立純培養(yǎng)的原生動(dòng)物, 已成為遺傳學(xué)、細(xì)胞學(xué)和分子生物學(xué)研究的重要模式生物[26-28]。

從基因信息分析的證據(jù)來(lái)看, 真核生物可能是某種古菌與細(xì)菌共生、異種結(jié)合的基因融合體。有科學(xué)家通過(guò)比較物質(zhì)能量新陳代謝的生物化學(xué)過(guò)程,認(rèn)為真核生物的起源, 很可能需要在乏氧的海洋環(huán)境中進(jìn)行[29]。深海中熱液噴口附近的生化環(huán)境(溫度可達(dá)400℃, pH為3~8, 并具有特殊的化合物)與生命起源之前的海洋非常相似[30-33]。同時(shí), 亦有分子進(jìn)化的證據(jù)表明: 在這種極端環(huán)境下生存的嗜熱微生物(細(xì)菌和原生生物)極有可能是現(xiàn)存生物的共同祖先[34-35]。

因此, 作為生物界系統(tǒng)進(jìn)化上兩大跨越(即原核到真核、單細(xì)胞到多細(xì)胞)極其重要的節(jié)點(diǎn)代表類(lèi)群,在深海極端環(huán)境(寡營(yíng)養(yǎng)、乏氧、高鹽、硫化等)下進(jìn)行原生動(dòng)物多樣性研究, 極有可能發(fā)現(xiàn)并獲取一些在系統(tǒng)進(jìn)化過(guò)程中的代表模式生物。

2 物種多樣性研究進(jìn)展

由于研究手段的限制、缺乏有經(jīng)驗(yàn)的分類(lèi)學(xué)家等原因, 深海原生動(dòng)物物種多樣性研究很少。20世紀(jì)90年代初首先在日本和歐美國(guó)家展開(kāi), 采集不同深度的水體和底層沉積物, 依賴(lài)常規(guī)的形態(tài)學(xué)研究手段進(jìn)行多樣性調(diào)查, 涉及的區(qū)域范圍主要集中在地中海、太平洋和大西洋的局部深海海域。

2.1 研究手段

原生動(dòng)物個(gè)體微小且細(xì)胞特化程度高, 具有多樣化的表面和深層結(jié)構(gòu)。19世紀(jì)末, 人們對(duì)原生動(dòng)物的認(rèn)識(shí)主要依賴(lài)于光學(xué)顯微鏡下的觀察和細(xì)胞學(xué)染色技術(shù)。20世紀(jì)中, 電子顯微鏡的發(fā)明使人們對(duì)原生動(dòng)物的超微結(jié)構(gòu)有所了解, 從而使形態(tài)學(xué)鑒定所參考的特征更為細(xì)致、全面。

基于培養(yǎng)模式的形態(tài)學(xué)研究方法, 能夠十分準(zhǔn)確、可靠地完成物種鑒定; 完成樣品中物種多樣性的定性分析。不足之處在于: (1)操作過(guò)程中, 無(wú)法培養(yǎng)、個(gè)體數(shù)目過(guò)少的許多種類(lèi)易被忽視; (2)適宜的條件會(huì)促使樣品中原先以休眠包囊形式存在的種類(lèi)萌發(fā)、大量增殖甚至形成優(yōu)勢(shì)種。因此, 這樣的分析方法, 對(duì)樣品所包含的物種數(shù)目、豐富度、存活狀態(tài)等信息無(wú)法給出全面、綜合的考量。

當(dāng)研究側(cè)重原生動(dòng)物的多樣性、群落結(jié)構(gòu)和時(shí)空變化規(guī)律等生態(tài)學(xué)分析時(shí), 需要在樣品采集后進(jìn)行快速固定, 隨后再分離、染色, 既能進(jìn)行物種鑒定,又能較為保真地還原樣品的本來(lái)面目(區(qū)分活動(dòng)/休眠狀態(tài)、保持豐度不變等), 從而較全面、準(zhǔn)確地進(jìn)行海洋原生動(dòng)物多樣性和區(qū)系結(jié)構(gòu)的分析。但采用固定樣品進(jìn)行生態(tài)學(xué)研究的方法, 也有其局限性: (1)對(duì)其中處于休眠狀態(tài)的蟲(chóng)體, 由于缺乏相關(guān)的基礎(chǔ)研究資料尚無(wú)法直接進(jìn)行準(zhǔn)確的鑒定; (2)對(duì)于個(gè)體數(shù)目極少的種類(lèi), 也無(wú)法提供足夠的檢測(cè)敏感度。

深入而準(zhǔn)確的形態(tài)鑒定, 往往需要原生動(dòng)物活體狀態(tài)下的特征, 因此常局限于能夠培養(yǎng)或在樣品采集后數(shù)日仍能保持生存和一定豐度的種類(lèi), 極多的類(lèi)群遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這樣的要求, 就極容易被遺漏掉。即使舍棄活體特征, 固定后的樣品進(jìn)行種類(lèi)鑒定和計(jì)數(shù), 仍舊非常容易將一些低豐度的物種忽略掉。因此, 經(jīng)典、傳統(tǒng)的分類(lèi)學(xué)研究方法, 即便能非常準(zhǔn)確地完成物種鑒定, 在深海極端生境原生動(dòng)物物種多樣性的探索中, 尚無(wú)法完全發(fā)揮作用。

2.2 研究概況

作為西北太平洋最大的邊緣?！毡竞? 日本學(xué)者從 1991年起對(duì)其內(nèi)的 Sagami灣(1450m深)開(kāi)展為期3年的底棲有孔蟲(chóng)調(diào)查, 共鑒定來(lái)自40屬的76種有孔蟲(chóng), 發(fā)現(xiàn)有孔蟲(chóng)群落在底泥中垂直遷移,主要的生態(tài)驅(qū)動(dòng)因子是氧化還原層的厚度[36]。在這份工作中, 物種多樣性的研究雖不夠完善, 但為生態(tài)學(xué)的探索奠定了重要基礎(chǔ)。

1993年, 德國(guó)學(xué)者對(duì)地中海東部的 Ionian海盆(最深處4617m)進(jìn)行底棲原生動(dòng)物的摸底調(diào)查, 使用3種培養(yǎng)基(麥粒、酵母、熱帶魚(yú)餌料)對(duì)樣品中的原生動(dòng)物進(jìn)行促萌發(fā)和后續(xù)培養(yǎng), 共獲得鞭毛蟲(chóng) 87種、無(wú)殼阿米巴12種、纖毛蟲(chóng)35種, 其中58%為近海的常見(jiàn)種類(lèi)[37]。這是一份較為系統(tǒng)的工作, 嘗試了多種培養(yǎng)基, 對(duì)18個(gè)站位的108個(gè)樣品進(jìn)行了為期8天的觀察, 工作量大且對(duì)鑒定人員的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)要求高, 為日后深海原生動(dòng)物多樣性研究的開(kāi)展提供了重要參考。

1995~1998 年, 美國(guó)學(xué)者對(duì)東太平洋4個(gè)深海熱液噴口(深度為 2000~2550m)進(jìn)行鞭毛蟲(chóng)多樣性的調(diào)查, 使用酵母浸出液進(jìn)行培養(yǎng), 采用光鏡和電鏡共同觀察, 共分離出9種鞭毛蟲(chóng)的18個(gè)種群, 并結(jié)合核糖體小亞基基因序列分析、構(gòu)建系統(tǒng)關(guān)系樹(shù), 對(duì)它們的進(jìn)化關(guān)系進(jìn)行探討[38]。上述 2份研究均應(yīng)用基于培養(yǎng)模式的形態(tài)學(xué)手段來(lái)進(jìn)行, 對(duì)深海較特殊環(huán)境下原生動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)有了初步了解。

Buck等[22]在加州 Monterey海灣的深海冷泉區(qū)域(深 903m)采集表層1cm的沉積物, 經(jīng)戊二醛固定后進(jìn)行掃描電鏡和透射電鏡觀察, 發(fā)現(xiàn)多種眼蟲(chóng)的體表共生著大量行化能自養(yǎng)的細(xì)菌, 原生動(dòng)物和細(xì)菌通過(guò)代謝方式的互利共同生活在富含硫化氫的極端環(huán)境下。如前所述, 對(duì)樣品先進(jìn)行固定處理再分析,在一定程度上能夠反映其原位生活狀態(tài)。

基于經(jīng)典分類(lèi)學(xué)手段對(duì)深海原生動(dòng)物物種多樣性的研究目前在國(guó)際間較為罕見(jiàn), 除研究手段本身局限外, 更主要的問(wèn)題在于缺乏有經(jīng)驗(yàn)的原生動(dòng)物分類(lèi)學(xué)家, 無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)快速處理和準(zhǔn)確鑒定樣品, 而分類(lèi)學(xué)專(zhuān)業(yè)人員的培養(yǎng), 不僅要經(jīng)歷非常細(xì)致、嚴(yán)謹(jǐn)、枯燥的科研訓(xùn)練, 更需要長(zhǎng)時(shí)間刻苦的實(shí)踐工作和經(jīng)驗(yàn)的積累以減少主觀認(rèn)識(shí)造成的偏差。相較于此, 能夠流程化處理的分子生物學(xué)技術(shù)手段,可在短期內(nèi)完成人員培訓(xùn), 開(kāi)展的工作更為廣泛和全面。

3 分子多樣性研究進(jìn)展

研究方法的提高, 為科研探索造就更有力的武器、提供更廣闊的平臺(tái), 進(jìn)而帶來(lái)快速發(fā)展。近 30年, 分子生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用, 開(kāi)辟出原生動(dòng)物分子系統(tǒng)與進(jìn)化研究的新領(lǐng)域。以基因測(cè)序?yàn)榛A(chǔ), 研究深海原生動(dòng)物的分子多樣性, 大大提高了人們探索海洋原生動(dòng)物的分辨率和準(zhǔn)確度。

3.1 研究手段

現(xiàn)代分子多樣性研究方法, 無(wú)須進(jìn)行任何培養(yǎng)而直接分析環(huán)境樣品中某段標(biāo)記基因(通常選取較為保守的核糖體小亞基基因的部分可變區(qū)域), 通過(guò)序列信息的比對(duì)和聚類(lèi)分析, 進(jìn)而顯示其中原生動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)。這不僅彌補(bǔ)了基于培養(yǎng)模式的形態(tài)學(xué)研究所遺失的大量信息(無(wú)法培養(yǎng)的種類(lèi), 多樣性和豐度等定量信息), 也大大提高了檢測(cè)的分辨率和敏感度, 將環(huán)境中個(gè)體數(shù)量極少、處于休眠狀態(tài)等難以通過(guò)形態(tài)學(xué)研究手段發(fā)現(xiàn)和鑒定的種類(lèi)揭示出來(lái)。

技術(shù)較為成熟、應(yīng)用比較廣泛的分子多樣性研究方法有: 分子指紋圖譜分析和結(jié)合一代測(cè)序技術(shù)(Sanger測(cè)序)的克隆文庫(kù)構(gòu)建。結(jié)合生物統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)分子指紋圖譜進(jìn)行分析, 可以為評(píng)價(jià)原生動(dòng)物的多樣性和群落結(jié)構(gòu)組成提供更多的參考依據(jù)[39]。這種方法存在的主要問(wèn)題是: (1)僅僅適用于分析較短的DNA鏈, 其獲得的序列信息雖能明顯區(qū)別出不同類(lèi)群的相對(duì)豐度, 但所包含的系統(tǒng)分類(lèi)信息不夠全面,且無(wú)法提供準(zhǔn)確的分類(lèi)階元信息; (2)若出現(xiàn)同種內(nèi)不同個(gè)體基因序列的細(xì)小差異, 就可能出現(xiàn)多個(gè)條帶來(lái)自同一種的錯(cuò)誤信息; 或者來(lái)自不同種類(lèi)的擴(kuò)增條帶恰好無(wú)法分開(kāi), 導(dǎo)致同一條帶包含多個(gè)分類(lèi)階元等, 而結(jié)合一代測(cè)序技術(shù)的克隆文庫(kù)構(gòu)建, 工作量巨大: 每個(gè)樣品, 研究人員需要對(duì)成百上千的菌斑進(jìn)行轉(zhuǎn)化和培養(yǎng), 費(fèi)時(shí)費(fèi)力, 其獲取的信息量已被新技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越。

高通量測(cè)序技術(shù)(即二代測(cè)序技術(shù))能夠同時(shí)完成幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)條DNA序列的測(cè)定, 為海量的環(huán)境樣品分析提供更為迅速、準(zhǔn)確、高通量的分析平臺(tái); 實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、工作周期短, 需要投入大量精力用于數(shù)據(jù)分析。常用的測(cè)序方法包括: 454焦磷酸測(cè)序(454 pyrosequencing)、Illumina測(cè)序、大規(guī)模平行簽名測(cè)序(massively parallel signature sequencing,MPSS)、聚合酶克隆測(cè)序(polony sequencing)、離子半導(dǎo)體測(cè)序(ion semiconductor sequencing)、DNA納米球測(cè)序(DNA nanoball sequencing)等。在對(duì)加勒比海Cariaco海盆中深海沉積物進(jìn)行的原生動(dòng)物分子多樣性研究中, 研究者將 454焦磷酸測(cè)序技術(shù)與構(gòu)建克隆文庫(kù)的方法做了對(duì)比, 結(jié)果發(fā)現(xiàn): 在亞門(mén)/綱/目級(jí)階元上, 454焦磷酸測(cè)序技術(shù)具有更高的分辨率,進(jìn)而能更詳盡、細(xì)致、全面地揭示群落結(jié)構(gòu)的組成和變化[40]。

然而, 高新技術(shù)在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的過(guò)程中, 也為科研探索帶來(lái)一定程度的困擾: 譬如通過(guò)高通量測(cè)序技術(shù)獲取的宏基因組信息, 應(yīng)用不同方法對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析, 往往會(huì)得到相差甚遠(yuǎn)的結(jié)果[41], 而測(cè)序的誤差很可能會(huì)過(guò)分放大物種的多樣性[42]等, 這些問(wèn)題需通過(guò)分析方法的優(yōu)化、計(jì)算模型的篩選來(lái)修正[43]。

3.2 研究概況

深海的原生動(dòng)物多樣性研究, 由于現(xiàn)場(chǎng)取樣、高保真要求、分析方法分辨率等諸多方面的限制, 難以應(yīng)用傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)研究方法, 分子手段能彌補(bǔ)這樣的不足。全球范圍內(nèi), 應(yīng)用分子技術(shù)對(duì)深海原生動(dòng)物多樣性的研究已經(jīng)較為成熟, 對(duì)原生動(dòng)物在微環(huán)境至全球尺度下的分布模式、與環(huán)境中理化/生物因子之間相互作用的規(guī)律等研究均提供了可靠的基礎(chǔ)信息。目前, 全球范圍內(nèi)開(kāi)展原生動(dòng)物分子多樣性研究的深海區(qū)域主要有: 極地海域、太平洋局部、地中海、墨西哥灣和加勒比海。

在南極附近海域, 研究者分別選取 250、500、2000和3000m 4個(gè)層面的水樣對(duì)微型生物進(jìn)行克隆文庫(kù)構(gòu)建, 得到的序列經(jīng)系統(tǒng)分析表明: 其原生動(dòng)物的多樣性極其豐富; 不同水層物種多樣化的模式并無(wú)明顯的差別[44]。應(yīng)用同樣的方法, 在太平洋西北部日本海Sagami灣內(nèi)的冷泉區(qū)域, 亦發(fā)現(xiàn)活躍著大量的、多樣化的纖毛蟲(chóng), 種類(lèi)涵蓋8個(gè)綱級(jí)階元和一些未知類(lèi)群, 它們?cè)诘讞⑹澄锞W(wǎng)中發(fā)揮著重要的作用[45]。

在地中海東部新發(fā)現(xiàn)的一個(gè)乏氧、高鹽(鹽度348)海盆(深度 3258m)——Thetis的真核微型生物多樣性調(diào)查表明: 乏氧的鹵水層中, 生存著大量原生生物; 無(wú)論在鹽躍層還是鹵水層中, 纖毛蟲(chóng)和鞭毛蟲(chóng)的物種數(shù)目均占據(jù)較大的比例; 而鹽躍層和鹵水層中的原生動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)顯著差異[46]。在地中海東部的兩個(gè)高鹽乏氧海盆(Bannock和 Discovery)開(kāi)展的多樣性調(diào)查也得到了相似的結(jié)果: 發(fā)現(xiàn)多種多樣的原生生物, 其中一些類(lèi)群很可能代表新的階元; 且在不同水層, 原生生物群落結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)出明顯差異[47]。

通過(guò)構(gòu)建克隆文庫(kù), 對(duì)墨西哥西北部 Guaymas海盆內(nèi)熱泉沉積物中纖毛蟲(chóng)原生動(dòng)物的多樣性和分布模式進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn): (1)此處生存的纖毛蟲(chóng)物種非常豐富, 在 548條序列中共檢出 156個(gè) OUT(operational taxonomic units); (2)在不同環(huán)境條件下,纖毛蟲(chóng)的分布模式與細(xì)菌有著很高的一致性, 但二者與環(huán)境因子的相關(guān)性并不高; (3)此處豐度較高的纖毛蟲(chóng), 也同樣出現(xiàn)在其他的熱泉、深海和乏氧的微環(huán)境中, 在全球具有廣布性[48]。然而, 在距離并不遙遠(yuǎn)的加勒比海、世界上最大的乏氧海盆 Cariaco中,研究者卻有不同發(fā)現(xiàn): 不同的水層, 生存著相異的原生生物類(lèi)群, 極有可能在特殊的環(huán)境脅迫下形成獨(dú)立的進(jìn)化單元[49]。

這些工作, 應(yīng)用不同的分析手段, 且采樣地點(diǎn)多樣化, 不僅在了解深海原生動(dòng)物分子多樣性方面獲得開(kāi)拓性的進(jìn)展, 而且在對(duì)其分布模式與環(huán)境因子之間的關(guān)系、全球尺度下的分布格局, 以及特殊環(huán)境下能否形成獨(dú)立的進(jìn)化單元也做出深入的分析和探討, 大大推動(dòng)了我們對(duì)于深海環(huán)境中多樣化的原生動(dòng)物在微型生物生態(tài)系統(tǒng)中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與功能的了解。

4 多樣性研究熱點(diǎn)

自由生活的原生動(dòng)物廣泛存在于土壤、淡水、半咸水至海洋生境, 甚至是極地的凍土、深海的高鹽/乏氧盆地/熱液/冷泉等極端環(huán)境中, “Everything is everywhere, but, the environment selects”[50]這一觀點(diǎn)在得到大量認(rèn)可的同時(shí), 也受到激烈的反駁。全球范圍內(nèi), 原生動(dòng)物的分布格局是以擴(kuò)散作用為主導(dǎo)的全球性分布嗎？當(dāng)微型生物的擴(kuò)散被阻滯, 特殊環(huán)境下, 是否能夠形成完全獨(dú)立、以環(huán)境因子為主導(dǎo)的限定性地理分布進(jìn)化單元, 進(jìn)而衍生出限定性地理分布的物種？這些是學(xué)者們長(zhǎng)期爭(zhēng)論不休的焦點(diǎn)問(wèn)題。在深海環(huán)境下, 地理分布格局和新奇種類(lèi)的發(fā)現(xiàn)將成為深海原生動(dòng)物多樣性研究的熱點(diǎn)。

4.1 地理分布格局

生物在地球上的分布模式, 綜合反映了時(shí)間長(zhǎng)河里生物在擴(kuò)散過(guò)程中機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存、生存與滅亡交戰(zhàn)的復(fù)雜相互作用[51]。研究原生動(dòng)物多樣性和地理分布的領(lǐng)域內(nèi), 多年來(lái)存在著激烈的爭(zhēng)論:Fenchel等[52]認(rèn)為微型生物的全球分布模式取決于其龐大的種群而非特定的分類(lèi)群, 其多樣性在局部尺度下遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大型生物, 而在全球尺度上則恰恰相反, 即微型生物具有區(qū)域上的高多樣性, 在全球范圍內(nèi)多樣性則相對(duì)較低, 以纖毛蟲(chóng)為例, Finlay[53]認(rèn)為世界上的纖毛蟲(chóng)可能僅有 3000種左右。而Nanney[54]和 Foissner等[55]則表達(dá)出與此大相徑庭的觀點(diǎn): 認(rèn)為微型生物在一定程度上表現(xiàn)出限定性的地理分布特征, 存在一定數(shù)量的“旗艦種”僅存在于極少數(shù)的地理分區(qū), 同時(shí), Foissner學(xué)派認(rèn)為纖毛蟲(chóng)的物種多樣性相較于Fenchel和Finlay提出的3000種高出1個(gè)甚至2個(gè)數(shù)量級(jí)。

在過(guò)去二三十年不斷深入的原生動(dòng)物分類(lèi)學(xué)研究中, 隨著研究涉及的地理范圍擴(kuò)大, 越來(lái)越多的新物種被發(fā)現(xiàn); 然而對(duì)于海洋這個(gè)廣闊無(wú)邊的生命搖籃, 當(dāng)前的諸多新發(fā)現(xiàn)極可能只是冰山一角。俄國(guó)學(xué)者[56]選取來(lái)自多于350個(gè)地點(diǎn)的1342種底棲纖毛蟲(chóng)數(shù)據(jù), 以分析17個(gè)地理分區(qū)內(nèi)海洋底棲纖毛蟲(chóng)的多樣性和地理分布格局。結(jié)果表明: 25%的種來(lái)自唯一的地理分區(qū), 18%的種是廣布的(出現(xiàn)于半數(shù)以上的地理分區(qū), 跨越兩個(gè)半球); 僅有5%~7%的物種具有地理局限性; 某一特定地理分區(qū)內(nèi)的纖毛蟲(chóng)多樣性與分區(qū)面積或是海岸線的長(zhǎng)度均無(wú)明顯線性關(guān)系,而是更多地取決于是否有研究者專(zhuān)注于此, 同時(shí)與鹽度呈負(fù)相關(guān)。由此可見(jiàn), “廣布”或“限定性分布”可能都是原生動(dòng)物地理分布格局的常態(tài), 這與采樣所涉及小生境復(fù)雜多元的環(huán)境因子相關(guān)。就目前研究而言, 阻擋我們探索原生動(dòng)物多樣性和地理分布格局的主要因素在于嚴(yán)重的采樣不足和數(shù)據(jù)缺乏。

Patterson于2009年在Science上發(fā)表關(guān)于微型生物全球分布格局的綜述文章[51], 簡(jiǎn)略而系統(tǒng)地回顧人們對(duì)該問(wèn)題近200年的探索歷史, 并且結(jié)合“稀有生物圈”假說(shuō)(rare biosphere, 即生物圈是由個(gè)體數(shù)目少但生物多樣性高的類(lèi)群組成)[57]將微型生物的分布特點(diǎn)歸納為 2種模式: (1)每個(gè)生境內(nèi)都存在著大量的微型生物生態(tài)位, 它們共同組成非常復(fù)雜、多樣化和活躍的群落結(jié)構(gòu); (2)僅有少數(shù)種類(lèi)保持著活躍的新陳代謝, 而其余的處于休眠狀態(tài), 擴(kuò)散至其他每個(gè)生境中。這一觀點(diǎn)能夠較好地解釋目前的許多發(fā)現(xiàn), 并且陸續(xù)得到一些新研究結(jié)果的驗(yàn)證。

應(yīng)用基于核糖體小亞基(SSU rRNA)基因構(gòu)建的分子多樣性研究體系, 國(guó)外學(xué)者在對(duì)深海微型生物多樣性的研究中, 在不同環(huán)境均能發(fā)現(xiàn)普遍存在的原生生物種類(lèi)。但是, 因地理化學(xué)條件的隔離, 它們?cè)诓煌h(huán)境中呈現(xiàn)出群落結(jié)構(gòu)模式的顯著不同。對(duì)加勒比海 Cariaco海盆的研究發(fā)現(xiàn), 理化環(huán)境不同(含氧、低氧、乏氧/硫化等)的各個(gè)站位, 生存著特有的原生生物類(lèi)群。結(jié)合系統(tǒng)關(guān)系和群落結(jié)構(gòu)/豐度的多元分析表明: 地理位置、季節(jié)和地球化學(xué)參數(shù)的梯度變化是原生生物在Cariaco海盆分布的主要限定性因素; 即使在距離很近的站位間, 仍存在著各自特異的原生生物群落, 這在一定程度上造就了物種的分化和形成[49]。地中海東部的 Bannock、Discovery這兩個(gè)高鹽乏氧海盆, 極端的生存條件使其被視為生命禁區(qū), 然而人們?cè)谶@里發(fā)現(xiàn)了多種多樣的原生生物, 其中大部分的序列與普通生境來(lái)源的呈現(xiàn)出較大分化, 形成十分獨(dú)特的進(jìn)化支系, 且在高鹽水層和普通海水-高鹽水交界層, 分別表現(xiàn)出不同的原生生物群落結(jié)構(gòu)特征, 在物種組成上與上覆的普通海水層具有很低的相似性。因此, 很可能是該水域的生物地球化學(xué)條件對(duì)原生生物施加了特有的物種選擇壓力, 進(jìn)而形成地理格局限制造成的獨(dú)立進(jìn)化分支單元[47]。

不得不承認(rèn)的是, 現(xiàn)有的分析技術(shù)尚無(wú)法精準(zhǔn)地反應(yīng)出樣品中絕對(duì)的物種數(shù)目和豐度, 科學(xué)家們只能夠通過(guò)大膽的假設(shè)和嚴(yán)密的邏輯來(lái)逐步探索、推敲, 接近更真實(shí)的描述, 而在這漫長(zhǎng)過(guò)程中, 嚴(yán)肅的理論爭(zhēng)議和快速的技術(shù)發(fā)展, 是推動(dòng)人們探求真理的重要力量。

4.2 特殊-極端環(huán)境中新奇類(lèi)群的發(fā)現(xiàn)

浩瀚海洋孕育無(wú)數(shù)生命, 萬(wàn)丈深淵下蘊(yùn)藏著神秘、新奇的原生動(dòng)物類(lèi)群。目前的原生動(dòng)物系統(tǒng)學(xué)研究毫無(wú)疑問(wèn)缺失了若干具有生態(tài)學(xué)、進(jìn)化系統(tǒng)學(xué)關(guān)鍵意義的類(lèi)群, 亟待獲取更多新類(lèi)群的可靠信息去修正現(xiàn)有觀點(diǎn), 對(duì)原生動(dòng)物重要類(lèi)群的起源和進(jìn)化進(jìn)行更加深入的探索和揭秘[58]。

深海環(huán)境特殊(多樣的地貌特征、獨(dú)特的水文環(huán)境、極端的化學(xué)環(huán)境因子等), 造就了獨(dú)特的生物多樣性。近年的原生動(dòng)物多樣性調(diào)查(如地中海、加勒比海等), 發(fā)現(xiàn)許多新奇的原生動(dòng)物, 分子系統(tǒng)學(xué)分析表明它們與現(xiàn)有的已知類(lèi)群表現(xiàn)出綱級(jí)[59]、甚至界級(jí)[60]水平的巨大差異。然而, 即便是得到大量代表新階元的部分序列信息, 由于形態(tài)學(xué)研究手段的限制, 針對(duì)這些特殊類(lèi)群仍鮮有基于經(jīng)典分類(lèi)學(xué)的細(xì)致描述。迄今, 僅有一份此類(lèi)工作, 即應(yīng)用熒光探針原位雜交和掃描電鏡相結(jié)合的方法, 對(duì)Cariaco海盆的一種纖毛蟲(chóng)原生動(dòng)物建立新的綱級(jí)階元[59,61]。潛在的未知類(lèi)群, 將成為未來(lái) 10年甚至更長(zhǎng)時(shí)間, 國(guó)際間海洋原生動(dòng)物多樣性研究的重點(diǎn)之一。

5 我國(guó)未來(lái)研究展望

我國(guó)的原生動(dòng)物多樣性研究起步較晚, 通過(guò)近二三十年國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者的不懈努力, 在近岸水體的原生動(dòng)物多樣性研究、近海浮游和底棲微小型生物生態(tài)調(diào)查等方面已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平, 但對(duì)深遠(yuǎn)海的特殊和極端生境(海山、海盆, 乏氧、高鹽的深海等)原生動(dòng)物多樣性的研究尚處在空白階段。隨著研究技術(shù)的發(fā)展, 國(guó)際上的研究者們不斷開(kāi)拓原生生物樣品采集的地理范圍(由土壤、淡水至近海、深海甚至各種極端環(huán)境)、嘗試多種多樣的研究方法(傳統(tǒng)分類(lèi)學(xué)-促包囊萌發(fā)和培養(yǎng)、克隆文庫(kù)構(gòu)建、宏基因組測(cè)序等), 在為原生動(dòng)物全球尺度下分布格局研究積累著更豐富資料的同時(shí), 也大大拓展了對(duì)新奇、潛伏種類(lèi)的認(rèn)識(shí)[62]; 更為探索深海生態(tài)系統(tǒng)中微型生物的多樣性與生態(tài)功能打開(kāi)一扇門(mén)。

探索深海中的原生動(dòng)物多樣性, 存在諸多限制因素: 現(xiàn)場(chǎng)取樣難, 樣品保存、分離和后續(xù)處理的高保真要求高, 分析手段的高分辨率、敏感度和誤差規(guī)避等。此外, 如徐奎棟[63]所述, 基于經(jīng)典的分類(lèi)學(xué)手段對(duì)原生生物物種多樣性的準(zhǔn)確評(píng)估, 受限于多方面的因素: (1)缺乏有經(jīng)驗(yàn)的分類(lèi)學(xué)家; (2)采樣不足, 尚有許多未涉及的生境: (3)常見(jiàn)種多處于休眠模式(幾乎不可能鑒定), 而稀有種豐度低且難于培養(yǎng)。但與此同時(shí), 國(guó)外學(xué)者在太平洋北部、地中海和加勒比海的原生動(dòng)物分子多樣性研究, 在采樣設(shè)備的制造和使用、樣品的收集和處理、后續(xù)實(shí)驗(yàn)操作以及數(shù)據(jù)處理等方面,都已積累大量經(jīng)驗(yàn), 值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。

如前所述, 物種多樣性和分子多樣性的研究手段各有所長(zhǎng), 需將二者有機(jī)結(jié)合以達(dá)成互補(bǔ)。將熒光原位雜交技術(shù)改進(jìn)并與掃描電鏡技術(shù)相結(jié)合來(lái)進(jìn)行原生動(dòng)物多樣性的研究, 就是一個(gè)很好的例子。這種方法, 在樣品采集的初級(jí)階段, 同時(shí)收集分別用于分子多樣性分析和熒光原位雜交-掃描電鏡觀察的雙份樣品。通過(guò)分子手段得到代表特殊、新奇類(lèi)群的序列信息, 據(jù)此合成rRNA探針、綁定熒光基團(tuán)進(jìn)行原位雜交, 找到特殊、新奇種類(lèi)位置并通過(guò)掃描電鏡觀察, 從而準(zhǔn)確刻畫(huà)其形態(tài)特征[59]。

積極開(kāi)展我國(guó)的深遠(yuǎn)海生物多樣性調(diào)查, 并與國(guó)際領(lǐng)先團(tuán)隊(duì)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流、共同開(kāi)發(fā)探索未知新領(lǐng)域, 對(duì)我國(guó)未來(lái)研究海洋原生動(dòng)物多樣性組成、分布格局、環(huán)境響應(yīng)機(jī)制及生態(tài)功能等方面具有巨大的推動(dòng)作用。在這一過(guò)程中, 我國(guó)也將摸索出海洋生物多樣性研究的寶貴經(jīng)驗(yàn), 培養(yǎng)出新一代探索海洋微型生物多樣性的綜合性研究團(tuán)隊(duì), 為深遠(yuǎn)海生態(tài)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和利用奠定重要基礎(chǔ)。

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