大數(shù)據(jù)發(fā)掘微生物“社交網(wǎng)絡”
大數(shù)據(jù)可以干什么？
“大數(shù)據(jù)可以干的可多了！”
“那你聽過微生物社交網(wǎng)絡用大數(shù)據(jù)探索嗎？”
肉眼看不見的微生物是我們?nèi)祟惖摹袄锨拜叀薄Ｈ绻训厍蚰挲g比喻為一年的話，微生物約在3月20日誕生，而人類約在12月31日出現(xiàn)在地球上。
上至幾萬米高空，下至幾千米深海，熱達攝氏300℃的溫泉，冷至零下80℃的寒極，都有微生物存在。數(shù)十億年中，微生物形成錯綜復雜的“社會關(guān)系”網(wǎng)絡。它們不僅僅是“分解者”，還影響到溫室氣體、綠色生產(chǎn)以及人體健康的方方面面。
不久前，浙江大學徐建明教授團隊在《微生物組》雜志上發(fā)表論文，通過分析地球微生物組計劃（Earth Microbiome Project）大數(shù)據(jù)，進一步發(fā)掘全球微生物的“社會關(guān)系”。
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微生物圈“奇遇記”
“在過去，科研人員常常在微觀尺度挖掘微生物的具體特性，但有時如同盲人摸象，只能看到局部?！毙旖髡f，這就像是人類社會，除了知道一個個的人叫什么名字，還要知道人與人之間的關(guān)系，才能更好了解社會關(guān)系的全貌。
大魚吃小魚、小魚吃蝦米、蝦米吃浮游生物……這是物種間的食物網(wǎng)。在微生物群落中，也有類似的網(wǎng)絡，不同微生物間存在著共生、寄生、捕食和競爭等相互作用形式。
浙大科研人員從地球微生物組計劃的大數(shù)據(jù)著手，構(gòu)建起一套統(tǒng)計模型，進而“篩出”微生物之間的相互作用規(guī)律。研究團隊綜合分析土壤、植物、動物、水體等全球多種生存環(huán)境中的微生物組數(shù)據(jù)，采用了來自14個環(huán)境中的2.3萬多個樣本，分八大模塊構(gòu)建了全球微生物共存網(wǎng)絡。乍看之下，整個網(wǎng)絡圖就像分子結(jié)構(gòu)模型，不同的是，網(wǎng)絡內(nèi)部各模塊之間縱橫交織，連接更為復雜。
通過這張網(wǎng)絡，研究人員發(fā)現(xiàn)，土壤微生物組與動物體表、動物腸道和淡水微生物組有密切關(guān)系，植物、動物體表的微生物是連接兩組微生物網(wǎng)絡的“橋梁”。而由于人類活動范圍大，人類的皮膚微生物組可能對地球微生物遷移具有非常重要的作用。
“微生物社會關(guān)系網(wǎng)絡的相似性，反映了微生物交流的強度。比如土壤微生物和淡水微生物的‘親緣關(guān)系’和‘日常交往’，比土壤微生物和咸水微生物要緊密和頻繁，這很大程度上在于水的循環(huán)作用和影響?！毙旖髡f。這些共生、寄生、捕食和競爭等相互作用是微生物進化過程中自然選擇的關(guān)鍵。美國芝加哥大學進化生物學家范瓦倫認為，這就像《愛麗絲奇遇記》中紅皇后所說的：“你必須盡力不停地跑，才能使你保持在原地。”另一方面，一些微生物在進化中呈現(xiàn)出截然不同的面貌，比如原綠球藻屬細菌，它們數(shù)量龐大，卻幾乎是世界上最柔弱的生物。在漫長的演化過程中，這些細菌顯示出一副“成功人士”的樣子——它們慢慢地失去了分解過氧化氫等有毒物質(zhì)的能力，完全依賴別的生物替自己做這些“粗活”。
“這樣的關(guān)系在自然界中非常普遍，但我們有時候搞不清楚這些關(guān)系最早是如何形成的?！闭撐牡谝蛔髡?、浙江大學環(huán)境與資源學院馬斌研究員說，所有的微生物是相互關(guān)聯(lián)的，無法割裂。通過微生物社會關(guān)系網(wǎng)絡，我們對微生物的關(guān)系看得更清，也為進一步理解微生物之間的運行機制提供了前提。
進一步認識微生物、了解微生物，讓微生物為我所用，這是浙大團隊著手繪制微生物社會關(guān)系圖譜的初衷。
“微生物群落是典型的復雜系統(tǒng)，很難對其進行準確的控制。要實現(xiàn)微生物群落功能的定向調(diào)控，就要找出關(guān)鍵控制因子?！瘪R斌說，通過分析微生物社會網(wǎng)絡，可以找出關(guān)鍵控制節(jié)點，通過大數(shù)據(jù)建立關(guān)系模型，有望找到對微生物定向調(diào)控的方法。
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厘清微生物復雜關(guān)系仍面臨挑戰(zhàn)
中國人用微生物制酒、醬油、醋等已有很長的歷史，但將微生物作為一門科學進行研究，起步較晚。近年來，隨著科研實力的提升、科技手段的進步，我們對微生物的認識和研究也有了長足進步。但相對于千姿百態(tài)的微生物世界，我們的了解還很有限。
徐建明認為，厘清不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物的復雜交互關(guān)系，還面臨兩大挑戰(zhàn)：一是超過95%的微生物無法人工培養(yǎng)，無法一一甄別；二是上萬種微生物之間存在幾億對相互關(guān)系，這樣的海量數(shù)據(jù)，根本無法通過傳統(tǒng)的實驗開展研究?！坝捎诃h(huán)境中絕大部分微生物類群都是未培養(yǎng)類群，因此我們的研究是從復雜系統(tǒng)的角度整體分析共存網(wǎng)絡，而不是對具體微生物類群進行分析。”徐建明說。
2010年，美國阿貢實驗室的杰克·吉爾伯特教授啟動了地球微生物組計劃，其最終目標是鑒定世界各地的20萬個微生物樣本，以生成一份詳細的目錄。地球微生物組計劃的第一階段成果已于2017年在《自然》雜志發(fā)表。研究人員按照由采樣到數(shù)據(jù)分析各流程的統(tǒng)一標準，建立包含2.7751萬個高質(zhì)量細菌和古菌群落的數(shù)據(jù)庫，并利用這些樣本，鑒定出大約30萬條獨特的微生物基因序列，其中絕大多數(shù)無法在原有數(shù)據(jù)庫中找到。
中科院武漢病毒研究所微生物菌毒種保藏中心的工作人員在檢查病毒樣本 熊琦/攝
研究人員表示，雖然基因測序領域取得了一系列新進展，但由于缺乏標準化的分析方法，常用分析框架也存在缺陷，微生物組的研究仍然受到一定限制。
目前地球微生物組計劃的第二階段研究也已開始，研究人員將基于生物環(huán)境中全部微生物遺傳物質(zhì)的總和，建立統(tǒng)一標準流程，構(gòu)建地球宏基因組參考數(shù)據(jù)。“這項工作體現(xiàn)了全球生物界的通力合作，為深入研究未知環(huán)境的微生物組構(gòu)成提供了數(shù)據(jù)基礎和參考依據(jù)?！毙旖髡f。
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