大年初六，在短暫地與家人團(tuán)聚后，廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院的博士生陳卓宇已早早收拾好行囊，準(zhǔn)備返校。從2018年開始，他的每個(gè)春節(jié)假期幾乎都在實(shí)驗(yàn)室度過，即便返鄉(xiāng)，時(shí)間也很短暫，因?yàn)樗男睦锸冀K牽掛著校園里那些陪伴了他四年的“戰(zhàn)友”，他的實(shí)驗(yàn)材料——原綠球藻。
當(dāng)生態(tài)學(xué)遇上進(jìn)化
早在幾億年前，原綠球藻就生活在地球上了，它的“祖先”更是早在約25億年前就開始進(jìn)化，并在許多方面改變了地球。它們吸收并利用陽光中的能量，從水中分離出氧和氫，氧氣便開始在大氣中積累，給原本“缺氧”的地球帶來了繁榮的“大氧化”時(shí)代，為后續(xù)生物進(jìn)化的高速發(fā)展提供了重要條件。
而今，作為海洋里最重要的初級(jí)生產(chǎn)者，原綠球藻通過光合作用每年固定約40億噸碳，是“海洋碳匯”的重要貢獻(xiàn)者。然而，如此重要的生物，卻因?yàn)樘。钡饺嗄昵安疟蝗祟惏l(fā)現(xiàn)。
陳卓宇的導(dǎo)師張瑤教授介紹道：“其實(shí)1毫升的大洋海水里，就有多達(dá)10萬個(gè)原綠球藻。但因?yàn)樗鼘?shí)在是太小了，從前落后的設(shè)備和技術(shù)無法觀測(cè)到，人們才這么晚認(rèn)識(shí)到它�！�
早在廈大讀博期間，張瑤就在導(dǎo)師焦念志院士的帶領(lǐng)下，邁入了“海洋微生物生態(tài)”研究領(lǐng)域的大門。畢業(yè)后留校任教的她延續(xù)了多年的研究方向，潛心鉆研海洋生態(tài)學(xué)，原綠球藻就是她的主要研究對(duì)象之一。她知道，作為地球演化過程中極其重要的生物以及當(dāng)今海洋里最重要的初級(jí)生產(chǎn)者，原綠球藻具有無可替代的進(jìn)化和生態(tài)學(xué)意義。
五年前，張瑤在一次與香港中文大學(xué)教授羅海偉的交談中，兩人一拍即合，迅速達(dá)成合作意向�！拔沂亲錾鷳B(tài)的，他是做進(jìn)化的，我們當(dāng)時(shí)聊完就覺得，如果能一起把海洋里如此重要的生物(原綠球藻)從‘進(jìn)化生態(tài)學(xué)’的角度做清楚，那一定能做出相當(dāng)重要的貢獻(xiàn)�！�
于是研究正式啟動(dòng)，當(dāng)時(shí)剛剛從廈大本科畢業(yè)并留校讀博的陳卓宇便作為主力，開啟了長(zhǎng)達(dá)四年的實(shí)驗(yàn)。
報(bào)告打得最多的人
“培養(yǎng)原綠球藻”，看似簡(jiǎn)單的第一步，成為陳卓宇面臨的首道難題。
“原綠球藻非常難養(yǎng)，甚至早期學(xué)界都認(rèn)為它‘不可培養(yǎng)’，經(jīng)過多年的摸索，如今全世界也只有屈指可數(shù)的實(shí)驗(yàn)室能把它成功養(yǎng)活，固體培養(yǎng)更是難上加難�！迸囵B(yǎng)基所使用的海水、固體培養(yǎng)基的瓊脂糖濃度、培養(yǎng)時(shí)設(shè)置的光照強(qiáng)度和溫度……這些因素的細(xì)微變動(dòng)都可能對(duì)原綠球藻的生長(zhǎng)產(chǎn)生巨大影響。
在一次次嘗試中，陳卓宇不斷調(diào)試實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并在香港科技大學(xué)教授曾慶璐的聯(lián)合指導(dǎo)下，最終成功克服了原綠球藻難以在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的困難，摸索出了一套穩(wěn)定的單克隆培養(yǎng)方案。
但很快，他又面臨著下一道難題——長(zhǎng)時(shí)間地連續(xù)傳代。該研究的時(shí)長(zhǎng)取決于原綠球藻在傳代中基因突變的數(shù)量，只有累積到一定的數(shù)量，才能進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)分析。然而，原綠球藻生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，而他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中又發(fā)現(xiàn)，原綠球藻基因突變的速率很慢，這在顛覆了學(xué)界認(rèn)知的同時(shí)，也使得實(shí)驗(yàn)的時(shí)長(zhǎng)跨越了四年之久。
四年里，陳卓宇成為學(xué)院里“報(bào)告打得最多的人”。受疫情影響，在校園和實(shí)驗(yàn)室短期嚴(yán)管人員流動(dòng)時(shí)，陳卓宇一次次提出返校、進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的申請(qǐng)，作為導(dǎo)師的張瑤則一次次地幫他簽字、提交申請(qǐng)。
累積培養(yǎng)1065天，連續(xù)傳代39次，最終存活141個(gè)細(xì)胞系……實(shí)驗(yàn)就在這一次次的“申請(qǐng)報(bào)告”中順利完成了。
“科學(xué)是在不斷修正中發(fā)展的”
原綠球藻數(shù)量龐大、分布廣泛。而“遺傳漂變”是種群基因庫在代際發(fā)生隨機(jī)改變的一種過程，通常在小群體里尤為明顯。多年來，學(xué)界一直默認(rèn)原綠球藻有效種群規(guī)模很大，進(jìn)而認(rèn)為自然選擇在原綠球藻進(jìn)化適應(yīng)過程中極其有效，忽略了遺傳漂變的作用。
然而，該研究計(jì)算出原綠球藻的有效種群規(guī)模僅為1.68×107，小于許多典型的海洋自由生活菌；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，原綠球藻雖分布廣泛，但不同的小生境被不同代謝特點(diǎn)的孤立種群所占據(jù)�！熬拖袷巧钤诓煌貐^(qū)的人群，適應(yīng)其所在的環(huán)境，擁有不同的特征�！钡瑫r(shí)各種群之間彼此孤立，不發(fā)生基因交流，種群內(nèi)部基因重組水平較低。
因此，研究提出了“周期性選擇”的原綠球藻遺傳漂變加強(qiáng)機(jī)制，給寡營養(yǎng)海域中優(yōu)勢(shì)菌群常見的基因縮減現(xiàn)象，在傳統(tǒng)的“寡營養(yǎng)環(huán)境適應(yīng)”觀點(diǎn)之外，提供了一種創(chuàng)新的觀點(diǎn)和理論。
該研究證明，在原綠球藻進(jìn)化過程中，人們所熟知的“自然選擇”并不如傳統(tǒng)認(rèn)知的那么重要，而一直被忽略的“遺傳漂變”發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
“這個(gè)世界上有這么多的物種，它們并不一定都是自然選擇選出的佼佼者，有些物種它可能只是幸運(yùn)地存活了下來而已。雖然大眾已普遍理解并篤信了‘自然選擇’的作用，但我們不能因此就忽視了‘遺傳漂變’的作用。”該研究的一系列發(fā)現(xiàn)，打破了學(xué)界對(duì)原綠球藻進(jìn)化的固有認(rèn)知。張瑤說：“我們獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有的符合已有的理論，有的不符合。這是因?yàn)槔碚摬⒎钦胬�，它始終處在動(dòng)態(tài)發(fā)展的過程中，需要我們不斷地驗(yàn)證、修正它�？茖W(xué)就是這樣，就是在不斷修正中發(fā)展的。”
近日，該研究以“Prochlorococcus have low global mutation rate and small effective population size”為題在國際頂級(jí)期刊《自然·生態(tài)與進(jìn)化》上刊發(fā)。陳卓宇和香港中文大學(xué)王曉君博士為論文共同第一作者，張瑤和香港中文大學(xué)羅海偉為論文共同通訊作者。
苦心耕耘的實(shí)驗(yàn)雖已結(jié)出碩果，但研究還將延續(xù)�！拔覀儠�(huì)繼續(xù)堅(jiān)持這141個(gè)細(xì)胞系的傳代工作，未來計(jì)劃圍繞‘全球變化’領(lǐng)域拓展研究�！痹谒麄冃闹校茖W(xué)沒有終點(diǎn)，探索也將永不止步。(曾文萃)
