肉眼看不见的微生物是人类的“老前辈”。如果把地球的年龄比喻成一年，那么微生物大约在3月20日出现，而人类则是在12月31日才出现在地球上。

微生物存在于从几万米高空到几千米深海的各种环境中，无论是在高达300℃的温泉还是低至零下80℃的极寒之地，都可以找到它们的身影。在数十亿年的历史中，微生物形成了复杂的社会网络。它们不仅扮演着分解者的角色，还在温室气体排放、绿色生产以及人体健康等多个方面发挥重要作用。

前不久，浙江大学的徐建明教授团队在《微生物组》杂志上发表了一篇论文，通过分析地球微生物组计划（Earth Microbiome Project）的数据，进一步揭示了全球微生物之间的社会关系。

微生物圈的“奇遇记”

过去，科学家们通常在微观层面上研究微生物的特性，但这种研究方法有时会让我们像盲人摸象一样，只能看到一部分情况。正如人类社会一样，我们不仅要了解个体的名字，还需要了解他们之间的关系，才能更好地理解整个社会的全貌。

在食物链中，大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃浮游生物。同样，在微生物群落中，也有类似的相互作用网络，包括共生、寄生、捕食和竞争等关系。浙江大学的研究团队利用地球微生物组计划中的大量数据，构建了一套统计模型，从而筛选出微生物间的相互作用规律。研究团队综合分析了土壤、植物、动物、水体等不同环境中的微生物数据，收集了来自14个环境中的2.3万多个样本，构建了一个全球微生物共存网络。这个网络看起来就像一个复杂的分子结构模型，不同模块之间相互交织，连接复杂。

通过这个网络，研究人员发现，土壤微生物组与动物体表、动物肠道和淡水微生物组之间存在密切联系。植物和动物体表的微生物充当了连接这两组微生物网络的桥梁。此外，由于人类活动范围广泛，人类皮肤上的微生物可能对地球微生物的迁移起到重要作用。

“微生物社会网络的相似性反映了它们之间交流的强度。例如，土壤微生物与淡水微生物之间的关系比土壤微生物与陆地微生物之间的关系更加紧密和频繁，这主要归因于水循环的作用。”徐建明教授解释道。

这些共生、寄生、捕食和竞争的关系在微生物的进化过程中起到了关键作用。美国芝加哥大学的进化生物学家范瓦伦认为，这就像《爱丽丝奇遇记》中的红皇后所说：“你必须不停地奔跑，才能保持在原地。”另一方面，一些微生物在进化过程中呈现出截然不同的面貌，比如原绿球菌属细菌，尽管数量庞大，但在漫长的演化过程中变得极其脆弱。这些细菌逐渐失去了分解过氧化氢等有毒物质的能力，完全依赖其他生物来完成这些“粗活”。

“这样的关系在自然界中非常普遍，但我们有时难以理解这些关系最初是如何形成的。”论文的第一作者、浙江大学环境与资源学院的马斌研究员说，所有微生物都是相互关联的，无法割裂。通过微生物社会关系网络，我们能更清晰地了解它们之间的关系，为进一步研究微生物的运作机制提供了前提。

厘清微生物复杂关系仍面临挑战

中国有着悠久的利用微生物酿酒、制酱油和醋的历史，但将微生物作为一门科学进行系统研究的时间相对较短。近年来，随着科研实力的增强和技术的进步，我们对微生物的认识和研究有了显著提升。然而，面对千变万化的微生物世界，我们的了解仍然有限。

徐建明教授认为，厘清不同生态系统中微生物的复杂互动关系仍面临两大挑战：一是超过95%的微生物无法人工培养，导致无法逐一鉴别；二是上万种微生物之间存在数亿对相互关系，这样的海量数据难以通过传统实验手段进行研究。“由于环境中大部分微生物属于未培养类型，我们的研究更多是从整体上分析共存网络，而不是针对具体微生物种类进行分析。”徐建明教授说。

2010年，美国阿贡国家实验室的杰克·吉尔伯特教授启动了地球微生物组计划，目标是鉴定世界各地的20万个微生物样本，生成详细的目录。该计划的第一阶段成果已在2017年发表在《自然》杂志上。研究人员按照统一的标准，建立了包含2.7751万个高质量细菌和古菌群落的数据库，并利用这些样本鉴定出大约30万条独特的微生物基因序列，其中绝大多数无法在现有数据库中找到。

尽管基因测序技术取得了进步，但由于缺乏标准化的分析方法，常用的分析框架存在缺陷，微生物组的研究依然受到一定限制。目前，地球微生物组计划的第二阶段研究已经启动，研究人员将基于生物环境中全部微生物遗传物质的总和，建立统一的标准流程，构建地球宏基因组参考数据。“这项工作体现了全球科学界的共同努力，为深入研究未知环境中的微生物组构成提供了数据基础和参考依据。”徐建明教授说。