大数据揭示微生物“社交网络”

肉眼难以察觉的微生物是人类的“老前辈”。如果把地球的年龄比作一年，那么微生物在大约3月20日就已经出现，而人类则是在12月31日才出现在地球上。

从几万米的高空到几千米的深海，从高达300摄氏度的温泉到低至零下80摄氏度的极地，微生物无处不在。数十亿年来，微生物形成了复杂的社会网络，不仅作为“分解者”，还在温室气体排放、绿色生产和人体健康等方面发挥着重要作用。

最近，浙江大学徐建明教授团队在《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）的大数据，进一步揭示了全球微生物之间的复杂关系。

微生物圈的“奇遇记”

在过去，科学家们通常在微观层面研究微生物的特性，但这种方式往往只能看到局部情况。正如人类社会一样，除了知道个体的名字，还需要了解他们之间的关系，才能全面理解社会网络。

微生物群落中也存在着类似的食物链网络，不同微生物之间有着共生、寄生、捕食和竞争等相互作用。浙江大学的研究团队利用地球微生物组计划提供的大量数据，构建了一套统计模型，从而梳理出微生物之间的相互作用规律。

研究团队分析了土壤、植物、动物和水体等不同环境中的微生物数据，收集了来自14种环境中的2.3万多个样本，构建了全球微生物共存网络。这个网络看起来像一个复杂的分子结构模型，不同模块之间紧密相连。

通过这张网络图，研究人员发现土壤微生物与动物体表、肠道和淡水微生物之间有着密切联系，而植物和动物体表的微生物则是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也可能在地球微生物的迁移中扮演重要角色。

“微生物之间的关系反映了它们交流的强度。例如，土壤微生物和淡水微生物之间的关系比其他组合更加紧密和频繁，这主要归因于水循环的影响。”徐建明解释道。

这些共生、寄生、捕食和竞争等相互作用是微生物进化过程中自然选择的关键。正如《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。”一些微生物在进化过程中展现出截然不同的面貌，如原绿球菌属细菌，尽管数量庞大，却是地球上最脆弱的生物之一。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处理这些“脏活”。

“这种关系在自然界中普遍存在，但有时我们并不清楚这些关系是如何形成的。”论文第一作者、浙江大学环境与资源学院马斌研究员表示，“所有微生物都是相互关联的，不能孤立看待。通过微生物社会网络，我们可以更好地理解微生物之间的关系，为未来的研究提供依据。”

理解微生物，使其为人类服务

微生物群落是一个复杂的系统，很难对其进行精确控制。要实现对微生物群落功能的定向调控，就需要找出关键的控制因素。通过分析微生物的社会网络，可以识别关键节点，利用大数据建立关系模型，从而找到定向调控微生物的方法。

微生物复杂关系的挑战

中国人使用微生物酿酒、制酱和制醋已有悠久历史，但将微生物作为一门科学进行研究还是相对较新的领域。近年来，随着科研水平的提高和技术的进步，我们对微生物的认识和研究取得了显著进展。然而，面对千变万化的微生物世界，我们的了解仍然有限。

徐建明认为，厘清不同生态系统中微生物的复杂交互关系还面临着两大挑战：一是超过95%的微生物无法人工培养，无法逐一鉴别；二是上万种微生物之间存在着数亿对相互关系，这样的海量数据传统实验难以处理。因此，研究重点放在整体分析共存网络，而非具体微生物种类上。

2010年，美国阿贡国家实验室的杰克·吉尔伯特教授发起了地球微生物组计划，旨在鉴定全球20万个微生物样本，生成详细的微生物目录。该计划的第一阶段成果已在《自然》杂志上发表。研究人员按照统一的标准流程采集和分析样本，建立了包含2.7751万个高质量细菌和古菌群落的数据库，并鉴定出约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，常用的分析框架仍存在缺陷，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开始，研究人员将基于生物环境中所有微生物遗传物质的总和，建立统一标准流程，构建地球宏基因组参考数据。这项工作体现了全球生物界的合作精神，为深入研究未知环境中的微生物组提供了数据基础和参考依据。