重要突破！科学家用超级计算机发现230个“隐身”海洋巨型病毒

摘要：巨型病毒（Giant Viruses），又称大病毒，是一类近年来才被科学界广泛认识的特殊病毒群体。尽管科学家们知道巨型病毒的存在，但对它们在海洋中的普遍性、多样性和具体功能了解甚少。

本文来源于“海洋与湿地”（OceanWetlands）：

文 | 王海诗（Amphitrite Wong）

本文约4100字，阅读约9分钟

巨型病毒（Giant Viruses），又称大病毒，是一类近年来才被科学界广泛认识的特殊病毒群体。尽管科学家们知道巨型病毒的存在，但对它们在海洋中的普遍性、多样性和具体功能了解甚少。

它们由于体积比较大、在传统的病毒学研究中常被过滤器过滤掉，加上其宿主（原生生物）的培养困难，使得它们长期以来在科学视野中几乎“隐形”了。过去用于分析基因组数据（宏基因组学）的生物信息学工具，在识别和提取巨型病毒基因组方面存在局限性，导致大量存在于公开数据库中的巨型病毒信息，未能被有效挖掘。科学家们意识到，巨型病毒在海洋生态系统中扮演着被低估的角色，亟需对其进行系统的识别、分类和功能研究，以填补这一巨大的知识空白。

▲上图：这是一张对比已知最大巨型病毒的图片。这些病毒都收录于由Giant Virus Finder软件创建的“巨型病毒排行榜”中。截至2018年6月11日，该榜单共列出了183种巨型病毒。图源：维基百科

2025年4月的一项最新研究

近年来，随着科技手段的进步，海洋科学研究取得了突破性进展。其中，病毒，特别是“巨型病毒”（Giant Viruses，简称GVs）开始逐渐进入公众视野。巨型病毒因其特殊的体积和复杂的基因组结构，被认为是病毒世界中的“庞然大物”。它们不仅体型巨大，有的甚至可以达到细菌的大小，而且拥有比一般病毒更复杂的遗传系统，一度让科学家们重新审视病毒与生命的界限。

尽管人类对细菌、古菌以及其他微生物有了大量的基因信息积累，但在病毒，特别是巨型病毒这一领域，数据仍是相对稀缺的。相比数十万条细菌、噬菌体的基因组，已知的巨型病毒基因组数量仍然很少。尤其是海洋环境中的巨型病毒，其多样性与生态功能尚未被充分揭示。因此，研究团队持续通过基因组组装和分析方法，努力寻找这些深藏在海水中的“遗传密码”。

▲上图：巨型病毒感染单细胞藻类Florenciella的过程。画面中可以看到这些巨型病毒正从Florenciella细胞中大量涌出，它们独特的六边形衣壳清晰可见，衣壳内部包裹着它们的遗传物质。图片来源：格里格·斯图尔德（Grieg Steward）博士，夏威夷大学马诺阿分校。

“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，2025年4月21日，一项由迈阿密大学罗森斯蒂尔海洋、大气与地球科学学院的科学家们展开的一项新研究，旨在揭示水体和海洋中存在的多种病毒类型，该研究发表在了《npj Viruses》期刊上。该研究团队从全球九个不同海洋样本中，筛选出230个高质量的巨型病毒基因组，以及398个部分基因组。这项成果，大大地拓展了人类对海洋病毒多样性的认识，为人类理解它们在全球生态系统中的角色提供了科学依据。

图源：Minch, B. & Moniruzzaman, M. (2025).

研究方法和结论

这个研究中，使用的是一种名为BEREN的工具，该工具可以从大规模的环境DNA数据中提取出病毒的基因信息。这次研究覆盖了包括波罗的海、南极海域、北大西洋、萨加索海等多个海洋区域。

值得注意的是，在波罗的海区域发现的高质量病毒基因组就多达108个，占据总数的近一半。这一发现，使波罗的海成为目前海洋巨型病毒研究中数据最为丰富的区域之一。

这些新发现的病毒主要隶属于两大类群：Imitervirales和Algavirales。两者在功能基因组成上存在显著差异。例如，Imitervirales类病毒中常常携带与宿主代谢密切相关的基因，特别是涉及碳循环的代谢路径，如糖酵解和三羧酸循环。这些病毒可能通过感染宿主细胞，调节其代谢过程，从而在海洋生态系统中间接影响营养循环。而Algavirales类病毒虽然基因组更大，却几乎不携带这些代谢相关基因，这一点颇为出人意料。

除了代谢路径上的差异，研究还观察到这两类病毒在其它功能方面也有各自的“特长”。例如，在光合作用相关蛋白上，部分新发现的病毒基因组中发现了诸如光系统I和II的辅助蛋白、叶绿素结合蛋白等，这些蛋白在植物和藻类光合作用中扮演重要角色。尽管无法完全排除污染源的可能性，但这些光合作用相关的基因与已知病毒基因同属于同一条DNA链段，增强了其属于病毒自身遗传信息的可能性。

▲上图：格陵兰风光。熊昱彤摄影（图文无关）

为了进一步理解这些病毒在不同海域的分布和适应机制，研究人员还对病毒基因组的物理化学性质进行了统计分析。他们发现，不同类群的病毒在基因组GC含量、氮和硫的含量等方面差异显著。例如，Pandoravirales类病毒的GC含量最高，而Algavirales的最低。平均来看，这些基因组长度从50千碱基对到130万碱基对不等，显示出广泛的基因组复杂度。

研究还对这些病毒的进化关系进行了系统分析。通过比对DNA聚合酶B（PolB）基因这一常见的进化标记，构建了一棵包含已知与新发现病毒的系统进化树。结果显示，新发现的病毒大多可以归类到已知的病毒家族中，但在地理位置上的分布，却并不呈现明显的区域聚集性。这意味着，病毒的进化历史并不完全受地理位置影响，可能与宿主种类、环境条件等因素密切相关。

图源：Minch, B. & Moniruzzaman, M. (2025).

在众多样本中，波罗的海作为一个特殊的半咸水生态系统，提供了极为丰富的巨型病毒数据。研究人员利用这一区域的样本，对环境因素与病毒组成之间的关系进行了进一步分析。结果表明，水体深度、盐度以及细菌生产力与病毒的丰度密切相关。其中，Imitervirales和Algavirales类病毒主要受水深影响，而其它类群则分别与溶解氧、溶解有机碳等因素相关。

值得一提的是，在功能基因的层面，此次研究还发现了569种此前从未在病毒中见过的蛋白质。虽然它们中大多数的具体功能尚不清楚，但初步分析表明，它们可能涉及细胞膜作用、蛋白结合以及能量转运等生理过程。这些新功能的发现意味着——病毒并不只是简单的病原体，它们在生态系统中可能具有更为复杂、更为多样的功能角色。

如今看来，海洋不仅仅是水和鱼的世界，微观层面的生命活动，同样丰富多彩。据研究人员介绍，这项研究的意义在于，它提供了一批全新的基因资源，为今后探索海洋生态系统中病毒的功能提供了基础。对病毒功能基因的深入了解，让科学家可以更好地揭示它们在海洋物质循环、能量流动甚至气候变化中的作用。

过去人们往往认为病毒只是在宿主细胞中寄生，依赖宿主进行复制，并不具有自主性。但随着对巨型病毒研究的深入，这种传统印象正在逐渐改变。它们不仅能携带大量功能基因，还能直接影响宿主的代谢过程，在某种程度上具备一定的“自主调控”能力。未来，随着测序技术和数据处理能力的持续提升，科学家有望从更多海洋区域提取出巨型病毒的基因信息。这不仅将进一步丰富我们对病毒多样性的认识，也有可能揭示其在全球生态系统中尚未被发现的重要角色。

（图文无关）©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

研究意义

据Science Daily的报道，本次研究的主要研究者之一，本杰明·明奇（Benjamin Minch），是迈阿密大学罗森斯蒂尔海洋、大气与地球科学学院的一名博士生。他在解读研究成果时指出，团队在多个海洋样本中发现了一些“非同寻常”的基因。这些基因原本只在细胞生命体中才有，比如参与碳代谢、光合作用等重要生理过程，但却出现在了巨型病毒的基因组中。换句话说，这些病毒似乎具备了“细胞功能”的一部分能力。

这项发现打破了人们对“病毒”这个概念的传统的理解框架。过去常常认为，病毒只能依赖宿主生存，自己并不具备执行复杂代谢功能的能力。但如今，科学家通过基因数据发现，这些病毒可能在感染宿主细胞时，不只是“借用”宿主的代谢系统，而是主动“改造”、甚至是“重编程”了宿主的代谢过程。这样一来，病毒就不再是一个被动的侵略者，而可能是活跃调控者，能够影响宿主乃至更大范围内的生态系统运转。

在研究技术方面，该研究团队依托的是迈阿密大学霜数据科学与计算研究所的Pegasus超级计算机。这台机器具备极强的数据处理能力，可以在极短时间内分析海量的宏基因组数据。通常，每个海洋样本的数据量都达到上千亿个碱基对，传统计算设备难以高效处理。而通过高性能计算平台，研究人员得以拼接和还原出大量海洋病毒的完整或近完整的基因组序列。

明奇表示，这项研究一方面探索了病毒的多样性，更重要的是建立起一整套可复用的研究框架。这一框架未来可以被应用于其他水体样本中，用来寻找未知的病毒，并监测水体中的环境变化。例如，某些病毒的出现可能预示着水质污染或潜在的病原风险。科学家持续监测、进行基因分析，或许可以更早发现环境中的问题，甚至在疾病暴发之前采取预警措施。

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感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者可以参看该研究的原文：

Benjamin Minch, Mohammad Moniruzzaman. Expansion of the genomic and functional diversity of global ocean giant viruses. npj Viruses, 2025; 3 (1) DOI: 10.1038/s44298-025-00122-z

思考题·拓展思维

Q1、巨型病毒对“生命”定义和演化史的冲击有多大？它们是通往全新生物领域的钥匙吗？

我们传统上将生物分为原核生物（如细菌）和真核生物（如动植物）。病毒长期被认为是介于“生”与“非生”之间的存在，因为它们缺乏完整的细胞结构，必须寄生才能繁殖。但是，巨型病毒的出现/发现，多多少少“打破”了这种简单的划分。它们拥有庞大的基因组，编码了许多细胞生物才有的功能，比如复杂的代谢路径和DNA修复机制。咱们瞎猜一下（或许幼稚了，轻拍）——这种现象是病毒演化史上的一个“岔路口”，意味着它们可能曾拥有更独立的生命形式、后来才走向寄生？还是说，巨型病毒代表了一种人类可能尚未完全理解的“第四生命域”，与原核、真核生命并行演化？如果它们能“偷窃”并利用宿主的光合作用基因，那未来我们是否会发现能“自给自足”的病毒，彻底改写生命演化的图谱？……

Q2、过去科学家们就已经知道，巨型病毒能够感染、并导致浮游植物（海洋食物链的基础）死亡的，从而影响碳的固存和循环。现在，这个研究更是发现它们甚至能直接参与、甚至是修改光合作用。这意味着巨型病毒恐怕就不仅仅是“清道夫”了。你觉着，在海洋生态系统中，巨型病毒是“幕后操控者”、还是“脆弱的平衡者”呢？它们如何调控全球碳循环和气候变化？

Q3、巨型病毒拥有大量独特的基因和酶，这些是它们在恶劣海洋环境中生存和高效感染宿主的关键。从应用的角度看，有没有可能从这些巨型病毒中分离、改造出具有超强活性和稳定性的新型生物催化剂，用于工业生产、污染治理（比如更高效地降解塑料）呢？更进一步，鉴于它们与有害藻华的紧密联系，人类能否利用巨型病毒本身作为生物防治剂，靶向性地去抑制有害藻类的爆发、从而保护海洋生态和人类健康？有没有这个可能？