放大的细菌。

海洋微生物学的里程碑

微生物的时间表

介绍

海洋微生物丰富多样。但是它们的小体积意味着它们不容易研究。1675年首次观察到海洋微生物,100多年来,海洋微生物都没有在实验室中培养,以便进一步观察。自20世纪70年代以来,分子的进步和庞大的DNA库使许多进步成为可能,但仍有很多东西需要学习!

多亏了大卫•卡尔杨晨戴明回顾这个时间表。

这项工作得到了国家科学院的国家科学院Keck期货计划的支持,奖励编号为NAKFI DBS17。该内容仅由作者负责,不一定代表美国国家科学院凯克期货倡议或国家科学院的官方观点。

列文虎克的肖像

早期发现

1675 - 1883
1675

对水生微生物的首次观察

荷兰镜头制造商安东尼·范·列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek)发明了一种简单但功能强大的单镜头显微镜,使他第一次能够观察微生物。他称这种小生物为“微小微生物”。

列文虎克在显微镜下看到的各种微生物插图。
列文虎克在显微镜下看到的“微生物”的彩色雕刻。资料来源:美国公共域名,安东·范·列文虎克
列文虎克显微镜的插图
列文虎克的显微镜的插图。资料来源:多贝尔和范列文虎克,1960年
墨西哥微生物席上细菌的显微镜图像。

微生物学的“黄金时代”

1884 - 1975
1884

首次尝试从海洋中培养微生物

路易斯·巴斯德(法国微生物学家,因其在疫苗和巴氏杀菌方面的突破性工作而闻名)的学生阿道夫-阿德里安·Certes在法国报告了他的深海微生物培养实验Travailleur护身符探险。

护身符船的插图
护身符船的插图。来源:Sous les mers;“苦差事”和“护身符”的探索运动(BHL)
1894

出版了已知最早的专门研究海洋微生物的书籍

德国微生物学家Bernhard Fischer发表了他的论文《海洋细菌》

海洋碳循环图。
这张早期的图表显示了碳是如何在海洋中移动的。资料来源:Die Bakterien des Meeres,由生物多样性遗产图书馆提供
书的封面。

封面页巴特里安·德·米尔斯。资料来源:《海洋微生物学:水生细菌学专著》

1930

范尼埃尔在斯坦福大学霍普金斯海洋站开始了他的微生物学暑期课程

运行到1962年,Cornelis Bernardus van Niel影响了几代微生物学家霍普金斯海洋站暑期微生物学课程,将荷兰的富集培养技术(一种允许特定微生物生长的方法)带到美国,突出了环境中微生物巨大的代谢多样性。

黑白图像的砖建筑。
斯坦福霍普金斯海洋实验室,1918年出现。图片来源:哈罗德·a·米勒图书馆和斯坦福大学霍普金斯海洋站提供
1944

ZoBell出版种子海洋微生物文本

Claude ZoBell,经常被称为“海洋微生物之父”,出版了基础文本海洋微生物学:水细菌学专著

一名男子在船上举着仪器的黑白照片。
1952年11月,克劳德·佐贝尔在斯克里普斯海洋研究所码头上准备一个水样瓶。图片由加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所提供。
1951

放射性示踪剂最初用于研究海洋微生物的活动

马丁·卡门和萨姆·鲁本发现了一种碳的放射性同位素(14C)允许海洋学家Einer Steeman-Nielsen跟踪微生物细胞对碳的吸收。科学家们开始量化食物网底部微生物的活动,而无需首先在实验室中培养它们。

一个黄色的背景和三个黑色的圆形。
来源:维基共享
1971

在海洋生物实验室开设微生物生态学课程

Holger Jannasch开始了夏季微生物生态学课程(现在是微生物多样性课程)海洋生物实验室在马萨诸塞州的伍兹霍尔

明信片上的一个码头与船只和建筑物的背景。

在1930年到1945年间出现在马萨诸塞州伍兹霍尔的海洋生物实验室。照片由波士顿公共图书馆提供。

1974

首先认识到海洋微生物在海洋食物网和溶解物质循环中的重要性

劳伦斯·波默罗伊发表了他关于微生物在海洋食物链中的作用的著作,后来被称为“微生物循环”。

放大的紫色微生物插图。
微生物吸收水柱中溶解的分子。信贷:史密森学会
一种绿色的浮游植物在黄色病毒的攻击下正在分裂。
一种病毒会杀死浮游植物信贷:史密森学会
SAR11的黑白放大图像。

分子时代

1976 - 1995
1976 - 1977

小亚基核糖体RNA基因(rRNA)序列的分析用于描述生物体的亲缘关系,导致了古细菌的首次描述

Carl Woese和George Fox首次提出使用rRNA基因序列作为分子标记来确定包括海洋微生物在内的生命的亲缘关系和组织。从环境中克隆核糖体RNA基因和测序后来被应用于热液喷口共生体中未培养的微生物(1984年),并导致发现海洋中一些最丰富的微生物。

细菌rRNA片段的分子结构
细菌rRNA的一部分,这种RNA作为细胞蛋白质制造工厂的组成部分。资料来源:分子和细胞生物学维基项目
1977 - 1981

培养深海中第一批嗜压(或适应压力)微生物

压力使得研究从深海6500英尺深处收集来的样本变得很困难,压力几乎是我们在陆地上感觉到的200倍。由Holger Jannasch, Aristides Yayanos和Rita Colwell组成的三个实验室共同努力,从深海中恢复独特的适应压力(“嗜压”)微生物。这项工作最终导致亚亚诺斯在1979年发现了第一个嗜巴者,并在1981年发现了一个专性嗜巴者。科尔韦尔和她当时的研究生乔迪·戴明(Jody Deming)利用深海动物肠道中的微生物证明了整个微生物群落都可以嗜压。
一种黄色、透明的海洋生物,生活在沙质海底。
在深海中发现的一些海参的肠道中有嗜压细菌。资料来源:美国国家海洋和大气管理局海洋探索者,DeepCCZ探险
1977

核孔过滤器和荧光染色用于海洋微生物的计数

一种技术被用来制造一种塑料过滤器,它有均匀的小孔,小孔非常小,可以过滤海水中的细菌。在这些核孔过滤器发明之前,大多数对海洋微生物丰度的估计都是基于可以在培养皿中的富液体培养基或固体培养基中培养的微生物数量。生态学家约翰·霍比(John Hobbie)最先使用的染色技术的发展证实,环境中微生物的数量比基于培养的方法估计的要多上百倍。
黑色背景与明亮的蓝色簇点。
一种叫做DAPI的现代荧光染色剂可以显示放大的海洋细菌细胞。资料来源:安东尼·多诺弗里奥,www.biology101.org, Flickr
1977 - 1982

在深海发现了热液喷口,以及只在这些高压高温环境中繁衍的细菌

一次对加拉帕戈斯裂谷的考察——在那里构造板块慢慢地分散开来——提供了这是对热液喷口的首次可视化确认倒出充满矿物质的热水,一个令人惊讶的发现是密集的生态系欧宝体育稳不稳统喷口流体化学支持了许多以前未知的生物。这些动物中的许多都依赖于与从化学物质中获取能量的细菌就像硫化氢从喷口释放出来。在对东太平洋上升——海底传播最快的区域——的后续考察中,发现了黑烟,在250°C/482°F的异常温度下释放液体(被深海的高压保持液体)。这导致了深海嗜热生物的发现,这种生物生活在海底生物圈中,在极端炎热的环境中茁壮成长。

海底的红色和白色蠕虫。
生活在热液喷口附近的Riftia管蠕虫。来源:美国国家海洋和大气管理局
海底的两个垂直喷口冒出黑烟。
一个冒烟的黑色热液喷口。来源:美国国家海洋和大气管理局
1979

发现丰富的海洋蓝藻聚球菌

小荧光细胞约翰·沃特伯里在阿拉伯海探险时观察到的介绍了研究人员聚球藻属。从那时起,几乎在所有的海水中都发现了大量的海胆,它们是鱼类和大型哺乳动物食物网的重要基础。

放大的亮绿色细胞与黑色背景。
绿色荧光显示活聚球藻细胞中的化学反应。资料来源:太平洋西北国家实验室
1988

发现丰富的海洋蓝藻原绿球菌

萨利•奇泽姆(硬币)发现了这种微小但超级丰富的光合作用器,估计比地球上任何其他光合作用器都要丰富负责产生20%的氧气每年都会释放到大气中。

原绿球藻的霓虹绿色特写
原绿球藻的彩色图像。来源:麻省理工学院奇泽姆实验室的安妮·汤普森
1988

夏威夷海洋时间序列和百慕大大西洋时间序列研究的建立

建立了两个长期海洋监测项目夏威夷海洋时间序列大卫·卡尔和罗杰·卢卡斯的《阿罗哈站大西洋百慕大时间序列Anthony Knap的研究。这两个项目都定期进行物理和生物测量,以便更好地了解营养循环,微生物在其中扮演着重要角色。这些信息对于追踪气候变化和海洋酸化对海洋微生物的影响也很重要。

研究人员戴着安全帽和救生衣在船上使用仪器。
为BATS项目进行研究的科学家。照片由克雷格·卡尔森提供。
1989

首次描述水生环境中病毒的丰富程度

虽然以前的研究人员知道病毒存在于海洋中,但Øivind Bergh和同事们首次报告了它们在海洋水域的丰富程度。后来,荧光染色技术的发展表明,即使是这些高丰度,也大大低估了海水中病毒的实际数量,现在人们认为每毫升海水中病毒的数量接近10亿。病毒在水生生态系统中发挥着重要的作用,通过在微生物之间转移基因和溶解或杀死微生物欧宝体育稳不稳。
放大的噬藻体黑白图像。
一种叫做噬藻体的病毒攻击蓝藻细菌。条形图表示100纳米的刻度。资料来源:麻省理工学院奇泽姆实验室的倪斌
黑色背景上有数百个绿点表明是噬藻体。
在放大的图像中,噬藻体从一个染色处发光。资料来源:麻省理工学院奇泽姆实验室的马修·沙利文
1990

分子克隆和DNA测序首次应用于海洋浮游微生物,并导致SAR11的发现,海洋中最丰富的细菌之一

微生物在SAR11进化枝(SAR代表马尾藻海,Stephen Giovannoni和他的同事们在那里首次发现了它们)是海洋中最丰富的有机碳食性细菌,在任何给定的时间都可以构成多达25%或更多的微生物细胞。DNA测序和克隆分子结构的能力对于发现SAR11是必要的,因为当时还没有这种生物的培养物存在。

一个橙色的芸豆形状填充黄色的球体和一个蓝色的轮廓
一个SAR 11微生物的3D模型,也被称为远洋细菌。图片由Xiaowei Zhao提供。
SAR11的黑白放大图像。
SAR11的放大图。资料来源:Kehau Manoi, Michael Rappe提供
1992

在海洋水柱中发现的中温古菌

在1992年之前,人们认为古细菌存在于三种类型之一:一种是生活在非常咸的环境中的极端分子(嗜盐菌),一种是生活在滚烫的热水中的极端分子(嗜热菌),或者是甲烷产生者(甲烷菌)。在另一份报告中,海洋微生物学家爱德华·德隆和杰德·福尔曼指出,古细菌也以漂浮浮游生物的形式栖息在沿海和深水栖息地。更重要的是,它们在这些地方很丰富。
嗜热古菌的扫描电镜图。
古细菌是存在于海洋中的众多微生物之一。这种特殊的微生物存在于热液喷口。图片由德国慕尼黑大学的Gerhard Wanner提供。
许多彩色的线组成一个圆圈,代表原绿球藻的基因组。

基因组时代

1996年至今
1996 - 2001

大型插入DNA文库首次被用于研究海洋中未培养微生物的代谢功能,导致了一种新型的海洋能量收集(或光养)的发现

通过培养微生物来发现微生物并不容易。相反,科学家使用DNA测序来确定微生物基因的存在,而不需要首先培养它们。早期的一种方法是将环境中的大片段DNA克隆成容易生长的DNA大肠杆菌细菌。最终,这些技术导致了变形视紫质的发现,这是一种与人眼中发现的一种蛋白质相关的蛋白质,它能收集光能,以前从未在细菌中发现过。

紫色、蓝色和灰色的卷曲物体通过微小的线状结构连接在一起。
变形视紫质蛋白结构模型。由UniProt
2003 - 2005

首次发表海洋微生物的完整基因组

一些海洋微生物的完整基因组包括Prochlorococcus,聚球藻属,Pirellula,Silicibacter pomeroyii即适应寒冷的细菌Colwellia psychrerythraea和硅藻这种pseudonana出版引领海洋微生物基因组时代。

许多彩色的线组成一个圆圈,代表原绿球藻的基因组。
原绿球藻基因组的视觉表示。资料来源:麻省理工学院Chisholm实验室Katherine Huang
2004

利用宏基因组学可以更全面地了解海洋环境中的微生物

2004年,j·克雷格·文特尔(J. Craig Venter)完成了对海洋环境——马尾藻海——的第一次完整的基因快照,使用猎枪宏基因组法鉴定了超过100万个先前未知的基因。
描述来自环境的基因组的插图。
从海洋中提取的DNA被用来确定生活在那里的物种类型。
2003 - 2013

全球海洋采样,塔拉海洋和马拉斯皮纳探险

随着海洋微生物在海洋环境中扮演着越来越重要的角色,跨越多个海洋盆地的广泛考察优先研究微生物世界。在2003年,全球海洋取样考察从大西洋到太平洋,跨越8000公里(近5000英里)在41个地点取样,收集了关于海洋微生物多样性和丰富度的空前数量的信息。然后在2010年,Malaspina远征环游全球,研究深海微生物的代谢多样性。的塔拉海洋探险从2009年到2013年。在全球范围内,他们在了解海洋微生物多样性方面取得了重大进展。

塔拉船在冰冷的海水中航行。
塔拉海洋探险队在北极水域航行。资料来源:Joseph Ppevek / Tara Expéditions
2015

发现Lokiarchaeota;被认为是真核生物最近的共同祖先

在深海热液喷口发现的Lokiarchaeota显示了古细菌和更复杂的真核生物之间的进化联系。在检查了古细菌DNA后,研究人员发现这些微生物与真核生物在复杂的细胞功能上有大约100个相同的基因,这表明它们是最接近真核生物的活原核生物亲戚。

一个灰色的深海喷口从海底伸出。
热液喷口,洛基的城堡,在那里发现了洛基古菌。资料来源:挪威卑尔根大学地球生物学中心
这幅黑白插图描绘的是挪威的洛基神和一条蛇绑在一块岩石上。
Lokiarchaea(洛基古菌)Loki's Castle(洛基城堡)Lokiarchaea(洛基古菌)Lokiarchaea(洛基古菌)资料来源:路易斯·哈德的《洛基的惩罚》,美国公共领域
显微浮游植物漩涡图像。

未来

现在- ?

连接这些点

在过去的三十年里,人们通过新技术迅速发现了微生物生命的多样性。在未来,我们需要弄清楚这种巨大的多样性,更好地了解所有这些生物如何相互作用,以及如何与各种大小的动物相互作用。
多色短尾乌贼坐在海底的照片。
夏威夷短尾乌贼出生后几小时内就会吸引发光细菌,这些细菌在其眼睛上方的特殊发光器官上繁殖。信贷:尼克Hobgood