微電極+組織學(xué)+病理學(xué):布萊克海嶺案建立的深海體檢四件套
2005年的那篇布萊克海嶺論文,表面上寫的是蛤蜊死亡,實(shí)際上確立了一套范式——一套調(diào)查深海冷泉化能群落大規(guī)模死亡事件的完整流程。
這套范式包含四個步驟。
首先:宏觀觀察。
科學(xué)家乘坐深潛器下到海底,觀察大型底棲動物的分布狀況?;罡蝌墼谀睦铮克镭悮ぴ谀睦??活的和死的比例是多少?貝殼有沒有被啃咬的痕跡?貝殼的大小是不是均勻?侵蝕程度是不是一致?
在布萊克海嶺,科學(xué)家觀察到:活蛤蜊形成寬度約1米、長度10到20米的條帶狀集群,也有直徑小于1米的斑塊狀集群。死貝殼堆也是類似的分布模式。貝殼大小比較均勻,侵蝕程度也差不多,沒有捕食留下的傷痕。
這些觀察指向一個結(jié)論:死亡事件是同步發(fā)生的、大規(guī)模的,而不是零星的、長期的。死亡時(shí)間距離采樣時(shí)間不遠(yuǎn)——幾個月到幾年,而不是幾十年。因?yàn)槿绻麜r(shí)間太久,貝殼會被沉積物覆蓋,或者被風(fēng)化侵蝕得不成樣子。
第二步:環(huán)境檢測。
這就是微電極上場的時(shí)候了。用推芯采集沉積物樣本,用微電極測量氧化還原電位剖面,判斷硫化氫的供應(yīng)狀況。
在布萊克海嶺,活蛤蜊床和死貝殼堆的Eh剖面非常相似,都是上面2厘米氧化、下面還原。這說明硫化氫還在產(chǎn)生,蛤蜊不是餓死的。死貝殼堆的還原層甚至比活蛤蜊床的更靠近表面——如果蛤蜊是中毒死的,那活蛤蜊也應(yīng)該中毒才對。
這個結(jié)論推到了最直觀的假說,迫使科學(xué)家去尋找其他原因。
第三步:生物病理檢查。
采集生物樣本,固定、包埋、切片、染色,在顯微鏡下檢查組織結(jié)構(gòu)和寄生蟲。必要時(shí)請專門的貝類病理學(xué)家協(xié)助鑒定。
在布萊克海嶺,60只蛤蜊、3000張切片,發(fā)現(xiàn)了六種微型寄生蟲。其中兩種被認(rèn)定為致病性:病毒樣包涵體I造成外套膜組織降解,細(xì)菌感染I造成鰓絲破壞。還有一種原生生物雖然本身不致病,但如果密度升高可能變成威脅。
更重要的是,42%的蛤蜊出現(xiàn)了強(qiáng)烈的免疫反應(yīng)卻找不到病原體。這說明現(xiàn)有的檢測手段還不夠,還有很多東西沒看到。
第四步:綜合研判。
把環(huán)境數(shù)據(jù)和生物數(shù)據(jù)放在一起,看能不能對上。在布萊克海嶺,環(huán)境數(shù)據(jù)顯示硫化物供應(yīng)沒有中斷,生物數(shù)據(jù)顯示蛤蜊體內(nèi)有寄生蟲和免疫反應(yīng)。兩個證據(jù)鏈指向同一個方向:寄生和病害是導(dǎo)致死亡的重要因素。
但作者非常謹(jǐn)慎。他們指出:所有寄生蟲的感染密度都很低,最厲害的也只是“潛在”致病?;旌洗驳母腥韭屎兔庖叻磻?yīng)確實(shí)比活床高,但樣本量不夠大,統(tǒng)計(jì)上不夠有力。所以結(jié)論是“寄生是潛在貢獻(xiàn)因素”,而不是“寄生是真兇”。
這套范式后來被應(yīng)用到其他深海冷泉和熱液生態(tài)系統(tǒng)中。如果把布萊克海嶺的蛤蜊、同站點(diǎn)的貽貝、墨西哥灣的貽貝、佛羅里達(dá)海崖的帽貝這四篇論文放在一起比較,可以看到一些有趣的規(guī)律。
立克次體樣包涵體是四篇論文中共同出現(xiàn)的,可以說是深海冷泉軟體動物的“常駐居民”。它們在鰓和消化組織中出現(xiàn),但通常不造成嚴(yán)重病理。
原生生物(包括纖毛蟲)也是常見類型。有些無害,有些會造成嚴(yán)重問題——比如墨西哥灣貽貝的Bucephalus樣吸蟲,能讓40%的種群絕育。
病毒樣包涵體目前只在布萊克海嶺的蛤蜊和貽貝中發(fā)現(xiàn),其他站點(diǎn)還沒有報(bào)道。這可能是因?yàn)椴既R克海嶺的環(huán)境特殊,也可能是因?yàn)槠渌军c(diǎn)的研究不夠深入。
從這些比較中,科學(xué)家開始構(gòu)建深海冷泉軟體動物的“健康基線”。什么是正常?什么是異常?某種寄生蟲的感染率在什么范圍內(nèi)是安全的?超過什么閾值就需要警惕?
這些問題在淺水養(yǎng)殖業(yè)中已經(jīng)有成熟的答案——牡蠣的Perkinsus marinus、北蛤的QPX,都有明確的診斷標(biāo)準(zhǔn)和防控措施。但在深海,一切才剛剛開始。
布萊克海嶺的蛤蜊案,到今天仍然沒有烷全結(jié)案。作者在論文結(jié)尾列出了下一步需要做的事情:用電子顯微鏡確認(rèn)病毒樣包涵體的本質(zhì),用特異性染色方法靶向假定的病原體,用分子生物學(xué)方法(16S/18S測序、RNA原位雜交)去抓那些光鏡看不到的東西。
2005年的時(shí)候,這些技術(shù)還不普及。放到今天,我們可以做更多。比如對蛤蜊的組織樣本進(jìn)行宏基因組測序,把所有微生物的DNA都讀出來,看看除了那六種寄生蟲之外還有什么。比如用熒光原位雜交技術(shù),把特定的病原體在組織切片上標(biāo)出來,看看它們到底分布在什么地方。
微電極技術(shù)本身也在進(jìn)步。2005年用的還是0.5毫米直徑的鉑針,今天的Unisense微電極可以做到探頭只有幾十微米,對沉積物的擾動更小,空間分辨率更高。除了Eh,還可以同時(shí)測量H?S、O?、pH、NO等多種參數(shù),在一根推芯上獲得多維度的化學(xué)剖面。
如果當(dāng)年布萊克海嶺的研究者有這些工具,他們或許能做出更精確的判斷。但即使沒有,他們已經(jīng)做得足夠好了——他們建立了一套范式,告訴后來的人:當(dāng)你面對深海冷泉的大規(guī)模死亡事件時(shí),不要只盯著環(huán)境變化。環(huán)境可能沒有問題,問題可能在生物體內(nèi)。而那些隱藏在生物體內(nèi)的不速之客,可能比你想象的要多得多。
深海冷泉生態(tài)系統(tǒng)的健康,從來不是一個簡單的問題。但至少,我們現(xiàn)在知道該怎么問了。也知道該用什么工具去回答了——推芯、微電極、切片機(jī)、顯微鏡,再加上越來越好用的分子生物學(xué)工具。
布萊克海嶺的蛤蜊已經(jīng)死了,但它們的故事還活著。
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