中大学者从超微型海洋细菌追溯地球演化历史

香港中文大学（中大）生命科学学院 罗海伟教授 及其研究团队，对原绿球藻（ Prochlorococcus ）等几类超微型海洋细菌以超级电脑进行基因组分析，发现它们在早期的进化过程中曾在短时间内丢失了大量DNA分子，并很可能是由于地球当时发生了突变（例如气候急剧变化），使原绿球藻减缓甚至停止生长。 海洋微生物学家普遍认为超微型海洋细菌的演化是达尔文生物进化论的重要证据，罗教授的发现推翻了此说。研究成果已刊登在最新一期的《自然微生物学》（ Nature Microbiology ）。此项研究涉及跨学科知识，包括微生物学、进化生物学、海洋科学及电脑科学。  

一滴海水蕴藏著数以百万个细菌，它们大部分只有0.5微米左右大小，被称为超微型浮游细菌。它们不但没有危害人类和大型海洋生物的健康，更是维持地球元素循环平衡和调节气候变化的重要幕后功臣。地球上（包括海洋和陆地）20%的叶绿素都是由原绿球藻合成，而叶绿素是光合作用的必要物质，以产生氧气。因此我们呼吸的氧气，很大部分归功于这类超微型海洋细菌。 了解原绿球藻的进化史对研究海洋环境的适应机制，以至生物及地球的演化历史，皆具有重大意义。  

自然选择（natural selection）是达尔文提出的生物进化论之主要机制，指生物的遗传特征会在竞争中被保存或淘汰，以解释生物如何适应环境。海水是一种极其稀释的生态环境，营养极度匮乏，因此生活在海洋中的浮游细菌长期处于饥饿状态。它们通过长期的演化，会大量丢失DNA分子以缩小细胞体积，从而增大比表面积（以单位计的总表面积）以更有效地从海水中吸收营养。因此，科学家普遍认为带有小型基因组的超微型海洋细菌是在营养匮乏的海洋环境中自然选择后的结果，成为达尔文生物进化论的重要证据。 

罗海伟教授 联同其博士后研究员 黄咏洁博士 、美国Bigelow海洋研究所 Ramunas Stepanauskas 教授 ，以及美国南卡罗来纳大学 唐继军教授 ， 利用超级计算机分析了近 100 个原绿球藻基因组 DNA 序列 ，通过重构它们的进化史并计算不同类型基因突变的累积速度，发现这些看似几乎完美进化的超微型细菌，原来累积了大量有害的基因突变。研究更发现，这些有害突变发生的时间和DNA分子大量丢失的时间吻合──都发生在原绿球藻早期的进化史中。 

根据现代分子进化理论，罗教授的发现说明原绿球藻丢失大量DNA分子并非为了适应海洋环境，相反，这是一个随机的过程。 罗海伟教授 表示：「 这是科学界首次发现原绿球藻并非完美进化的证据 。我们估计原绿球藻在早期进化时，地球发生了重大的变化，可能是气候剧变，令原绿球藻群大规模缩小，令自然选择机制失效而积累了有害的基因突变。目前，我与研究团队正致力通过超级计算机重构基因组变化的年代和细节，有望与地质学家所了解的地球演化事件联系起来。」 

罗教授及其团队更研发了一套基因序列分析软件 ，用以测定不同类型基因突变的速率。该软件不但能分析海洋细菌的基因序列，更可广泛应用于其它各种环境中的微型和大型生物， 现已开放予全球科学家使用。  

此研究项目获研究资助局杰出青年学者计划及中大直接资助计划资助，并由中大李福善海洋科学研究中心、农业生物技术国家重点实验室（香港中文大学伙伴实验室），以及中大环境、能源及可持续发展研究所合力支持下完成。  

罗海伟教授简历  

罗海伟教授于2004年获厦门大学环境科学学士学位，并于2010年获美国南卡罗来纳大学分子进化生物学和生物信息学博士学位，同年前往美国乔治亚大学海洋学系从事博士后研究。罗教授于2015年加盟香港中文大学生命科学学院担任助理教授，他的主要研究兴趣是结合现代生物技术（如基因组学）和超级计算技术以了解微生物在海洋中的进化和适应性。他的研究对气候与地球变化，污染物对海洋生态系统的影响，以及海洋大型动物和植物的保育具有重要意义。从2015年起，罗教授领导的中大研究团队已经陆续在国际顶级学术期刊上发表数篇论文，包括 Nature Microbiology ， The ISME Journal ， Molecular Biology and Evolution 等。目前，罗教授及研究团队正在大量采集和培养具有重要科研和应用价值的海洋微生物样本，包括来自香港海域的各种重要的生态系统包括海水、沉积物、珊瑚、红树林和大型藻类等，致力贡献于香港海洋微生物资源的搜集和海洋生态系统的保育。