继2004年克雷格·文特尔（Graig Venter）“全球海洋取样考察”项目后，法国细胞生物学家埃里克·卡森提（Eric Karsenti）于2009年9月发起了一次环球海洋考察计划，旨在探索细胞的奥秘以及浮游生物之间的交互作用是如何形成整个生态系统的……
在“塔拉号”938天的浮游生物采样之旅中，卡森提在船上只呆了3个月
2010年12月的一天，凌晨3点，“塔拉号”在风浪咆哮的麦哲伦海峡附近抛下了锚，借助悬崖的庇护，这艘36米长的双桅帆船找到了躲避“狂暴50度”（水手对南纬50度～60度之间海域的称呼――译注）的避难所。期间，狂风加强为飓风，折断了锚链安全绳，两次把锚从海底拉起……
在船舱中，埃里克·卡森提（Eric Karsenti）倚着船体，像一个经验丰富的海员。然而，他是一位分子细胞生物学家，研究方向是微管――形成细胞内部骨架的棒状结构――在临近退休时，卡森提出于对科学探索和探险的热爱，向别人借了一条船，开始了为期两年半的环球远航，旨在对海洋生态系统进行深度考察。
后来在位于德国海德堡的欧洲分子生物学实验室（EMBL），卡森提回忆这次旅行时说：“这真的很疯狂。我在船上的那段时间正是全部航程中最危险的时候。”
“塔拉海洋”项目
2009年9月，被称为“塔拉海洋”的项目从法国西北部港口城市洛里昂启程，历经11.5万公里，从全球154个不同海域采集了众多的海洋微生物（即浮游生物）样本。探险结果目前已开始公布，大量数据经整理后将会陆续公之于众。
与基因组学家克雷格·文特尔（Craig Venter）2004年~2006年期间的“全球海洋取样考察”倡议类似，但“塔拉海洋”计划所涉及的海洋微生物之广无以伦比――收集了数十亿生物样品，从毫米级的浮游生物到比之小10万倍的病毒，而不仅仅是微生物。
海洋生物在这个星球上的作用有目共睹，其犹如一个巨大的引擎，推动碳、氮、氧等元素的循环。比如，海洋微生物光合作用产生的氧气，几乎等于陆地植物生产的氧气数量；又如，海洋生态系统是一个进化的场所，无以计数的病毒在各生物体之间穿梭，进行着基因交换……
在研究海洋生态系统究竟是如何工作的，“塔拉海洋”项目采用了基因组学、蛋白质组学和自动化高通量成像等一系列手段对浮游生物进行鉴定，包括对样本温度、pH值或盐度的测量，旨在建立生物与生物之间和生物与周围环境联系的数据集，便于互相参照。
通过研究不同浮游生物之间的相互及环境影响，“塔拉海洋”团队希望了解部分浮游生物之间的交互是如何形成整个生态系统的。他们表示，庞大的数据集有帮助于研究人员解决诸如海洋生物多样性计算、海洋生物如何应对环境变化预测等问题，或许，还能洞察进化是如何作用于生物网络或细胞中的分子。
兴趣缘于孩提时代
鉴于卡森提的研究背景，他似乎是这个项目的最合适人选。几十年来，分子细胞生物学就是还原论的代名词（还原论是把高级运动形式还原为低级运动形式的一种哲学观点――译注）。尽管卡森提研究的是微管，但他和越来越多的生物学家一样，意识到还原论只揭示了故事的一半，现在该是研究细胞组件之间的相互作用是如何形成一个整体的时候了。
如今，每天与实验室打交道的卡森提，其对海洋的兴趣缘于他的童年时代。他在法国布列塔尼海岸度过了很多个夏天，并通过教人帆船项目挣得了学费。然而，自迈入大学校门后，他也离开了自己迷恋的大海。在巴黎第七大学，卡森提在学习经典专业科学的同时，还对统计物理学产生了浓厚的兴趣，也正是这个“副业”改变了他的研究道路。1979年，卡森提在巴黎巴斯德研究所获得免疫和细胞生物学博士学位后，来到了旧金山加州大学细胞生物学家马克·柯厍（Marc Kirschner）的实验室，从事细胞周期和细胞分裂的研究。
在实验室，卡森提对一种细胞分裂过程――有丝分裂――很感兴趣，特别是有丝分裂中出现的纺锤体，其复杂的结构能确保在细胞分裂过程中新细胞只从母体继承一套染色体副本。在显微镜下，由微管组成的纺锤体看似绳索捆在细胞的两端，其实是数以百计的蛋白质在控制这一复杂的分子机器：马达蛋白和信号分子沿着纤维运动，与细胞分裂周期中的特定节点同步。
重新拾起“副业”
20世纪80年代初，正是分子细胞生物学和还原论方法的全盛时期，卡森提此时的工作是纯化蛋白质以鉴定出单个分子，并确定其在细胞周期和有丝分裂中扮演的角色。他开始明白，这些工作虽然很有价值，却不能完全解释纺锤体的复杂行为。“我开始意识到，如此鉴定分子是难以明白其中的机理。你需要了解它们是如何一起工作的。”他说。
1985年，卡森提在EMBL组建了自己的实验室，重新拾起他的“副业”――统计物理学――与EMBL的生物学家托马斯·萨里（Thomas Surrey）、弗朗索瓦·奈迪莱克（Francois Nédélec）和纽约洛克菲勒大学的物理学家斯坦尼斯拉斯·莱布勒（Stanislas Leibler）合作，开始对自组织现象如何在生物学中发挥作用进行研究。事实上，科学家之前已经对诸如洋流和环流进行了长时间的研究，即无序系统是如何通过自组织产生有序的、必威在线网站首页网址 的结构，认识到这些结构不是自上而下产生，而是在单个组件之间的相互作用中出现的。到了90年代，生物物理学家开始将这些概念应用在细胞分子结构中。卡森提表示，这些工作给了他启示，“我突然想到，整个生物过程可以压缩成某些规则。”
联系到卡森提曾经研究过的有丝分裂纺锤体，看来这一分子机器符合自组织系统的三个关键标准：第一，看似形成了稳定结构或模式，实际上可变，每个独立的管子不时进行自身装配和去装配；第二，需要能量来维持自身运行；第三，固定或确定性因素之间的相互作用由马达蛋白施加的力或随机因素的影响，以及马达蛋白满足微管蛋白之间相互作用的概率。最终，产物纺锤体不能用任何简单的原因去解释，应是相互作用的网络产物。
最终，很多研究人员将这些概念应用到构建纺锤体组装的计算机模型上，卡森提也是其中一个。2001年，他和同事阐明了微管和马达蛋白之间的独立相互作用如何形成不同结构，比如，螺旋体、星体，最后形成纺锤体。改变这些相互作用的条件后，组装出来的产物也会改变，比如，高浓度的马达蛋白能组装出更多星体；反之，马达蛋白的比率降低，则沿着微管的星体数量也在减少。
卡森提说：“我感到震惊的是，鱼群或鸟群的形成过程也是相似的随机过程。然而，这两种现象发生在完全不同的尺度上。”
从洛里昂启航
2006年面临退休的卡森提，从1893年查尔斯·达尔文（Charles Darwin）的“贝格号”远航中得到启发，觉得“必须做一件不一样的事。”卡森提说：“在《物种起源》一书中，达尔文介绍了旅行如何帮他提出一些重要的根本性问题，而这些问题都是关于地球和生命的进化和演变。”
启动一个类似的远航似乎前景不错――2009年又是达尔文诞生200周年纪念――卡森提与法国自由城海洋研究中心的生物学家克里斯琴·萨迪特（Christian Sardet）讨论了这一想法，萨迪特又把他的同事、海洋学家戈比·戈尔斯基（Gaby Gorsky）介绍给了卡森提。当三人聚集在酒吧时，戈尔斯基说：“我们开始做梦吧。如果我们能得到一艘有趣的船，我们可以干些什么？”
戈尔斯基与萨迪特的工作都和浮游生物有关，讨论的内容自然离不开这些话题，这再次激发起卡森提探究海洋生命的兴趣。三人认为，将浮游生态系统作为一个整体来研究一定会非常有趣。与此同时，其他研究人员已经将系统生物学原理应用于微生物群落生态系统的研究中，开始用完整的基因序列或“宏基因组”分析微生物群落的代谢过程。建模者已经阐明，海洋环流、连同养分含量和温度等因素的差异，微生物物种将形成不同的地理分布。
模型虽然精致，只是缺乏数据支持，卡森提、萨迪特和戈尔斯基决心弥补这个不足，为此创立了“塔拉海洋”项目。通过帆船界朋友牵线和法国政府及EMBL等的支持，卡森提得到了一艘改进的帆船“塔拉号”和足够的研究经费。“塔拉号”船主是法国帆船运动员艾蒂安·布尔古瓦（Etienne Bourgois），他的父亲是法国时装设计师，其家族为此设立了一个非营利的“塔拉探险”基金，支持卡森提对海洋环境生态的研究，让“塔拉号”成为肩负海洋生物科学普及的完美选择。
紧接着，卡森提组建了一支由海洋学家、生态学家、分类学家、系统生物学家，以及信息学家和生态系统建模专家在内的100多人的研究团队，轮番在“塔拉号”工作，包括非科学家、记者文森特·希莱尔（Vincent Hilaire）也参与了远航并开设了博客。“塔拉海洋”项目同时也在网上推广，如《浮游生物编年史》视频系列，就是讲述项目团队航途中所发现的奇异生物体。
艰苦的科学旅程
虽然“塔拉号”相比其他船只便宜或环保，但设备悬在空中或入水测量时需要稳定的平台，这在“塔拉号”这种规模较小的船只上很难实现。因为项目选择的是不连续的水体采样点，船必须在合适的时间和天气条件下采样，尽管有卫星帮助预测客观条件是否适合开展工作。
情况往往不尽如人意。例如，2010年12月在阿根廷海岸航行，研究人员希望从三个不同的水团样品中采样，但一个持续的低气压连续三个星期席卷着该地区。虽然“塔拉号”设计异常坚固，但他们不得不停止采样工作。卡森提说：“我们知道风速会下降到每小时20海里，然后设法到达采样点。我们只有在风稍小或其间隔时段采样，随后风雨又开始呼啸。”
每当“塔拉号”驶向下一站时，期间要进行样品保存和清洁等工作。卡森提在船上呆了4段航程（三个月），他总是以身作则。戈尔斯基评论道：“他总是乐于去做那些困难的事，第一个去清洗餐具或厕所。他从来不把自己当成高高在上的领导者。”
回到陆地后，研究人员首先面临的挑战是对获得的样品进行整合和解读，包括对样品进行成像和环境数据处理。比如，利用DNA和RNA序列对生物呈现的多样性以及基因功能和生态作用进行研究，以及开发高通量成像扫描系统以识别和量化存在的物种――如果手动来做，将永远也做不完。
“塔拉号”下一阶段的使命是探索生活在北极的浮游生物
数据接踵而来。今年三月在加利福尼亚州核桃溪市举行的第8届能源与环境基因组会议上，卡森提公布了令与会者印象深刻的数据。数据表明，海洋中有几十万、甚至上百万个不同种类的真核生物，几乎所有物种都是人类迄今还不了解的。海洋里还有丰富多样的病毒，包括一些巨型病毒，这种病毒比细菌细胞还要大。
把关注度投向海洋
除了这些惊人的数字，项目团队正在努力推断一些潜在的生态关系。比如，样品中哪些生物出现在其他生物周边，或显示可能存在的相互作用。项目合作者、法国马赛地中海微生物研究所的绪方浩之团队通过“塔拉海洋”数据挖掘，发现一种巨型病毒总是跟一种被称为卵菌的丝状菌一起出现。这给人们的第一个提示是，两个生物体之间的基因转移，证明卵菌可能是巨型病毒的宿主。卡森提指出，这些发现表明，“塔拉海洋”数据可以帮助解析海洋生物在进化过程中形成的寄生和共生关系。
通过比对“塔拉海洋”与其他大型海洋调查项目的数据，如文特尔的“全球海洋取样考察”项目和西班牙2010~2011年间的“马拉斯皮纳”项目（后者侧重于深海生态系统的样本采集），包括比对其他规模较小、立足当地的海洋生态数据，相信，最终科学家可以全面了解生态系统是如何变化的。美国阿贡国家实验室的生态学家杰克·吉尔伯特（Jack Gilbert）认为，至关重要的是，应该结合其他同类项目来对“塔拉海洋”数据进行解读。因为只从一个单一的航程进行解读，其结果是有局限性的。
在加利福尼亚州的圣迭戈，文特尔研究所的首席营运官罗伯特·弗里德曼（Robert Friedman）对此表示赞同：“对于我们来说，要想真正了解海洋，一个项目是不够的，两个还是不够，我们需要更多的。”
卡森提希望，研究人员应该像他一样，走出自己熟悉的领域，接受挑战。他建议，细胞和发育生物学家，应该超越酵母菌、果蝇和小鼠，去观察非凡的海洋生物。或许，未来的细胞生物学家受到“水手”卡森提的启发，将关注度投向海洋。
“塔拉海洋”目前在北极进行采样工作，序列数据将于今年晚些时候公布，同时将开放数据库访问。该数据库位于英国辛克斯顿的EMBL欧洲生物信息学研究所内，届时，世界各地的科学家可以访问“塔拉号”在首次环球航行中获得的数据。
资料来源Nature
责任编辑 则 鸣