勇做微生态基础理论的开拓者

　　微生物包括细菌、真菌和单细胞真核生物。它们个体微小、结构简单，通常要用光学显微镜甚至电子显微镜才能看清楚。种类多样的微生物在地球不同的生态系统中发挥着重要作用。大到整个地球的碳循环，小到每个人肠道的正常功能，都与微生物密切相关。人类利用纷繁复杂的微生物生态系统为自身服务的例子在现实中不胜枚举。而现代微生物技术的进步使人类更精准有效地利用微生物成为可能。要理解多样复杂的微生物生态系统的组织和运行规律，进而改造乃至创造具有特定功能的微生物群落，则必须首先理解微生物群落系统的生态和进化规律，在理论突破的基础上实现应用的飞跃。来自南方科技大学的范陆博士，一直致力于微生物生态理论的研究，旨在将理论创新与技术创新结合，从而带动产业的发展，让微生物更好地服务于人类的生产与生活。

　　“看似微小，却蕴含巨大潜力”

　　范陆从小着迷的是那些史前巨兽和与巨兽一样具有巨大能量的量子力学，而后来与微生物结下不解之缘则是由于在浙江大学的本科毕业设计研究期间接触了一种名为“耐辐射奇球菌”的超级细菌。这种微小但神奇的生物即使在受到3000颗广岛原子弹剂量的电离辐射后，依然能够存活下来。这让他感受到所谓“强大”与“弱小”之间的辩证关系。从那之后，无论是在澳大利亚进行基础科学研究，还是回国后在产业界发展，范陆一直选择与微生物为伴。用范陆的话来说，“微生物就像分散在各行各业的普通技术人才，虽然每个个体很微小，但人类的整体智慧却蕴藏着几乎无限的创造力。就像蕴藏在地球微生物中极其多样的基因信息，是微生物经历了几十亿年‘战天斗地’的成果，是我们取之不尽用之不竭的宝库。”

　　“但将微小汇聚成强大的，一定是其背后看不见的规律——犹如人类经济活动的组织和运作方式，在微生物研究中称其为‘生态学’。”范陆进一步强调说。自然界中，几乎所有微生物的生存繁衍都与其他微生物或大型生物发生着复杂的互作关系网络，犹如我们作为一个社会人的存在，必然与社会中的其他个体和组织存在着千丝万缕的联系。而复杂的互作关系中，共生协作是微生物群落个体间得以稳定存在的一类最重要的互作关系。与人类社会中高度的协作和依存关系类似，不同微生物之间也存在着频繁和多样的功能分工、物质能量交换、信号传递、身份识别和组织协调等。而协作的同时也伴随着不同层次的竞争和互斥，从而在整体上达到一个相对高效、低冗余的微生物生态系统。这一系列复杂的关系是通过各种化学分子介导的生物（电）化学反应来实现的。范陆通过对自然界典型的微生物共生群落中主要互作关系类型和动态特征的研究，构建其能量物质循环网络和信号传递网络，解析其背后的分子基础，归纳具有普遍意义的生态学规律。

　　在澳大利亚攻读博士期间，范陆沉醉于形成大堡礁和珊瑚海壮丽风景背后那些肉眼看不见的微小的驱动力。利用海绵动物和共生微生物这一生态模型，系统性地研究了共生微生物和海绵动物之间的分子互作、协同进化和应对环境压力的机制。研究发现，在自然界中极为丰富多样的共生微生物群落背后，同功选择和趋同进化——这一单个大型物种进化的经典理论——在共生微生物进化中同样成立。这一基础性发现被国际同行认为在宏基因组学和微生物群落学兴起的大背景下，及时提供了研究共生微生物的生态学理论指导。在2011年欧洲微生物学大会上，尚在攻读博士的范陆被授予“海外青年科学家奖”（全球20位获奖者之一）。进一步的研究发现，全球范围内海洋无脊椎动物的大范围死亡和珊瑚礁消退可能是宿主和共生微生物之间的代谢依赖被扰乱的间接结果，而非由传染性疾病导致。他在此基础上，提出了环境压力下动物疾病爆发的“多维承受限”理论，对理解宿主—共生微生物的系统稳定性具有重要的普遍意义。

　　这些微生态基础理论发现，让范陆深切体会到了微生物群落系统具有明显的人类社会学特征。宿主共生系统和自由生活系统这两种极端的微生物模式系统，分别对应于人类社会中高度等级化的组织和完全扁平化的松散组织。“微生物之间的复杂互作甚至在生命起源之初就存在了，而且是导致生命形式创新的根本原因”。最近，范陆通过对现有微生物基因序列的系统发生学分析和代谢重构，对发生在约20亿年前的真核细胞起源事件的细节进行推演。这项研究为理解生命演化的基本规律，修正现有生命起源理论，发掘生命形式的多种可能，乃至设计和创造新的生命形式奠定了基础。

　　实践经验与理论创新互为前提

　　长期对于几个狭窄领域的深入研究工作让范陆意识到自己对于更具有普遍意义的科学问题和社会需求的认知可能存在巨大局限。因此在学成回国后，他首先选择在华大基因等代表新兴生物技术的标志性企业进行了3年有关人体微生物的研究和产品开发工作。这些和产业需求直接相关的经历，让他看到了工业和医学界对于微生态理论和技术创新的迫切需求。

　　目前，身为南方科技大学研究助理教授的范陆，正在充分践行他“从实践中来，到实践中去”的理论创新思想。比如，限于培养技术和基因测序技术的不足，人们对于自然界复杂的病毒—宿主关系网络的了解甚至还未及其皮毛。在一项珠江口微生物—病毒互作网络的开创性研究中，范陆的团队正通过3D基因组学建库和病毒介导的单细胞分选等前沿技术，在群落水平研究珠江口细菌和古菌与病毒的关系网络。而这项关于自然环境研究的理论发现和技术创新则能直接指导医学应用。目前，范陆正寻求与临床医生合作，在微生物组和病毒组水平研究人类和动物传染性疾病的发生和发展，以期突破以往对单一感染源疾病的认识，还原感染性疾病发生过程中不同阶段的病毒、微生物和人体细胞互作模式演化，从而让人们能更深刻理解疾病发生的机制，为寻找治疗的靶向位点提供更精准的数据。我们相信，在微生物生态理论的研究中勇于开拓的范陆一定能通过理论与实践的融合创新，为我们带来更多惊喜。