楊云峰研究組：偵探“世界屋脊”，開(kāi)啟環(huán)境微生物領(lǐng)域研究新思路
研通社記者 陳陸淼 杜林霏 周格格
青藏高原，中國(guó)最大、世界海拔最高的高原，總面積近300萬(wàn)平方公里，平均海拔4000～5000米，有“世界屋脊”和“第三極”之稱(chēng)。是亞洲許多大河的發(fā)源地。
2013年8月29日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院楊云鋒研究組在《自然》旗下的The ISME Journal（國(guó)際微生物生態(tài)學(xué)會(huì)會(huì)刊）發(fā)表題為《青藏高原草原沿海拔梯度的微生物功能多樣性》（The microbial gene diversity along an elevation gradient of the Tibetan grassland）的研究論文，首次完成了對(duì)青藏高原微生物功能多樣性的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了其與環(huán)境條件、特別是土壤氮循環(huán)之間的強(qiáng)烈相關(guān)性。
圖為青藏高原微生物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間的強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)。
青藏高原是全球氣候變化的敏感地區(qū)，在過(guò)去三十年里升溫是世界平均水平的兩倍，影響到了周邊二十多億人民的生活。該文的研究表明，氣候變化會(huì)改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和溫室氣體排放，因此相關(guān)模型需要納入微生物因素，才能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)這一地區(qū)未來(lái)的氣候變化。
繼2013年1月份在全球變化主流雜志Global Change Biology（全球變化生物學(xué)）道了放牧對(duì)青藏高原草原土壤微生物的影響之后，楊云鋒領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)調(diào)查了青藏高原草原微生物功能多樣性，利用時(shí)空替換的生態(tài)學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)低溫對(duì)土壤微生物形成明顯的環(huán)境壓力。氣候變化對(duì)土壤氮循環(huán)影響明顯，參與氨化、硝化過(guò)程的功能基因與氧化亞氮的排放存在正相關(guān)性，而對(duì)碳循環(huán)影響不大。從而解釋了青藏高原迥異與世界其它地區(qū)的一個(gè)特點(diǎn)，就是氣候變化的影響主要不是表現(xiàn)在碳庫(kù)上，而是在氨氮等植物生長(zhǎng)的基本要素上。微生物功能基因的變化，是這個(gè)現(xiàn)象的微觀(guān)機(jī)制。
記者走進(jìn)清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院專(zhuān)訪(fǎng)了楊云峰和他的團(tuán)隊(duì)，聆聽(tīng)一群求知者對(duì)這個(gè)領(lǐng)域探索的故事。
審時(shí)度勢(shì)，在“冷門(mén)”中尋求“熱點(diǎn)”
楊云鋒本科從中國(guó)科大畢業(yè)后即在美國(guó)繼續(xù)深造，在國(guó)外共做學(xué)術(shù)研究14年。在紐約讀博期間，他主要做癌癥方向的醫(yī)學(xué)微生物研究。雖小有成就但似乎沒(méi)有激發(fā)起他內(nèi)心最大的熱情。
改變現(xiàn)狀，尋找自己真正感興趣而且相信的方向！當(dāng)時(shí)的楊云鋒思考著這樣一個(gè)問(wèn)題。
繼續(xù)選擇原“熱門(mén)”方向，就需要和全球許多學(xué)者搶時(shí)間，搶成果，搶機(jī)遇。即使有一定成果，還會(huì)有與他人成果重復(fù)，經(jīng)費(fèi)不足，論文發(fā)表困難等風(fēng)險(xiǎn)，整體競(jìng)爭(zhēng)壓力大，反而抑制了研究的“健康”進(jìn)行。
相反，選擇相對(duì)“冷門(mén)”的方向具有一定的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)?ldquo;冷門(mén)”領(lǐng)域關(guān)注較少，進(jìn)而未解決的問(wèn)題較多；各方面競(jìng)爭(zhēng)壓力小，便于真正開(kāi)展創(chuàng)新性研究。
楊云鋒在經(jīng)過(guò)深思熟慮后，終于決定博士畢業(yè)后改變自己的研究方向——從醫(yī)學(xué)微生物轉(zhuǎn)到了環(huán)境微生物，從“熱門(mén)”跳到“冷門(mén)”。而隨著全球環(huán)境問(wèn)題不斷，環(huán)境保護(hù)成為國(guó)際話(huà)題，環(huán)境微生物研究逐漸受到關(guān)注。明智的選擇讓楊云鋒較早地跨入了這個(gè)主流領(lǐng)域，并找到了自己的興趣所在。目前他課題組的工作主要是利用環(huán)境基因組學(xué)技術(shù)等來(lái)研究在全球變化的條件下，環(huán)境微生物的響應(yīng)以及全球變化對(duì)微生物功能的影響。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是研究微生物對(duì)全球變化的反饋機(jī)制。
針對(duì)一個(gè)大領(lǐng)域，要選擇怎樣一個(gè)切入點(diǎn)進(jìn)行研究？這又是楊云鋒需要思考的下一個(gè)問(wèn)題。
青藏高原高寒草甸約占青藏高原面積的三分之一，是一種典型的地理類(lèi)型。由于過(guò)度放牧和全球暖化等因素的影響，近年來(lái)，青藏高原草原出現(xiàn)了明顯的變化。因此有必要對(duì)其可持續(xù)性發(fā)展做相關(guān)研究。同時(shí)，青藏高原上動(dòng)植物、微生物等種類(lèi)豐富，而針對(duì)微生物的研究不多。楊云鋒看到了青藏高原的價(jià)值，于是他又一次準(zhǔn)確地選擇了具體的研究對(duì)象。
知人善用，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)最大能動(dòng)性
2010年，一直期待回國(guó)發(fā)展的楊云鋒在留美十多年之后回到祖國(guó)，在清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院創(chuàng)辦環(huán)境基因組學(xué)團(tuán)隊(duì)。國(guó)家、學(xué)校和學(xué)院對(duì)他的工作給予了大力的支持，提供了良好的條件和資源，這也堅(jiān)定了楊云鋒的在科研方面大膽開(kāi)拓的信念。雖是新來(lái)乍到，卻也有一種強(qiáng)烈的歸屬感。
在這里他開(kāi)始帶著一群學(xué)生開(kāi)始關(guān)于青藏高原微生物功能多樣性的課題。
這也讓人好奇，楊云鋒組建了怎樣一支研究隊(duì)伍。
“在研究生面試時(shí)，您會(huì)選擇怎樣的學(xué)生加入您的團(tuán)隊(duì)呢？”
“不同的工作需要不一樣的學(xué)生，比如有些工作需要在外地采樣，男生更適合，一定要勤勤懇懇，能吃苦耐勞，敢于去艱苦的地方。又如有些工作需要從數(shù)據(jù)看問(wèn)題，因此要的是喜歡鉆研，有好奇心，愿意思考的學(xué)生。”總之，不同特點(diǎn)和長(zhǎng)處的學(xué)生在一起，可以各司其職，人盡其才，讓整個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)揮最大的作用。
這樣一個(gè)多樣化的團(tuán)隊(duì)總會(huì)產(chǎn)生很多故事，在研究過(guò)程中，他們建立了“同甘苦，共患難”的戰(zhàn)友情。
這次論文的第二作者，2011級(jí)博士生高瑩介紹整個(gè)組每周都會(huì)開(kāi)組會(huì)，每個(gè)人輪流用英語(yǔ)講；平時(shí)也隨時(shí)討論，有問(wèn)題即刻解決不拖沓；每周要寫(xiě)報(bào)告匯報(bào)工作情況。“我們每一天節(jié)奏很緊湊，工作多，因此團(tuán)隊(duì)里從老師到學(xué)生每個(gè)人都很勤奮和努力，基本每天都有十幾個(gè)小時(shí)的科研時(shí)間。”她還提到，不僅和身邊的同學(xué)經(jīng)常探討，和老師也經(jīng)常交流。有一段時(shí)間她做實(shí)驗(yàn)，一直不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)，楊老師就陪她在實(shí)驗(yàn)室重做實(shí)驗(yàn)，最后終于發(fā)現(xiàn)是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。
楊云鋒在和學(xué)生共同工作中也有不少難忘的經(jīng)歷。他提到一次帶學(xué)生去青海海北站取研究樣本令人記憶深刻。第一次去西藏，親身體會(huì)到了那里艱苦的環(huán)境，吃住條件都非常不好，3個(gè)人一起一周居然才花了70元。但是他回憶，雖然他和學(xué)生都覺(jué)得那幾天很苦，但是他們也感受了科研精神的力量，因?yàn)樵谀抢锼麄兛吹介L(zhǎng)期駐留的研究者為了取樣，可能要一天24小時(shí)都在工作，或者在野外考察，時(shí)刻面對(duì)高山上隱藏的陷阱等等。
廢寢忘食，偵破“案情”，還原“故事”
這次關(guān)于青藏高原草原微生物功能多樣性的課題真正開(kāi)始于楊云鋒回國(guó)之前。在國(guó)外，他通過(guò)合作者提供的樣品進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，比如測(cè)試微生物在基因?qū)用嫔险{(diào)控碳、氮循環(huán)的機(jī)制等。最終這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)數(shù)字的變化呈現(xiàn)，而如何把這些數(shù)字用最優(yōu)地形式表達(dá)出來(lái)，并讓人信服則是這項(xiàng)課題最重要也最關(guān)鍵的一步。回國(guó)時(shí)，楊云鋒帶回來(lái)了一張包括幾十萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)的excel表，并指導(dǎo)高瑩開(kāi)始分析。
處理海量的數(shù)據(jù)，需要的不僅是技術(shù)和耐心，還需要有如破案的敏銳度。“整個(gè)過(guò)程需要大量的統(tǒng)計(jì)知識(shí)和復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，最難的是把這些數(shù)字轉(zhuǎn)化成一個(gè)證據(jù)確鑿的故事。”楊云鋒用這樣的語(yǔ)言來(lái)形容：我們是偵探，來(lái)到了一個(gè)兇案現(xiàn)場(chǎng)，看到的是一堆遺跡，如刀、血跡、凌亂的物品……從這些線(xiàn)索中回推還原當(dāng)時(shí)的情況，推斷整個(gè)案情發(fā)生的過(guò)程。很多時(shí)候需要猜測(cè)，而且會(huì)還原好幾個(gè)故事，甚至由于現(xiàn)場(chǎng)不可逆性而無(wú)法判斷哪個(gè)才是真相。由于氣候變化快，所有的采集的數(shù)據(jù)也是不可逆轉(zhuǎn)的，所以在對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行確立和判斷時(shí)，要參考前人的成果，并作出明智的決策判斷。楊云鋒也對(duì)此有著自己的信心，“我們的優(yōu)勢(shì)是判斷力強(qiáng)，見(jiàn)多識(shí)廣，靈感多。”
“我喜歡這種狀態(tài)，茶不思飯不想，最后豁然開(kāi)朗的感覺(jué)。這種對(duì)好奇心的滿(mǎn)足是任何財(cái)富都替代不了的。”楊云鋒希望自己的學(xué)生也能有這樣的好奇心。因?yàn)楣适碌?ldquo;難以復(fù)原”，學(xué)生一定要有自主的創(chuàng)新性，而且喜歡琢磨，腦子一直在運(yùn)轉(zhuǎn)，吃飯洗澡都在思考。
而高瑩面對(duì)具體的數(shù)據(jù)時(shí)又是怎樣的情況呢？
她剛進(jìn)入課題組時(shí)面對(duì)這一堆數(shù)據(jù)，無(wú)論是專(zhuān)業(yè)知識(shí)還是數(shù)據(jù)處理軟件上，都存在不足，壓力非常大。但困難重重的現(xiàn)狀并沒(méi)有打垮她，她通過(guò)書(shū)籍、資料、身邊的老師同學(xué)，一步一步摸索，漸漸找到了研究的方法。最先要做的是對(duì)幾種數(shù)據(jù)前處理方法進(jìn)行對(duì)比分析，每種方法得到的結(jié)果有差異，但各有其生態(tài)學(xué)意義，找準(zhǔn)綜合較好的前處理方法是第一步。隨后是進(jìn)一步分析每一個(gè)基因的碳氮循環(huán)等過(guò)程，并用圖表將其表征出來(lái)。
慢慢地她找到了楊老師所描述的科研的快樂(lè)，邊學(xué)邊做，數(shù)據(jù)處理、尋找規(guī)律、編寫(xiě)故事，很多的靈感也在一邊寫(xiě)文章一邊看論文中產(chǎn)生。
“這個(gè)論文過(guò)程很長(zhǎng)，處理數(shù)據(jù)用了一年，寫(xiě)文章，改文章又花了一年。”她總結(jié)，“面對(duì)拒稿不能泄氣，苛刻的評(píng)審們?cè)趲椭阏倚碌乃悸?。一定要?jiān)持住，并不斷完善自己構(gòu)思。”
“研以致用”，開(kāi)辟微生物研究新路
如今呈現(xiàn)在讀者眼前的是一張張漂亮的圖表。楊云鋒指著論文中的圖介紹，這些都是在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有顯著意義的結(jié)果，它們從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度清楚地表明了研究成果。
歸納地說(shuō)，楊云鋒課題組主要關(guān)注了兩方面的問(wèn)題：氣候變化如何影響微生物多樣性以及微生物排放溫室氣體的規(guī)律和影響，有助于人類(lèi)對(duì)微生物資源進(jìn)行保護(hù)和開(kāi)發(fā)以及調(diào)控自然界的溫室氣體排放，維持環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。
當(dāng)然，這些研究的應(yīng)用價(jià)值目前并不明顯，還需要進(jìn)行大量的工作。楊云鋒也提到這次的論文只是他們整個(gè)綜合項(xiàng)目中的一篇，他們也會(huì)陸續(xù)開(kāi)展系列研究。課題組現(xiàn)在自己采樣，做實(shí)驗(yàn)，主要實(shí)驗(yàn)包括對(duì)微生物DNA提取，測(cè)序，獲得基因信息；測(cè)定溫室氣體通量等。這些工作將豐富環(huán)境微生物領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，對(duì)宏觀(guān)現(xiàn)象給予解釋?zhuān)閲?guó)家的決策提供一定的參考依據(jù)。
森林、草原、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)排放出來(lái)的溫室氣體，是全球溫室氣體排放的重要構(gòu)成。而這些溫室氣體，很大一部分是由微生物排放的。而所謂生物多樣性，90%以上的生物多樣性是微生物多樣性。如今，我國(guó)利用微生物實(shí)現(xiàn)低碳減排的應(yīng)用、微生物資源保護(hù)已經(jīng)起步，比如抑制草原、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放已有一些管理措施。
“我們希望我們的研究成果最終也能為人類(lèi)所用，并促進(jìn)人類(lèi)的發(fā)展。”楊云鋒提出了自己的期待。
同時(shí)他也希望，“青年學(xué)生應(yīng)該避免功利心，而是堅(jiān)持自己的興趣和夢(mèng)想。做自己相信的事情，不被別人干擾，讓自己的生活有意思。”
（清華新聞網(wǎng)2月8日電）
編輯：襄樺
