楊云峰研究組：偵探“世界屋脊”，開啟環(huán)境微生物領域研究新思路
研通社記者 陳陸淼 杜林霏 周格格
青藏高原，中國最大、世界海拔最高的高原，總面積近300萬平方公里，平均海拔4000～5000米，有“世界屋脊”和“第三極”之稱。是亞洲許多大河的發(fā)源地。
2013年8月29日，清華大學環(huán)境學院楊云鋒研究組在《自然》旗下的The ISME Journal（國際微生物生態(tài)學會會刊）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，首次完成了對青藏高原微生物功能多樣性的調查，發(fā)現(xiàn)了其與環(huán)境條件、特別是土壤氮循環(huán)之間的強烈相關性。
圖為青藏高原微生物群落結構與環(huán)境因子之間的強烈關聯(lián)。
青藏高原是全球氣候變化的敏感地區(qū)，在過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，氣候變化會改變土壤微生物群落結構和溫室氣體排放，因此相關模型需要納入微生物因素，才能準確預測這一地區(qū)未來的氣候變化。
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）道了放牧對青藏高原草原土壤微生物的影響之后，楊云鋒領導的研究團隊調查了青藏高原草原微生物功能多樣性，利用時空替換的生態(tài)學方法，發(fā)現(xiàn)低溫對土壤微生物形成明顯的環(huán)境壓力。氣候變化對土壤氮循環(huán)影響明顯，參與氨化、硝化過程的功能基因與氧化亞氮的排放存在正相關性，而對碳循環(huán)影響不大。從而解釋了青藏高原迥異與世界其它地區(qū)的一個特點，就是氣候變化的影響主要不是表現(xiàn)在碳庫上，而是在氨氮等植物生長的基本要素上。微生物功能基因的變化，是這個現(xiàn)象的微觀機制。
記者走進清華大學環(huán)境學院專訪了楊云峰和他的團隊，聆聽一群求知者對這個領域探索的故事。
審時度勢，在“冷門”中尋求“熱點”
楊云鋒本科從中國科大畢業(yè)后即在美國繼續(xù)深造，在國外共做學術研究14年。在紐約讀博期間，他主要做癌癥方向的醫(yī)學微生物研究。雖小有成就但似乎沒有激發(fā)起他內心最大的熱情。
改變現(xiàn)狀，尋找自己真正感興趣而且相信的方向！當時的楊云鋒思考著這樣一個問題。
繼續(xù)選擇原“熱門”方向，就需要和全球許多學者搶時間，搶成果，搶機遇。即使有一定成果，還會有與他人成果重復，經費不足，論文發(fā)表困難等風險，整體競爭壓力大，反而抑制了研究的“健康”進行。
相反，選擇相對“冷門”的方向具有一定的優(yōu)勢。因為“冷門”領域關注較少，進而未解決的問題較多；各方面競爭壓力小，便于真正開展創(chuàng)新性研究。
楊云鋒在經過深思熟慮后，終于決定博士畢業(yè)后改變自己的研究方向——從醫(yī)學微生物轉到了環(huán)境微生物，從“熱門”跳到“冷門”。而隨著全球環(huán)境問題不斷，環(huán)境保護成為國際話題，環(huán)境微生物研究逐漸受到關注。明智的選擇讓楊云鋒較早地跨入了這個主流領域，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)境基因組學技術等來研究在全球變化的條件下，環(huán)境微生物的響應以及全球變化對微生物功能的影響。簡單地說，就是研究微生物對全球變化的反饋機制。
針對一個大領域，要選擇怎樣一個切入點進行研究？這又是楊云鋒需要思考的下一個問題。
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型。由于過度放牧和全球暖化等因素的影響，近年來，青藏高原草原出現(xiàn)了明顯的變化。因此有必要對其可持續(xù)性發(fā)展做相關研究。同時，青藏高原上動植物、微生物等種類豐富，而針對微生物的研究不多。楊云鋒看到了青藏高原的價值，于是他又一次準確地選擇了具體的研究對象。
知人善用，發(fā)揮團隊最大能動性
2010年，一直期待回國發(fā)展的楊云鋒在留美十多年之后回到祖國，在清華大學環(huán)境學院創(chuàng)辦環(huán)境基因組學團隊。國家、學校和學院對他的工作給予了大力的支持，提供了良好的條件和資源，這也堅定了楊云鋒的在科研方面大膽開拓的信念。雖是新來乍到，卻也有一種強烈的歸屬感。
在這里他開始帶著一群學生開始關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伍。
“在研究生面試時，您會選擇怎樣的學生加入您的團隊呢？”
“不同的工作需要不一樣的學生，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)看問題，因此要的是喜歡鉆研，有好奇心，愿意思考的學生。”總之，不同特點和長處的學生在一起，可以各司其職，人盡其才，讓整個團隊發(fā)揮最大的作用。
這樣一個多樣化的團隊總會產生很多故事，在研究過程中，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級博士生高瑩介紹整個組每周都會開組會，每個人輪流用英語講；平時也隨時討論，有問題即刻解決不拖沓；每周要寫報告匯報工作情況。“我們每一天節(jié)奏很緊湊，工作多，因此團隊里從老師到學生每個人都很勤奮和努力，基本每天都有十幾個小時的科研時間。”她還提到，不僅和身邊的同學經常探討，和老師也經常交流。有一段時間她做實驗，一直不能實現(xiàn)預期的目標，楊老師就陪她在實驗室重做實驗，最后終于發(fā)現(xiàn)是實驗設計的問題。
楊云鋒在和學生共同工作中也有不少難忘的經歷。他提到一次帶學生去青海海北站取研究樣本令人記憶深刻。第一次去西藏，親身體會到了那里艱苦的環(huán)境，吃住條件都非常不好，3個人一起一周居然才花了70元。但是他回憶，雖然他和學生都覺得那幾天很苦，但是他們也感受了科研精神的力量，因為在那里他們看到長期駐留的研究者為了取樣，可能要一天24小時都在工作，或者在野外考察，時刻面對高山上隱藏的陷阱等等。
廢寢忘食，偵破“案情”，還原“故事”
這次關于青藏高原草原微生物功能多樣性的課題真正開始于楊云鋒回國之前。在國外，他通過合作者提供的樣品進行了一系列實驗，比如測試微生物在基因層面上調控碳、氮循環(huán)的機制等。最終這些實驗結果通過數(shù)字的變化呈現(xiàn)，而如何把這些數(shù)字用最優(yōu)地形式表達出來，并讓人信服則是這項課題最重要也最關鍵的一步。回國時，楊云鋒帶回來了一張包括幾十萬個數(shù)據(jù)的excel表，并指導高瑩開始分析。
處理海量的數(shù)據(jù)，需要的不僅是技術和耐心，還需要有如破案的敏銳度。“整個過程需要大量的統(tǒng)計知識和復雜的數(shù)學計算，最難的是把這些數(shù)字轉化成一個證據(jù)確鑿的故事。”楊云鋒用這樣的語言來形容：我們是偵探，來到了一個兇案現(xiàn)場，看到的是一堆遺跡，如刀、血跡、凌亂的物品……從這些線索中回推還原當時的情況，推斷整個案情發(fā)生的過程。很多時候需要猜測，而且會還原好幾個故事，甚至由于現(xiàn)場不可逆性而無法判斷哪個才是真相。由于氣候變化快，所有的采集的數(shù)據(jù)也是不可逆轉的，所以在對數(shù)據(jù)結果進行確立和判斷時，要參考前人的成果，并作出明智的決策判斷。楊云鋒也對此有著自己的信心，“我們的優(yōu)勢是判斷力強，見多識廣，靈感多。”
“我喜歡這種狀態(tài)，茶不思飯不想，最后豁然開朗的感覺。這種對好奇心的滿足是任何財富都替代不了的。”楊云鋒希望自己的學生也能有這樣的好奇心。因為故事的“難以復原”，學生一定要有自主的創(chuàng)新性，而且喜歡琢磨，腦子一直在運轉，吃飯洗澡都在思考。
而高瑩面對具體的數(shù)據(jù)時又是怎樣的情況呢？
她剛進入課題組時面對這一堆數(shù)據(jù)，無論是專業(yè)知識還是數(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)狀并沒有打垮她，她通過書籍、資料、身邊的老師同學，一步一步摸索，漸漸找到了研究的方法。最先要做的是對幾種數(shù)據(jù)前處理方法進行對比分析，每種方法得到的結果有差異，但各有其生態(tài)學意義，找準綜合較好的前處理方法是第一步。隨后是進一步分析每一個基因的碳氮循環(huán)等過程，并用圖表將其表征出來。
慢慢地她找到了楊老師所描述的科研的快樂，邊學邊做，數(shù)據(jù)處理、尋找規(guī)律、編寫故事，很多的靈感也在一邊寫文章一邊看論文中產生。
“這個論文過程很長，處理數(shù)據(jù)用了一年，寫文章，改文章又花了一年。”她總結，“面對拒稿不能泄氣，苛刻的評審們在幫助你找新的思路。一定要堅持住，并不斷完善自己構思。”
“研以致用”，開辟微生物研究新路
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)計學上有顯著意義的結果，它們從定性和定量兩個角度清楚地表明了研究成果。
歸納地說，楊云鋒課題組主要關注了兩方面的問題：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，有助于人類對微生物資源進行保護和開發(fā)以及調控自然界的溫室氣體排放，維持環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。
當然，這些研究的應用價值目前并不明顯，還需要進行大量的工作。楊云鋒也提到這次的論文只是他們整個綜合項目中的一篇，他們也會陸續(xù)開展系列研究。課題組現(xiàn)在自己采樣，做實驗，主要實驗包括對微生物DNA提取，測序，獲得基因信息；測定溫室氣體通量等。這些工作將豐富環(huán)境微生物領域的研究基礎，對宏觀現(xiàn)象給予解釋，并為國家的決策提供一定的參考依據(jù)。
森林、草原、農田等生態(tài)系統(tǒng)排放出來的溫室氣體，是全球溫室氣體排放的重要構成。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，我國利用微生物實現(xiàn)低碳減排的應用、微生物資源保護已經起步，比如抑制草原、農田等生態(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所用，并促進人類的發(fā)展。”楊云鋒提出了自己的期待。
同時他也希望，“青年學生應該避免功利心，而是堅持自己的興趣和夢想。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2月8日電）
編輯：襄樺
