有证据表明,生物学家对地球生物多样性的认识存在严重不足
生物,如凯撒当年征服的高卢,被一分为三。地球上有生命的万物都归于目前已知被统称为“域”的三大群组。“域”之下则沿用生物学家林奈的动植物分类法,将生物逐级分类为界,门,纲,目,科,属和种。
我们最熟悉的域是真核生物,尽管有人认为这并非整个地球生物圈中最重要的部分。真核生物域包括动物、植物、真菌,以及大量的单细胞生物,它们都有由线性染色体组成的复杂细胞核。
第二域是细菌域,虽是我们熟知的疾病传播媒介,但从生态学角度看,它们却至关重要。一些细菌依靠死亡的有机物质生存;一些细菌能氧化矿物质,还有一些细菌起光合作用,产生地球上约四分之一的氧气。细菌没有复杂的细胞核,以浮动于它们细胞内的DNA链传送基因。
生物的第三域:古生菌,在显微镜下看起来很像细菌。正因如此,其独特之处到上世纪七十年代才被人类发现。古生菌的生化特征和细菌的生化特征明显不同,比如古生菌是唯一将甲烷作为代谢产物释放出来的生物体,而且它们的发展历史似乎可以追溯到数十亿年前。
仅此而已吗?就像生物学家们因研究工具使用不当,使得古生菌被埋没了多年才被发现一样,生物中是否还有其他的“域”隐身其中?最近,加州大学戴维斯分校的乔纳森·埃森(Jonathan Eisen)教授和他的研究小组便提出这一问题。在《公共科学图书馆》杂志上发表的论文中,他们给出的分析认为,地球上除了已知的三个域之外,可能至少还存在一个不为人知的生物域。
文特尔的环球科考
研究的数据来源于2003到2007年之间,史上科学成果最丰富的长假之一。克雷格·文特尔(Craig Venter)驾驶他的 “魔法师二号” 游艇环游世界,考察大西洋、太平洋和印度洋中微生物群体的多样性。
2002年,文特尔被塞莱拉基因组公司解聘后一直闷闷不乐,想东山再起。该公司是1998年文特尔协助创建,旨在比人类基因组计划更快更准确地对人类基因组进行排序,这个目标最终获得成功。接下来,他更宏伟的目标是准备将此技术商业化,而结果却与赞助投资商的预期相去甚远。文特尔博士因此有了不少空闲时间。
文特尔在塞莱拉公司完成基因测序工作的应用软件称作“霰弹测序法”。这一方法先是将一个基因组分成无数细微片段,小到可以用仪器进行测序处理,再用计算机程序将有相同末端序列的片段重新整合拼接起来,从而完成整个基因组序列。他认为,从原则上来说,对于不同生物体的混合DNA排序可以应用这一技术。一项好的程序只能组合同类生物的DNA片段。用他的新方法不需要做培养,就可以观察样本中存活的生物体。由于绝大多数的微生物(有估计称达97%)无法在实验室里培养出来,文特尔的想法是个金点子。
这一被称为宏基因组学的新技术已极大地拓展了我们以往对生活在海洋以及其他地方,比如温泉或者动物内脏生物种类的了解。但这还并非完美。实际上,很多时候呈现出来的都是基因组的片段,而不是完整的拼接组合。不过,能够识别出以往未知的个体基因,已经相当成功了。
生物第四域
埃森博士开始整理海洋取样中所收集到的数据,试图找到过去被证明能区别细菌、古生菌和真核生物的基因新排列,来探索除了已知的三大域外,是否存在其他的生物域。不久,埃森发现了两种分别称作RecA和RpoB的基因:RecA基因与DNA再合成有关;RpoB则参与DNA与RNA的转化过程。与核糖体RNA一样,这两种基因由来已久,普遍存在。当他描绘生命演化树形图,追踪航行中收集到的所有RecA和RpoB基因之间的演变关系时,发现树形图的某些部分与公共基因数据库中已知的基因模式并不一致。
但是,部分新的分支和已知的分支非常相似,被人们认为是已知的未知物。但RecA和RpoB各有一个未知的分支。这些分支都不符合现有已知的生命树形图,这成了一个谜团。可能它们属于某种目前尚不知特征的病毒(对于病毒是否有生命未达成共识,林奈分类法中便没有包括病毒),或者可能它们属于第四个生物域。无论如何,这都表明生物学家们对世界的了解还存在严重不足。问题是,这一缺陷是否带来横向及纵向的深远影响?这一新的群组是否是生物圈中重要的组成部分?
对于这些问题目前很难有所定论。相关的基因在宏基因组学分析中仍然罕见,因此携带这些基因的生物数量可能并不多。再者,这些生物有可能太小,用一般从水里分离生物进行分析的过滤器无法获取。
说到重要性,古生菌刚被发现的时候,被人们认为无关紧要,但它们能够释放甲烷的属性现在已经是人类用来计算气候变化的一个指标。如果真的有第四“域”,肯定也已存在了几十亿年,有其研究价值之所在。真相究竟如何,我们将拭目以待。
资料来源 The Economist
责任编辑 彦 隐
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更 正
本刊今年第5期刊发的“同行评议:Twitter的尝试”一文,译者应为王键,特此更正。