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这个星球我们和谁在一起?科学家画了这棵“生命树”

Carl Zimmer2016-04-16 16:48:40

生命树上占据主要地位的生物,都是科学家们从来没有发现或在实验室中培养出来过的物种。

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载*

周一,一个科学研究小组发布了新的生命树状图,描绘了所有生物的进化过程。研究人员发现,生命树大部分树枝都由细菌构成。他们还发现,这些形形色色物种中的大多数一直就在我们眼皮底下,它们存在于河泥中、草甸土里,等待着我们去发现。

国家生物技术信息中心的尤金·V·库宁(Eugene V. Koonin)并没有参与这项研究,但他说:“这是一项重大发现,它揭示了生命形式的新大陆。”

这项研究结果发表在了《自然微生物》《Nature Microbiology》杂志上。

查尔斯·达尔文在他 1859 年的著作《物种起源》中,将进化设想成了一棵有很多树枝的大树。 他说:“生命大树将其枯萎或折断的树枝深埋地底,而展露在外的是其无限延伸的美丽枝桠。”

自此以后,生物学家都力图绘制出生命树。DNA 测序方法的发明彻底改变了这一工程,因为科学家可以发现不同物种之间基因里存在的关系。

1970 年代,美国伊利诺斯大学的卡尔·乌斯(Carl Woese)和他的同事们发表了基于这种方法的第一份“通用生命树”。他们的生命树有三个主要枝干。

我们人类自己这一支被称为真核生物,还包括动物、植物、真菌和原生动物。第二类分支包括许多常见的细菌,比如大肠杆菌。

乌斯和他的同事们定义的第三支包括了一些鲜为人知的、存在于极端环境(比如温泉和无氧湿地)中的微生物。 乌斯和他的同事称第三支为古生菌。

研究人员本周发布的新的生命树表明,很多地球生物多样性源自位于树顶部的细菌,其中有一半包括仍然在等待我们去发现的“潜在门类辐射”(candidate phyla radiation)。人类则处在真核生物分支的最底部。图片版权:加州大学伯克利分校/Jill Banfield,滑铁卢大学/Laura Hug

科学家们一直尝试在生命树上添加新物种,但他们面临着一个艰巨的挑战:对于绝大多数单细胞有机体,他们不知道如何在实验室里将其培养出来。

一些研究人员已经研发出一种方法来解决这一问题,那就是从生态环境中提取 DNA 片段,并将它们拼凑在一起。

近年来,美国加州大学伯克利分校的吉利恩·F·班菲尔德(Jillian F. Banfield)和她的同事们已经从许多生态环境中(比如加州草甸中和深海热液喷口里)提取出了 DNA。他们已经合成了包含有数百种新微生物的基因组。

科学家们忙于重建新的基因组,以至于都不知道该如何将这些物种加入生命树。 班菲尔德博士说:“我们从来没有真正地从宏观层面考虑过这个问题。”

最近,班菲尔德博士和她的同事们决定,是时候重新绘制生命树了。

他们选择了 3000 余种物种进行研究,汇集了多种生物多样性的代表性样本。 “我们希望能够做到尽可能地全面,”新研究的参与者、加拿大滑铁卢大学的生物学家劳拉·A·于格说。

研究人员研究了 2072 类已知物种的 DNA,同时研究了 1011 种班菲尔德博士和她的同事们新近发现物种的 DNA。

科学家们需要用一台超级计算机来评估可能存在的大量生命树图谱。最终,他们发现了一份证据最为充分的生命树图表。

这是一件震撼人心的事情。所有真核生物,如人类、花朵及变形虫都挤在一条细长的枝桠上。这项新的研究为以前的研究结果提供了新的证据:真核生物和古生菌有着密切的关系,只是一大批细菌群掩盖了这种关系。

值得注意的是,科学家们并不需要去极端环境寻找大多数的新物种。 “草甸土是地球上最复杂的微生物环境之一,”于格博士说。

生命树的另一项新特点,是它在树根附近出现了一枝大的分支。该群组中的细菌通常很小,并且能进行简单的新陈代谢。

班菲尔德博士推测,他们已经开始了发现位于生命长河源头的简单生命形式的道路——这也是他们过去一直在想办法寻找的关键所在。

“这也许是一个早期进化群组,”班菲尔德博士说。“很长一段时间以来,它一直比其他同类进化得更快。”

拉斯维加斯内华达大学微生物学家布赖恩·P·赫德伦(Brian P. Hedlund)没有参与这项新研究,但他指出这项研究有一项重要的结果:生命树上占据主要地位的生物,都是科学家们从来没有发现或在实验室中培养出来过的物种。 他说:“大部分的生物就藏在我们的眼皮底下。”

法国巴斯德研究所的进化生物学家帕特里克·福泰尔(Patrick Forterre)认为,细菌可能是构成生命生物多样性的主要物种。但他对班菲尔德博士和她的同事构建生命树的方法有一点异议。他认为,用 DNA 片段组装基因组,实际上可能只会形成来自不同物种基因的嵌合体。他说:“这是一个值得我们研究的大问题。”

班菲尔德博士预测,生命树上的细菌分支在今后几年内可能并不会有太大变化。 她说:“我们会开始反复看到相同的东西。”

而班菲尔德博士表示,她期待能够发现真核生物的新分支,特别是像微细真菌这样的微小物种。 “我认为下一个大的进展可能会出现在这一领域,”班菲尔德博士说。

于格博士则不认为科学家对细菌的研究已经结束。 她说:“我不太相信我们已经到了平台期,因为还有很多生态环境需要我们去研究。”

翻译 熊猫译社 曾丹

题图来自 now.howstuffworks.com

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