海洋微生物新發現或將改寫生物界“演化樹”

2011年03月27日 07:39:37 　來源： 新京報

在過去的近300年中，生物分類法從兩界、三界一直被擴充到六界三域，分類係統不斷被改寫。然而，演化樹的改寫可能還會繼續下去。美國加州大學基因中心和文特爾研究所對海洋水樣本中的DNA序列分析的合作研究發現，地球上可能存在著三個域之外的生物。

外環境入手測DNA序列

這個發現十分驚人，其可能改寫從上世紀90年代以來延續的主流生物分類學法。研究是加州大學戴維斯分校基因中心的艾森（Jonathan Eisen）領頭所做。他與同事們提取了一部分海洋水樣本中的DNA進行分析，發現這些樣本基因序列十分不同尋常，和人們平時所知的細胞生物似乎關係非常疏遠，完全像是來自另外一個全新的生物域。

基因分析是目前用來進行生物分類和判斷的好工具。我們星球上大部分的物種並非日常所見的動植物，而是看上去像是一個個單一細胞的低等生物體，如果要判斷它們在演化樹上處于什麼位置，生物學家們需要在實驗室裏培養它們，等有了足夠的DNA後再進行基因分析。但艾森表示，這裏的問題是，這些物種的絕大部分，差不多佔所有物種的99%，都沒法在實驗室裏被培育。“它們就像是生物宇宙裏的暗物質。”他打了一個比方。

為了探尋生物的“暗物質”，艾森展開了和世界上最出名的私人基因研究所———文特爾研究所的合作。“壞小子”文特爾因支持基因譜私有化和“人造生命”等立場而成為世界上最受爭議的科學家之一，但是他擁有的私人研究所的確是當前最強大的基因研究機構之一。對于這項探究“暗生物”的挑戰，他和他的同事們採用了一種現在很前沿的研究方法，叫做“宏基因組學”（微生物環境基因組學）進行研究，傳統的微生物基因序列分析需要在實驗室裏培養微生物，但用宏基因組學，可以直接從環境樣品中提取全部微生物的DNA，那就可以避開有的微生物很難在實驗室裏培養的難題。艾森表示，加上這種方法，無論是環境中採集的還是實驗室裏培養的，現在沒有DNA序列是測不出來的。

假設可能只是“錯覺”

在此次研究中，艾森和文特爾提取了“全球海洋取樣考察”（Global Ocean Sampling Expedition）中採集的海水樣品，通過宏基因組學分析，發現其中有一些基因序列和此前所知的徹底不一樣，無論如何也放不進現有的演化樹中。

“問題是，它們是哪兒來的？”艾森說。目前還沒有一個科學家能夠解答得了，這些基因不知道到底是屬于什麼生物。不過，艾森表示，現在出現了兩種假設，一種是這些基因序列來自一些很與眾不同的病毒，而另一種假設則更為令人驚訝，這些神秘的基因序列或許代表著生命樹上一個完全嶄新未知的分支。

這個假設是十分大膽的，生物學界一些人表示激動，但也有一些人認為現在就談生命的“第四維度”為時過早。如加拿大渥太華麥克馬斯特大學的生物學家古普塔（Radhey Gupta）說，盡管這個發現很有意義，但還是得小心下結論才行，因為可能有更多的解釋，比如，這些基因序列可能來自一些生活在獨特的環境中的細胞生物，有的環境可能導致生物的基因發生迅速的演變，這就有可能給做基因分析的科學家帶來錯覺，以為這是在很早很早以前就和其他生物分家了的“新”的生命形式。

“現在生物是否分成三個域，或者這三個域之間的生物是怎麼相互聯係的，這些都還有著很大的分歧。”古普塔說，“如果再加上對第四個域的討論，只會讓人們更加困惑。”

不過，法國巴黎第六大學科學家巴普苔絲特（Eric Bapteste）的回應則更積極一點：“事實就是基因是非常多樣的，而且毫無疑問其中的大部分我們都是未知的，要設想還有一個全新的生物域在那兒這也是合情合理的。”

演化樹面臨再次重寫

研究接下來的一個工作就是要更進一步地確定這些序列的來源，將尋找這些基因到底是突然變異的還是從另一個奇怪的“維度”來的。對這些樣本的進一步分析，還可以確定這些神秘的基因序列到底屬于什麼生物體。

假設艾森等人的進一步工作發現，這些基因序列的確是來自一個全新的生物域，那生物演化樹將再次被推翻重寫。

艾森介紹說，到上世紀90年代之前，演化樹上只有兩個分支：一個是真核生物，包括動物、植物、真菌和一些奇怪的生物形式，比如黏液菌；而沒有被列入真核生物的，則被稱為“其他所有一切生物”。隨著基因分析技術的進步，上世紀90年代後，科學家發現，所謂的“其他所有一切生物”並不能籠統地歸在一起，它事實上有兩個完全不同的域：細菌和古菌。

即使這樣，生物學家對演化樹如何來畫依舊是分歧多多，還有不少存在爭議的生物，比如擬菌病毒，這是目前所知的最大的病毒之一，有人就認為其應該單獨代表一個新的域，它裏面帶有很多在細胞生物中才有的基因，所以不應該看成是病毒。“如果你把這些擬菌病毒看成是第四個分支，那我們的序列或許代表著第五個分支，只不過現在我們都還不知道而已。”艾森說。

沃斯創建“三域說”

美國微生物學家沃斯（Carl Woese）採用分子生物學的方法做基因關係比較。1977年，他將rRNA分子片段做出基因序列分析（這種方法後來被普遍採納），然後重新繪制了演化樹，將我們日常所熟知的千姿百態的細胞生物形式如動物、植物、真菌等都歸于演化樹上同一個分支———真核生物。

此外，在沃斯之前，人們普遍把動植物和真菌等之外的其他生物都全部歸于原核生物，相對于真核生物，原核生物一般沒有細胞內膜，沒有細胞核膜，但依然有遺傳物質，而真核生物不管是單細胞還是多細胞，細胞內都含有細胞核。

上世紀90年代的時候，他正式提出了三域說，生物分類法中最高的類別不再是“界”，而是“域”，三個域分別是細菌域、古菌域和真核域。盡管還存在很多分歧，但三域係統是目前生物界被大多數人認可的主流分類係統。

編譯/本報記者 金煜