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学术交流 海洋微生物新发现或将改写“演化树”
海洋微生物新发现或将改写“演化树”
沃斯的“三域说”是目前生物分类界的主流学说。
“科学坏小子”文特尔（左）参与了这次的研究项目。资料图片
在过去的近300年中，生物分类法从两界、三界一直被扩充到六界三域，分类系统不断被改写。然而，演化树的改写可能还会继续下去。美国加州大学基因中心和文特尔研究所对海洋水样本中的DNA序列分析的合作研究发现，地球上可能存在着三个域之外的生物。
外环境入手测DNA序列
这个发现十分惊人，其可能改写从上世纪90年代以来延续的主流生物分类学法。研究是加州大学戴维斯分校基因中心的艾森（Jonathan Eisen）领头所做。他与同事们提取了一部分海洋水样本中的DNA进行分析，发现这些样本基因序列十分不同寻常，和人们平时所知的细胞生物似乎关系非常疏远，完全像是来自另外一个全新的生物域。
基因分析是目前用来进行生物分类和判断的好工具。我们星球上大部分的物种并非日常所见的动植物，而是看上去像是一个个单一细胞的低等生物体，如果要判断它们在演化树上处于什么位置，生物学家们需要在实验室里培养它们，等有了足够的DNA后再进行基因分析。但艾森表示，这里的问题是，这些物种的绝大部分，差不多占所有物种的99%，都没法在实验室里被培育。“它们就像是生物宇宙里的暗物质。”他打了一个比方。
为了探寻生物的“暗物质”，艾森展开了和世界上最出名的私人基因研究所———文特尔研究所的合作。“坏小子”文特尔因支持基因谱私有化和“人造生命”等立场而成为世界上最受争议的科学家之一，但是他拥有的私人研究所的确是当前最强大的基因研究机构之一。对于这项探究“暗生物”的挑战，他和他的同事们采用了一种现在很前沿的研究方法，叫做“宏基因组学”（微生物环境基因组学）进行研究，传统的微生物基因序列分析需要在实验室里培养微生物，但用宏基因组学，可以直接从环境样品中提取全部微生物的DNA，那就可以避开有的微生物很难在实验室里培养的难题。艾森表示，加上这种方法，无论是环境中采集的还是实验室里培养的，现在没有DNA序列是测不出来的。
假设可能只是“错觉”
在此次研究中，艾森和文特尔提取了“全球海洋取样考察”（Global Ocean Sampling Expedition）中采集的海水样品，通过宏基因组学分析，发现其中有一些基因序列和此前所知的彻底不一样，无论如何也放不进现有的演化树中。
“问题是，它们是哪儿来的？”艾森说。目前还没有一个科学家能够解答得了，这些基因不知道到底是属于什么生物。不过，艾森表示，现在出现了两种假设，一种是这些基因序列来自一些很与众不同的病毒，而另一种假设则更为令人惊讶，这些神秘的基因序列或许代表着生命树上一个完全崭新未知的分支。
这个假设是十分大胆的，生物学界一些人表示激动，但也有一些人认为现在就谈生命的“第四维度”为时过早。如加拿大渥太华麦克马斯特大学的生物学家古普塔（Radhey Gupta）说，尽管这个发现很有意义，但还是得小心下结论才行，因为可能有更多的解释，比如，这些基因序列可能来自一些生活在独特的环境中的细胞生物，有的环境可能导致生物的基因发生迅速的演变，这就有可能给做基因分析的科学家带来错觉，以为这是在很早很早以前就和其他生物分家了的“新”的生命形式。
“现在生物是否分成三个域，或者这三个域之间的生物是怎么相互联系的，这些都还有着很大的分歧。”古普塔说，“如果再加上对第四个域的讨论，只会让人们更加困惑。”
不过，法国巴黎第六大学科学家巴普苔丝特（Eric Bapteste）的回应则更积极一点：“事实就是基因是非常多样的，而且毫无疑问其中的大部分我们都是未知的，要设想还有一个全新的生物域在那儿这也是合情合理的。”
演化树面临再次重写
研究接下来的一个工作就是要更进一步地确定这些序列的来源，将寻找这些基因到底是突然变异的还是从另一个奇怪的“维度”来的。对这些样本的进一步分析，还可以确定这些神秘的基因序列到底属于什么生物体。
假设艾森等人的进一步工作发现，这些基因序列的确是来自一个全新的生物域，那生物演化树将再次被推翻重写。
艾森介绍说，到上世纪90年代之前，演化树上只有两个分支：一个是真核生物，包括动物、植物、真菌和一些奇怪的生物形式，比如黏液菌；而没有被列入真核生物的，则被称为“其他所有一切生物”。随着基因分析技术的进步，上世纪90年代后，科学家发现，所谓的“其他所有一切生物”并不能笼统地归在一起，它事实上有两个完全不同的域：细菌和古菌。
即使这样，生物学家对演化树如何来画依旧是分歧多多，还有不少存在争议的生物，比如拟菌病毒，这是目前所知的最大的病毒之一，有人就认为其应该单独代表一个新的域，它里面带有很多在细胞生物中才有的基因，所以不应该看成是病毒。“如果你把这些拟菌病毒看成是第四个分支，那我们的序列或许代表着第五个分支，只不过现在我们都还不知道而已。”艾森说。
沃斯创建“三域说”
美国微生物学家沃斯（Carl Woese）采用分子生物学的方法做基因关系比较。1977年，他将rRNA分子片段做出基因序列分析（这种方法后来被普遍采纳），然后重新绘制了演化树，将我们日常所熟知的千姿百态的细胞生物形式如动物、植物、真菌等都归于演化树上同一个分支———真核生物。
此外，在沃斯之前，人们普遍把动植物和真菌等之外的其他生物都全部归于原核生物，相对于真核生物，原核生物一般没有细胞内膜，没有细胞核膜，但依然有遗传物质，而真核生物不管是单细胞还是多细胞，细胞内都含有细胞核。
上世纪90年代的时候，他正式提出了三域说，生物分类法中最高的类别不再是“界”，而是“域”，三个域分别是细菌域、古菌域和真核域。尽管还存在很多分歧，但三域系统是目前生物界被大多数人认可的主流分类系统。
