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《科学画报》编辑

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什么是第四域生物?

2016-05-10 15:42:00
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文/王璐路

 

  一滴海水里究竟能有多少种生物?这个看似简单的问题会难倒世界上最有名的生物学家,因为海水中有许多人类尚未发现的微生物。按照生物学界的“三域分类法”,生物学家把地球上已知的生物分为3个大的类别,它们分别是细菌、古菌和真核生物。然而,最近的一些研究表明,海水中可能隐藏着比病毒大而比细菌小的第四域生物

  最初,人类认为自然界只存在植物和动物两种生物。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。所谓三域,分别是细菌域、古菌域和真核域。真核域又包括四界,分别是真菌界、原生生物界、植物界和动物界。然而,演化树的改写可能还会继续下去。美国加利福尼亚州大学戴维斯分校基因研究中心的乔纳森·艾森教授发现,某些采自海水中的生物样本的基因序列与我们目前已知的基因序列完全不同,地球上可能存在着三域之外的第四域生物

  地球上大多数物种看起来像差异不大的单细胞。想要认定某物种在生物进化方面的价值,必须先在实验室培育该物种,以获得足够的DNA作遗传分析。但是,大多数的物种很难在实验室培育成功。艾森说:“如同太空中的暗物质一样,海水中的一些生物就像生物世界中的暗生物。它们大量存在着,却很难观察到。” 

  最近8年来,艾森一直在搜集来自全世界各大洋的海水样本。为了探寻这些用常规方法难以观察到的“暗生物”,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。他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,但是用宏基因组学中的高通量测序手段,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。

  在一些微生物体内存在两类基因:RecA 和 RpoB,RecA参与DNA再合成,RpoB参与DNA转化为RNA的过程。艾森在对海水样本的研究中发现了这两类基因的一些片段,其基因序列不同于目前已知的任何一种基因序列。这些基因序列在整个宏基因组分析中十分稀少,所以携带该基因的生物数量可能不够多。

     面对新发现的基因序列,艾森显得有些迷惑。他说:“目前,我不能确定这些基因序列的归属。我猜想它们可能属于一种罕见的病毒。还有一种可能性,它们属于某种非病毒微生物。如果真是如此的话,生物家族就会出现一个新域,那就是一些科学家在寻找的第四域生物。”如果不明生物属于第四域,那些它们很可能是一类比病毒大而比细菌小的生物。如此微小的生物不容易被实验室中的过滤器捕捉到。

  这一大胆的推想引发了生物学家的热烈讨论。加拿大麦克马斯特大学的吉普塔说这一发现令人振奋,但是要注意可能还有别的阐释。这种基因序列可能源自生存在独特环境中的细胞有机体,独特的环境促使基因迅速进化,给我们造成它们在很久之前就已经在“进化树”上隶属于第四域生物的错觉。法国巴黎第六大学的艾瑞克认为,进一步的研究应该分析这一奇特的基因序列是否由快速进化所致,或者是否来自携带奇异基因组的已知微生物。

  如果艾森发现的基因序列确实属于第四域生物,那么这就不是第一次对已有的生物分界学说进行修正了。其实,直到20世纪90年代,人们还认为生物家族只有原核生物和真核生物两个域,后来科学家才发现古菌和细菌差异较大,应该分属不同的域。多年来,人们也在争论病毒是不是生物。有人认为,至少目前已知最大的病毒——拟菌病毒应该算是生物。艾森说:“假如病毒是第四域生物,那么我们新发现的生物很可能就属于第五域。” 

  或许有人认为这种不明微生物无关紧要。古菌在最开始被认定为自成一域时,也被视为无关紧要。但是,它们释放甲烷的特性现在已被纳入气候变化的考察因素。如果新的生物域属实,那么它存在已达几十亿年之久,因此必有值得研究的地方。至于它们的具体价值,让我们拭目以待吧。

    

 

——选自《科学画报》


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