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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，分類系統不斷被改寫。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系非常疏遠，完全像是來自另外一個全新的生物域。相關論文發表于《公共科學圖書館·綜合》（PLoS One）。 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并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么位置，生物學家們需要在實驗室里培養它們，等有了足夠的DNA后再進行基因分析。但艾森表示，這里的問題是，這些物種的絕大部分，差不多占所有物種的99%，都沒法在實驗室里被培育。“它們就像是生物宇宙里的暗物質。”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，他和他的同事們采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里培養微生物，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里培養的難題。艾森表示，加上這種方法，無論是環境中采集的還是實驗室里培養的，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）中采集的海水樣品，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么生物。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么相互聯系的，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么生物體。 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年代后，科學家發現，所謂的“其他所有一切生物”并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，它里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。 【鏈接】沃斯創建“三域說” 美國微生物學家沃斯（Carl Woese）采用分子生物學的方法做基因關系比較。1977年，他將rRNA分子片段做出基因序列分析（這種方法后來被普遍采納），然后重新繪制了演化樹，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，但三域系統是目前生物界被大多數人認可的主流分類系統。 推薦原文出處： PLoS ONE 6(3): e18011. doi:10.1371/journal.pone.0018011 Stalking the Fourth Domain in Metagenomic Data: Searching for, Discovering, and Interpreting Novel, Deep Branches in Marker Gene Phylogenetic Trees Dongying Wu1, Martin Wu1,4, Aaron Halpern2,3, Douglas B. Rusch2,3, Shibu Yooseph2,3, Marvin Frazier2,3, J. Craig Venter2,3, Jonathan A. Eisen1* Background Most of our knowledge about the ancient evolutionary history of organisms has been derived from data associated with specific known organisms (i.e., organisms that we can study directly such as plants, metazoans, and culturable microbes). Recently, however, a new source of data for such studies has arrived: DNA sequence data generated directly from environmental samples. Such metagenomic data has enormous potential in a variety of areas including, as we argue here, in studies of very early events in the evolution of gene families and of species. Methodology/Principal Findings We designed and implemented new methods for analyzing metagenomic data and used them to search the Global Ocean Sampling (GOS) Expedition data set for novel lineages in three gene families commonly used in phylogenetic studies of known and unknown organisms: small subunit rRNA and the recA and rpoB superfamilies. Though the methods available could not accurately identify very deeply branched ss-rRNAs (largely due to difficulties in making robust sequence alignments for novel rRNA fragments), our analysis revealed the existence of multiple novel branches in the recA and rpoB gene families. Analysis of available sequence data likely from the same genomes as these novel recA and rpoB homologs was then used to further characterize the possible organismal source of the novel sequences. Conclusions/Significance Of the novel recA and rpoB homologs identified in the metagenomic data, some likely come from uncharacterized viruses while others may represent ancient paralogs not yet seen in any cultured organism. A third possibility is that some come from novel cellular lineages that are only distantly related to any organisms for which sequence data is currently available.1 If there exist any major, but so-far-undiscovered, deeply branching lineages in the tree of life, we suggest that methods such as those described herein currently offer the best way to search for them. |
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