地球上的微生物(不包括病毒)被分成细菌和古细菌两类。如果翻开反映地球上所有生物谱系的“生命树”,你会发现,微生物构成了生命树上的绝大多数物种,植物和动物只占少数几个分支。
但迄今,我们只研究了微生物中的很小一部分。这是因为只有不到10%的微生物可在实验室环境中生长,其余都只能在自然环境中——不管是奶牛的肠道还是深海的热液喷口——生存。研究人员将这些迄今未知的微生物称作“生物的'暗物质’”。
然而,一项被称为“宏基因组学”的技术正把它们带到日光下。宏基因组学涉及对一个样品中的所有DNA(称作宏基因组)进行测序。由于测序之前,要先打碎一个个细胞,让里面的DNA逸出来,而在做这样处理时,完整的DNA通常会断裂成很多片段,所以测序完,当这些DNA片段的代码都储存在计算机上之后,接下去还要将这些代码拼接起来(注:不是对DNA片段本身进行拼接)。
拼接的方法是这样:因为样品中同一种微生物的个体往往有很多个,同样的DNA也就不止一条,所以现在只是断裂点不同而已。譬如,甲乙是同一种微生物、但分属不同个体的DNA片段。甲在A处断裂,B处完好;而乙则A处完好,B处断裂。那么拼接时,在A处参考乙,在B处参考甲;如果片段不止两个,依此类推;这样就能恢复出一条完整的DNA序列来。
这就像从一堆打乱的拼图块中,逐一挑选出合适的图块,拼接在一起,恢复出一个个有意义的拼图——当然,这一切都是在计算机上完成的。
一个澳大利亚研究小组最近就在做这件事情。他们分析了1500多个样品中所包含的宏基因组。这些样品采集自土壤、海洋、工业废水和狒狒的粪便。
利用大型计算机,研究人员重建出7280种细菌和623种古细菌的基因组。其中大约有三分之一是首次发现的新物种。
新发现的物种为生命树增添了20个门类。你可不要小觑这件事情。要知道在地球上,所有形态迥异的数百万种昆虫,都只属于一个门;而全部的脊椎动物,从鱼到人,也都只属于一个门。现在增加20个门,相当于一下子开辟了一片新天地。
这项研究让我们知道了这些生物“暗物质”是什么,接下去需要弄清楚它们的生活方式,以及人类如何能从中受益。
要搞清楚它们的生活方式,一种办法是在它们中寻找与已知微生物相类似的基因。譬如说,研究人员在很多新物种中,发现了一个看起来类似负责甲烷代谢的基因,于是一个合理的推测是,它们是通过代谢甲烷生存的。不过,因为许多基因组与迄今已知的全然不同,所以要弄清楚还需要花更多的时间。
微生物是抗生素的重要来源,在工业和废物处理上也有着广泛的应用:例如制造燃料和化学品,或者分解废弃塑料。我们对微生物的多样性掌握得越多,越能在它们中找到有用的东西。这是这项工作的意义所在。
生命树的扩充,也将为研究地球生命的进化提供线索。
另一个紧要的任务是,弄清楚地球上还有多少种微生物是迄今不为人知的。先前的研究估计,地球上总计约有1万亿种微生物,其中98%尚未被发现。但研究人员现在认为,1万亿这个数字可能被低估了,因为他们发现,以现有的估计手段,很容易错过许多微生物。此外,自然界中存在着那么多极端的、尚未被人探索过的环境,里面生活的微生物有很多肯定也属于全新的物种。
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