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《PLoS综合》:科学家发现奇异基因序列或来自全新生物域

上一篇 / 下一篇  2011-03-29 17:09:34

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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
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  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。相关论文发表于《公共科学图书馆·综合》(PLoS One)。

  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。

  【链接】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。


B~v,DEZ0

TAG: 基因序列 科学家 全新生物域

 

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