【推荐】分子进化和菌分类

小****1

细菌是地球上最成功的物种，它们已经在地球上繁衍了30多亿年，它们为后来出现的“高等”动植物塑造了生存环境。无论千差万别的土壤、海洋、大气、还是高温的海底火山口，高盐碱的滩涂。南北极冰下的严寒水域，细菌无处不在．它们构成地球上“活物”质量的一半或更多，即使人类把环境破坏到子孙后代无以为继，细菌们还会愉快地生活成十上百亿年。

    可是人类对细菌的了解却极其有限。1683年荷兰人列文胡克(Antoine
VanLeeuwenhoek)在自制的显微镜下第一次看见的奇怪的小东西，90年以后才被证实为一类生物。人们认识周围事物总是从命名和分类开始。细菌的分类多年来却是一笔糊涂帐。这可以从著名的《伯杰细菌鉴定手册》的更新发展看出。这本1923年初版的手册，到1994年发行第9版。此书前言中多次申明，它不是细菌分类的参照，而只是帮助人们辨认在环境、临床等实践中遇到的细菌，是否属于已知或接近已知菌株。

    细菌分类的困难在于可以依据的形态特征十分有限。显微镜下呈现球状的叫球菌、双球菌，链球菌、葡萄球菌；棒条状的是杆菌。分枝杆菌、弯曲菌，螺旋菌等。可以在显微镜下试用染料加色，这是丹麦细菌学家革兰(Hans C．Gram)在1829年发明的办法。着色的称为革兰氏阳性菌，不着色的是革兰氏阴性菌。这些词儿已经上了市售抗菌素的说明书。更深刻一些的做法，是观察细菌的生活方式，这里有固氮，脱硫，光合，厌气、嗜血，产甲烷等诸多区分。然而，这些表型特征在多大程度上反映了细菌们的进化过程和现存菌种的亲缘关系？

    地球上所有现存物种源于一个原始的共同祖先，达尔文的这一思想表述在1859年出版的《物种起源》的最后一页上。这本书里唯一的插图，是从一个物种分化出许多物种的示意，很像现代进化生物学中的亲缘发生树。在借助表型特征对物种进行分类的年代里，这类树图是概括研究结果的重要手段。1965年泡灵(L．Pauling)等指出，既然不同物种中功能类似的“同源”蛋白质来自同一祖先，比较它们的氨基酸序列可能揭示进化的历史。于是分子进化的研究从此开始。不过最初的工作多是比较单种蛋白质序列，阐明某些高等动植物的亲缘关系，后来发展到也利用核酸序列探究亲缘关系。

    任何细胞要保持生命活动，都必须不断合成所需蛋白质。根据核酸中的编码信息，合成蛋白质的生物化学工厂称为核糖体。一个大肠杆菌大约有两万个核糖体。核糖体本身又由几十条蛋白质和3条核酸分子组成，分成大小两个“亚基”。它们大约2/3的重量是核酸分子1／3是蛋白质。细菌核糖体小亚基的骨架是一条称为16S rRNA的核酸分子。1970年代后期，美国伊利偌大学的沃斯(CarlR．Woese)及合作者，建议把核糖体小亚基的核酸序列当作分子钟，从中提取进化信息。按照这一思路进行的分子进化研究，取得了很大成功。特别是发现原来统称为细菌的微生物，应当分成真细菌和古细菌两个大组。它们同具备细胞核的真核生物(从酵母到人都是真核生物)一起，形成生物的三个“超界”。三界论在经历长期争议和检验后，现在已经是许多生物学家的共识。细菌分类从此有了自己的分子基础，基于核糖体小亚基rRNA的细菌亲缘树被许多人视为标准的“生命之树”。

    同细菌的分子亲缘分析的进展相适应，1980年代从前面提到的《伯杰细菌鉴定手册》序列，分出来专门反应分类的《伯杰细菌系统手册》。它的第一版共4卷在1989年出齐。到了新世纪，《鉴定手册》还没有更新，却开始出版《系统手册》的第2版。计划中的5卷，虽只有第1卷问世，但在互联网上有一个可供下载的、对应《系统手册》的分类大纲，每年更新一次。这是由细菌基因组测序的迅速发展所促成的。

    从1977年发明DNA的自动测序方法直到1995年之前，虽然测定了不少“完全”基因组，但都是病毒和噬菌体，即较小的寄生生物的DNA。1995年发表了两个***生活的细菌的完全基因组，从此细菌基因组的数目逐年增加。人们曾经期望，完全基因组的数据会为生命之树提供更多支持，阐明一些新的细节和分支，并对改正原有的分类有所启示。然而1998和1999年相继发表的两种极端嗜热的细菌基因组，却引发了关于基因横向转移的热烈争论。原来细菌学家们有一切理由，把这两个细菌归入真细菌，然而在基于某些保守基因的亲缘树上，它们却顽强地要混入古细菌的大枝。一年之内美国《科学》杂志对生命之树的评论用语，从“动摇”变成“拔根”。有人真写了文章，要把生命之树“连根拔掉”。情形是否如此悲观?基因组数据中究竟有没有进化信息?如何利用完全基因组构建亲缘关系，成了迫切`的科学问题。

    传统的构树方法，都要依赖同源基因或蛋白质序列的“联配”，即通过把多个序列尽量对齐，来计算它们的相似或相异性。这样的策略很难用于细菌的完全基因组，因为它们的基因组大小、基因数目和排列顺序相差悬殊。必须寻求不做序列联配，但又利用完全基因组数据的全新的构树方法。我国科学工作者经过5年努力，提出了一种确定基因组间距离的方法。此法首先计数一个细菌的全部蛋白质中特定长度K。例如K=5的寡酞串的数目，然后利用一个简单而具普遍性的统计模型从K=3和4的短串数目预测长度为5的串数目。这是因为在分子水平上，突变是随机产生的，许多不好也不坏的中性突变会像噪声背景一样保留下来。简单计数无法排除随机背景的贡献。只有从实测结果中扣除预测数目，才能更好地突出自然选择的定向作用。图1就是用这种“组分矢量”方法构建的细菌亲缘树。原始数据包括1 7个古细菌，131个真细菌，还放了6个真核生物做为参照。由于同一个菌种的不同菌株，同一个属(“属”是生物分类系统“门”、“纲”、“目“、”科”，”属”，“种”诸层次的最低一级)的不同菌种在构树过程中总是聚在一起，我们在图中只给每个属留一个代表。因此，也可以说这是一棵属树。最新的《伯杰细菌系统手册》大纲(2003年10月)把全部细菌分成26个“门”，这棵树上有来自16个门的物种。我们首次有可能把基于16S rRNA的生命之树以及基于组分距离的分子亲缘树同几代细菌分类学家的成果汇总，做仔细的比较，发现它们高度一致，同时也揭示了一些并非偶然的差异。

    全基因组序列中确实包含着进化的信息，生命之树被挽救了。现在到了把细菌分类定量地建立在分子数据之上的时机，前面的研究道路还很漫长。