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  • 地球上的物種超過1萬億 人類只發現了十萬分之一

    字體 2018-09-28 11:30:47
         來源: 網易科學人  

    出品|網易科學人欄目組 小小

    幾個世紀以來,人類始終在致力于發現和描述地球生物的多樣性。科學家和博物學家已經對所有大陸和海洋物種進行了分類,從地殼深處到最高的山脈之巔,從最偏遠的叢林到人口最密集的城市都包括在內。這些努力揭示了生命進化的形式和行為,同時也為理解共同的生命起源奠定了基礎。直到最近,我們的星球被認為居住著近1000萬(10的7次方)種物種。盡管這個數字已經十分驚人,但它們幾乎都屬于肉眼可見的物種。

    那么像細菌、古生菌、原生生物和真菌這樣的微小物種呢?總的來說,這些微生物類群是地球上最豐富、分布最廣、進化時間最長的生命形式。它們對全球生物多樣性的貢獻有多大?將微生物納入統計,最近的研究表明,地球上可能有1萬億(10的12次方)個物種。如果這是真的,那么我們數千年來發現地球生物,只占地球上所有物種的十萬分之一。

    即使在最普通的棲息地,估算微生物的多樣性也面臨著一系列獨特的挑戰。100多年以來,科學家們通過在培養皿中培養微生物物種,然后描述它們的細胞特性,以及它們的生理特性,如熱耐受性、它們消耗的基質或它們產生的酶,來鑒定微生物種類。這類方法大大低估了多樣性,不僅是因為培養絕大多數微生物很困難,還因為不相關的微生物物種可以表現出類似的特性,而且不太可能通過外表來區分。

    自從20世紀90年代中期以來,越來越多的微生物學家開始放棄培養技術,轉而通過直接測序從海水、樹葉表面、濕地沉積物甚至淋浴噴頭內部生物膜中提取的核酸(DNA)來鑒定生物。在過去的10年里,這些方法得到了極大的改進,使得數以百萬計的微生物個體可以同時被取樣。通過這種高通量的方法,我們了解到,一克農業土壤中通常可以包含10000多個物種。

    同樣,我們知道近10萬億(10的13次方)個細菌細胞構成了人類的微生物群。這些微生物不僅有助于宿主的消化和營養吸收,也代表了其免疫系統的擴展。放眼地球各處,在地殼、大氣、海洋和冰蓋的深處都發現了微生物的身影。總的來說,地球上微生物細胞的估計數量大約在1nonillion(10的30次方)左右,這個數字超出了人們的想象,也超過了宇宙中恒星的估計數量。自然,這就引出了一個問題:到底有多少物種可能存在?

    地球上幾乎每個生態系統中都有長長的物種名單,每年都有近2萬種動植物新物種被發現。這些物種中有許多碰巧是甲蟲,但關于嚙齒動物、魚類、爬行動物甚至靈長類動物的報道也不少見。盡管令生物學家和公眾都感到興奮,但新出現的動植物物種每年僅占物種總數的2%左右。這一跡象表明,我們可能正在接近對地球上這些生物近乎完整的普查。

    與之形成鮮明對比的是,在微生物世界中,包含數不清物種的深層譜系正在被迅速描述出來。幾年前,科學家在科羅拉多州的一個含水層中發現了35個新的細菌門。門是個廣泛的群體,包含成千上萬或數以百萬計的微生物,甚至是相關物種。在這個含水層中發現的細菌門占地球上所有以前確認的細菌門的15%。

    在此背景下,人類屬于脊索動物門,但也有65000多種其他動物擁有脊索(或骨桿),包括哺乳動物、魚類、兩棲動物、爬行動物、鳥類和被囊動物。這些發現表明,就描述微生物生物圈的多樣性而言,我們發現的只是冰山一角。理想情況下,如果我們要對全球生物多樣性進行評估,應該就物種的構成達成一致。

    對于植物和動物來說,物種通常被定義為一組能夠交配并產生可繁殖后代的生物。不幸的是,這個定義對于分類微生物物種并不是很適用,因為它們是無性繁殖的。微生物可以通過被稱為“水平基因轉移”的過程,在密切相關的個體之間轉移基因,這種過程類似于有性繁殖生物的重組。

    盡管如此,仍有些基于共同祖先的分類方法,可以從遺傳數據中推斷出來。最常用于描述微生物分類的技術包括核糖體RNA(rRNA)基因序列比較。這種基因參與構建核糖體,核糖體是所有生命形式中蛋白質合成所需的分子機制。通過比較序列之間的相似性,科學家們不需要培育類群,也不需要費力地描述它們的生理或細胞結構,就能識別出類群。

    與這種基于rRNA的微生物分類相關的許多警告中,有一個事實是它可能低估了物種的真實數量。如果是這樣的話,那么最近關于地球上可能有1億萬個物種的預測可能仍是個相當保守的估計,盡管其數量驚人。了解地球上微生物種類數量,可能對提高我們的生活質量具有實際意義。

    利用生物多樣性的前景可能會刺激替代燃料的開發以滿足日益增長的能源需求,為快速增長的人口提供新作物,以及對抗新出現的傳染病藥物。但也許有一個更基本的原因讓我們想知道人類與多少物種共享地球。從文明的黎明開始,人類的生存就依賴于對植物、動物和微生物的研究,我們試圖從以往的試驗和錯誤中吸取教訓或避免錯誤。我們對生物多樣性的興趣也反映了對自然世界和我們在其中發揮作用的內在好奇心。無論是贊美、保護、改造還是開發,人類正試圖對居住在地球上的物種有個全面了解。


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    編輯:任梓嘉

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