2016年8月18日

生命之樹3.0—最新版地球生物譜系圖

作者陳俊堯慈濟大學生命科學系助理教授,熱愛細菌的細菌人,研究領域為微生物生態,對環境微生物社會的興趣遠大於對人類社會的興趣,近年來亦致力於科普寫作的實踐與推廣。


(插圖參考來源:Nature Microbiology)

人類一直想弄清楚這個星球上到底還有哪些生物存在。從史前洞穴壁畫的作者想弄清楚附近有什麼樣的動物,達爾文(Charles Robert Darwin)忍著暈船的痛苦繞了地球大半圈,帶回來好多新的、從沒見過的生物記錄和標本,凡特(Craig Venter) 憑藉強大的 DNA 定序及分析能力,駕魔法師二號(Sorcerer II )四處航行採樣,用帶回來的 DNA 證據告訴我們海洋裡微生物多樣性高得驚人,我們無庸置疑的是生活在一個熱熱鬧鬧,充滿各種生物的星球上。

被嚴重低估的微生物多樣性
毫無疑問的,這個星球上多樣性最高的生物類群應該就非微生物莫屬了,目前估計連古菌類與真菌類都還沒算進去,光是細菌的種類就至少有上百萬種。然而在過去研究裡,微生物多樣性多次逃過科學家當時的偵測「雷達」,因而被嚴重低估。早期微生物學家主要依賴培養法來做研究,眼裡只看到能在實驗室裡培養出的種類,因此第一代的生命之樹只包含培養出的微生物種類。聚合酶連鎖反應技術的出現讓我們能用特定基因的引子來偵測未知的微生物。而兩項新的研究方法又再次改寫了我們對微生物多樣性的看法。搭配著次世代定序(next generation sequencing)技術的大量平行定序(massive parallel sequencing)策略,讓我們發現原來過去曾被人類認識的細菌只是芸芸眾生裡的一小部份,還有絕大部份的細菌都是我們還沒有能力在實驗室裡培養研究的,透過這些新資料也就造就了第二代的生命之樹,大幅拓展了我們對微生物多樣性的認識。



近年興起的總基因體(metagenome)研究直接解讀環境樣本裡的去氧核醣核酸(deoxyribonucleic acid, DNA),目前所使用的引子都是藉已知菌種序列為基礎來設計的,無法直接偵測從未見過的菌群。採用總基因體策略,才能避開依賴聚合酶連鎖反應放大時引子可能出現的專一性問題,將所有微生物一網打盡。另外一項技術是單細胞基因體分析(single-cell genomics),可以不需經過培養,直接從環境捕捉一隻細菌來解讀基因體,幫助我們深入瞭解它的基因組成及能耐。在 2013 年美國能源部聯合基因體研究所(Joint Genome Institute)發表的一篇研究中,研究人員就提供了 201 個基因體基因序列資料,讓我們對29 個當時尚無法在實驗室培養的菌門裡的細菌,有了一點初步的認識。

把微生物暗物質放進來
這些在環境裡不為人知的細菌已經被學術界稱為微生物裡的暗物質(microbial dark matter),實驗室裡的現代達爾文們莫不對它們抱著極大的興趣。由於前述研究分析技術上有所突破,學術界開始累積這些微生物的相關資訊,經年累月下也開始對它們有了點基礎認識。目前將總基因體學和單細胞基因體定序的結果整理後,放進資料庫裡收藏的基因體序列資料在 2016 年 5月時已達 76609 種生物,有許多是最近才剛發現的物種。過去生物學家用生命之樹(tree of life)來呈現地球上生物多樣性及演化關係的狀況,然而經過這麼多年,科學界也找到了許多過去沒發現的新物種,在集結眾多科學家的努力下,現在該是時候來重新審視修訂這棵樹的時候了。

2016 年的 5 月,班菲爾德(Jillian Banfield )教授發表了一篇研究,整理出到目前為止地球上最完整的生命之樹。她的研究團隊在過去數年參與各種環境裡的總基因體研究計畫,包括取自地底土壤、鹹水湖、海豚口腔等各式各樣的環境樣本 DNA,從中收集了相當多序列資料,整理出 1011 個已完成或接近完成的「暗物質」基因體序列。再加入原本由全球科學家們提供,存放在聯合基因組研究所資料庫裡的序列資料,希望用這些資料建立一個目前最完整的生命之樹。

她們的策略不用過去大部份人採用的核糖體核糖核酸(ribosomal ribonucleic acid, rRNA)基因序列來分類,而改選用 16 個核糖體蛋白,以它們的基因序列為分類依據,這樣可以提高序列區分菌種的解析度。在同屬的生物中只選一個代表出來畫樹,藉由這樣的規則總共整理出 3083 種生物的資料,依據它們序列裡推出來的親緣關係完成了這棵生命之樹。這是在後基因體時代首度把所有演化分支都納進來的生命之樹,而這棵新生命之樹也讓我們看到了一些有趣的結果。

生命之樹 3.0
既然這是探討生命之樹,我們不免自私地先想到自己的地位,我們人類會被放在這個演化樹的什麼位置呢?在這個生命之樹的上半部全都是細菌(bacteria),下半部則有一大部份是古菌(archaea),而往右下角那一團去的分支就是真核生物(eukarya),人類跟貓、狗、珊瑚、渦蟲、毛蟲、樹木、雜草、海帶等全都擠在右下角的那個分支裡(如本文首圖)。真核生物在演化裡是比較晚才出現的類群,因此多樣性最低倒也不意外。地球上大部份的生物學家窮盡一生的心力,都只在努力解開真核這一小撮生物裡的奧秘,根本無暇顧及對於地球上真正占大多數的那些生物。......【更詳細的內容請見科學月刊第560期】



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