最新生命樹:細菌主導物種演化

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圖片來源:Nature.com

愈來愈多證據顯示,達爾文的演化論並非假說,而是實實在在的科學。美國一隊科學家揭示最新整合的物種演化圖表(即俗稱「生命樹」的樹狀結構系譜),研究發現,絕大多數物種分支由細菌組成,河泥與濕草原土中的許多物種,在人類眼皮底下等著被發現。

美國國家生物科技資訊中心訊宣稱這是一項重大發現:有如發現了物種的新大陸。研究結果在權威科學期刊「自然」發表

「生命樹」的概念來自於達爾文 1859 年的「物種起源」,他曾如此描述:「這巨大的生命之樹已枯落的枝條堆疊於地層,並以生生不息迷人的分枝構成其樹冠。」

達爾文筆記裡的生命樹雛形
達爾文筆記裡的生命樹雛形

歷代科學家都曾為這棵生命樹尋找證據,補充空白。DNA 的發現尤其意義重大,自此科學家可以按照基因來尋找物種之間的聯繫。1977 年,美國伊利諾大學的 Carl Woese 等人發表了第一份詳盡的 「生命樹」系譜(Universal tree of life),顯示這棵樹有三個主幹,又稱「三域系統」。

其中人類從屬「真核生物」(Eukaryotes):包括動物、植物、菌類和原生動物。第二系統是細菌,包括今日為人熟悉的大部分細菌,譬如螺旋菌;第三系統是古菌(Archaea),即生存於極端環境的罕有細菌,譬如甲烷球菌屬。

釐清物種起源與分類是莫大的挑戰。許多單細胞生物是無法在實驗室環境內取得,即無從入手觀察分析。科學家的對策是先取得整個生物環境的所有 DNA 資料,從中重新拼湊個別的基因組。近年加州大學柏克萊分校地質微生物專家 Jillian F. Banfield 等人使用這個方法,採集加州濕草和深海熱泉的 DNA,從中組合出數以百計的微生物新物種。

最近,Banfield 博士率領的研究隊決定重新繪製生命樹系譜,在已知 2,072 的物種上加上新發現的 1,011 個物種的 DNA。在最新的版本中,所有真核生物,包括人類、花卉和變形蟲,被歸為一個細小分枝。真核生物與古菌相去不遠,細菌則佔物種的絕大多數。很多新發現的物種並非來自極端環境,濕草原土就是地球上微生物環境最為複雜的樣本之一。

Banfield 教授估計,細菌之所以一直保持細微外型,及簡單代謝系統,早在演化史之初就已經定型,屬最早演化出來的一代生命,形式基本上沒變過。

內華達大學的微生物學家 Brian P. Hedlund 認為新系譜最引人注目之處在於,主導整個演化史的生命,偏偏是科學家無法在實驗室裡觀察接觸的細菌。法國巴斯德學院的演化生物學家 Patrick Forterre 也同意此論:正是細菌帶來了生命的千變萬化。但他對 Banfield 博士的研究隊伍採集 DNA 的手法不敢苟同:拼湊基因組很有可能會得出「四不像」。

Banfield 博士預測,生命樹系譜中,細菌系統在未來很長一段時間內不會有太大改變:這種生命形式我們已經一再見過了。她希望能在真核生物系統中有所新發現,很有可能在微觀真菌領域有所重大突破。新系譜的作者之一,加拿大滑鐵盧大學生物學家 Laura A. Hug 博士則意見相反:「我不認為我們對細菌的研究已屆巔峰,未經探索的環境還有很多。」