幾個(gè)世紀(jì)以來，人類一直在努力探索和描繪地球生物多樣性的總和?？茖W(xué)家和博物學(xué)家已經(jīng)對(duì)所有大陸和海洋的物種進(jìn)行了分類，從地殼深處到最高的山脈，從最偏遠(yuǎn)的叢林到人口最密集的城市。這一偉大的努力揭示了進(jìn)化所帶來的形式和行為，同時(shí)也為理解共同的生命起源奠定了基礎(chǔ)。最近，我們的星球被認(rèn)為居住著近1000萬種物種(107種)。盡管這一數(shù)字并不小，但這一估計(jì)幾乎完全是基于肉眼可見的物種。
那么像細(xì)菌、古生菌、原生生物和真菌這樣的小物種呢?總的來說，這些微生物類群是地球上最豐富、分布最廣、進(jìn)化時(shí)間最長的生命形式。它們對(duì)全球生物多樣性的貢獻(xiàn)是什么?如果算上微生物的話，最近的研究表明地球上可能有1萬億(1012)種物種，如果這是真的，那么通過巨大努力發(fā)現(xiàn)的地球生物多樣性只占地球上所有物種的千分之一都不到。
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(dú)特的挑戰(zhàn)。一個(gè)多世紀(jì)以來，科學(xué)家們通過在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)微生物物種，然后描述它們的細(xì)胞特性，以及它們的生理特性，如熱耐受性、它們消耗的基質(zhì)或它們產(chǎn)生的酶，以此來鑒定微生物種類。這類方法大大低估了微生物多樣性，不僅是因?yàn)榕囵B(yǎng)絕大多數(shù)微生物很困難，還因?yàn)椴幌嚓P(guān)的微生物物種也可以發(fā)揮類似的功能，而且不太可能通過外表來區(qū)分。
在20世紀(jì)90年代中期，越來越多的微生物學(xué)家開始放棄培養(yǎng)技術(shù)，轉(zhuǎn)而通過從海水、樹葉表面、濕地沉積物甚至淋浴噴頭內(nèi)部的生物膜中提取核酸(DNA)來直接測(cè)序鑒定生物。在過去的十年里，這些方法得到了極大的改進(jìn)，使得數(shù)以百萬計(jì)的單個(gè)微生物可以同時(shí)被取樣。通過這種高通量的方法，我們了解到，一克農(nóng)業(yè)土壤通?？梢园?0000多種物種。同樣，我們知道近10萬億(1013)的細(xì)菌細(xì)胞構(gòu)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(yǎng)，也代表了其免疫系統(tǒng)的延伸。放眼地球之外，在地殼、大氣、海洋和冰蓋的深處都發(fā)現(xiàn)了微生物?？偟膩碚f，地球上微生物細(xì)胞的估計(jì)數(shù)量大約在10000009(1030)左右，這個(gè)數(shù)字超出了人們的想象，也超過了宇宙中恒星的估計(jì)數(shù)量。自然地，這就引出了一個(gè)問題，到底有多少物種可能存在在地球。
地球上幾乎每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都有長長的物種名單，每年都有近2萬種動(dòng)植物被發(fā)現(xiàn)。這些物種中有許多是甲蟲，但關(guān)于嚙齒動(dòng)物、魚類、爬行動(dòng)物甚至靈長類動(dòng)物的新發(fā)現(xiàn)也并不少見。盡管令生物學(xué)家和公眾都感到興奮，但新出現(xiàn)的動(dòng)植物物種每年僅占物種總數(shù)的2%左右，這一跡象表明，我們對(duì)地球上這些生物進(jìn)行的普查可能是近乎完全的了。
與之形成鮮明對(duì)比的是，在微生物世界中，包含數(shù)不清的物種的深層譜系正在被迅速描繪。幾年前，科學(xué)家在科羅拉多州的一個(gè)含水層中發(fā)現(xiàn)了35個(gè)新的細(xì)菌門;門是一個(gè)廣泛的群體，包含成千上萬的微生物，甚至是數(shù)以百萬計(jì)的相關(guān)物種。在這一含水層中發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌門占地球上所有以前確認(rèn)的細(xì)菌門的15%。在此背景下，人類屬于脊索動(dòng)物門，但也有65000多種其他動(dòng)物擁有脊索動(dòng)物(或骨桿)，包括哺乳動(dòng)物、魚類、兩棲動(dòng)物、爬行動(dòng)物、鳥類和被囊動(dòng)物。這些發(fā)現(xiàn)表明，就微生物生物圈的多樣性而言，我們只是冰山一角。
理想情況下，如果我們要對(duì)全球生物多樣性進(jìn)行評(píng)估，應(yīng)該就物種的構(gòu)成達(dá)成一致。對(duì)于植物和動(dòng)物來說，物種通常被定義為一組能夠交配并產(chǎn)生可繁殖后代的生物。不幸的是，這個(gè)定義對(duì)于分類微生物物種并不是很有用，因?yàn)樗鼈兪菬o性繁殖的。(微生物可以通過被稱為“水平基因轉(zhuǎn)移”的過程，在基因相似的個(gè)體之間轉(zhuǎn)移基因，這種過程類似于有性繁殖生物的重組。)
盡管如此，仍有一些基于共同祖先的分類方法，可以從遺傳數(shù)據(jù)中推斷出來。最常用的描述微生物分類單元的技術(shù)包括核糖體RNA 基因序列的比較。這種基因參與構(gòu)建核糖體，核糖體是所有生命形式中蛋白質(zhì)合成所需的分子機(jī)器。通過比較序列之間的相似性，科學(xué)家可以識(shí)別出不同的類群，而不需要在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)它們或者費(fèi)力地描述它們的生理或細(xì)胞結(jié)構(gòu)。但對(duì)這種基于RNA的微生物分類相關(guān)的許多警告中，有一個(gè)警告是它可能低估了物種的真實(shí)數(shù)量，如果是這樣的話，那么最近關(guān)于地球上可能有1012個(gè)物種的預(yù)測(cè)雖然數(shù)量驚人，但也只可能是一個(gè)保守的估計(jì)。
了解地球上微生物種類的數(shù)量可能對(duì)提高我們的生活質(zhì)量具有實(shí)際意義。利用生物多樣性的前景可能會(huì)刺激替代燃料的開發(fā)，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(duì)抗新出現(xiàn)的傳染病的藥物。但我們想知道我們與多少物種共享地球也許有一個(gè)更基本的原因。從文明開始的時(shí)候，我們這個(gè)物種的生存就依賴于對(duì)植物、動(dòng)物和微生物的試驗(yàn)和錯(cuò)誤，我們?cè)噲D從這些試驗(yàn)和錯(cuò)誤中收獲、馴化或避免。我們對(duì)生物多樣性的興趣也反映了對(duì)自然世界和我們?cè)谄渲械牡匚坏膬?nèi)在好奇心。無論是贊美、保護(hù)、改造還是開發(fā)，人類從未試圖對(duì)居住在地球上的其他物種視而不見。
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