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中国时间: 10:50 2016年12月06日星期二

给微生物建立基金谱系的科学家


微生物是最小的生物,了解微生物有可能帮助我们治疗疾病、清理环境,以及为未来提供能源。微生物专家诺尔姆·佩斯正在发现新的途径,给微生物建立一个祖系谱。

在科罗拉多州博尔德市一所中学里,孩子们一边在用显微镜观察微生物,一边叽叽喳喳议论纷纷。一个孩子说,有的微生物看上去就像一个苹果给狠狠地摔到墙上,苹果一下子四分五裂了。一个孩子说,太棒了。另一个说,太妙了。再一个孩子说,太让人恶心了。

这些中学生们正在用显微镜观察从附近一条小溪里取来的微生物。

科罗拉多大学微生物学家佩斯说,他当年跟这些孩子一样:“我10岁,11岁的时候得到一架显微镜,一下子就着迷了。”

微生物让佩斯如此着迷,以至于他把微生物研究当作自己毕生的工作了。佩斯说,即使用世界上最好的显微镜,某些微生物还是不容易识别的。

他说:“我们习惯于描述生物,说生物有胳膊有腿有叶子。但是,这一套在微生物世界不管用。那要怎么描述微生物呢?”

这个难题在1970年代,得到了一个基本的答案。当时,美国国家科学奖得主卡尔·伍思提出一种描述微生物的方法,重点不在微生物的外形,而在其遗传基因DNA。

伍思说,微生物的DNA有许多令人意外之处。比如,跟其他微生物相比,很多微生物跟树木、跟人有更近的关系:“这不像是在你家的后院发现一头巨兽。但是,从生物进化关系的角度而言,这些发现跟我们已知的东西相比是非常不一样的。”

研究一种微生物的DNA,首先需要在实验室中用一个微生物培养出几十亿、几百亿这种生物的细胞。

佩斯说,这是一种开创性的工作,但是,这种工作忽略了一个大图景:“一个微生物恐怕不会活得好。事实上,假如你在陆地环境中看到一个单个的微生物,你会发现那微生物是死的,或者是正在向别处移动。”

佩斯猜想,很多种微生物在不同的群体中共生,就像是树木、花朵、鱼类、鸟类、昆虫互动一样。他希望研究这种多样性,而不是一次只是专注于一种微生物。他说,大多数在自然环境中活得很好的微生物,一旦让科学家弄到实验室里培养,就会死掉。

佩斯说:“假如我到博尔德的小溪里取一点水,放在显微镜下观察,直接数水中的微生物数目,我就会看到一滴水里有上百万的细胞。假如我要培养这些微生物,我竭尽全力,也只能培养出10种来。”

这是因为大多数微生物不能培养,因此,新的物种就无法识别。卡尔·伍思说,研究者们意识到了这个问题,但是,不知道该怎么办。最后,是佩斯提出来一个解决问题的办法。

伍思说:“他的功劳是想到了从自然环境中提取样本到实验室里,然后直接去识别基因,而不理会包含那些基因的微生物。”

佩斯的做法是,从自然环境中取来的样本的所有微生物中提取DNA的一个小片断。然后,把这些小片断跟容易培养的细菌融合。细菌繁衍,也就把这些另类的DNA拷贝下来。这样,就可以分析整个样本中的所有基因。

现在人们已经清楚地知道,一滴水中,一座地下洞穴中,一个囊状纤维瘤患者的肺中,常常有成千上万种细菌。一个健康人的肺里可以有成百上千种细菌,但是,科学家们知道,在健康的人体内,似乎没有哪种细菌占有优势。

在人体内促成这种生物多样性,这种方法可能在将来的某一天也能用来改善人的健康。伍思说,佩斯提出的识别微生物的方法会在这方面发挥开拓性作用:“他是微生物生态学的祖师。这是真正的微生物生态学,让人们可以知道那里到底有些什么,而不是看那里都出产出些什么。”

那么,佩斯用这种方法到底发现了多少微生物呢?佩斯被问到这个问题,沉思了一下,然后说:“可以说有成千上万种吧。我正在描绘生物系谱,描绘生命的系谱。”

为了表彰佩斯为描绘生命谱系所作出的多项贡献,他被授予著名的麦克阿瑟奖。这个奖又叫天才奖。另外,佩斯还获得世界上一些最著名的微生物研究机构的好几项终生成就奖。


关键词:微生物,DNA,谱系

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