神秘的微觀世界

袁越

地球上生活著的微生物總數(shù)和宇宙中恒星的數(shù)量相比，哪個(gè)大？答案是：前者的數(shù)量大。

再問一個(gè)問題：前者到底比后者大多少呢？根據(jù)目前的估算，地球上的微生物總數(shù)大約是1030，宇宙中恒星的總數(shù)大約為1022。也就是說地球上的微生物總數(shù)不僅比宇宙中恒星的總數(shù)還要多，而且多1億倍！

微生物的總數(shù)比較容易估算，但種類就不那么容易計(jì)算了。因?yàn)槲⑸锏捏w積實(shí)在太小，分辨起來十分困難。如果把一頭大象比做一個(gè)細(xì)菌，再把體積的差別換算成距離的話，那么微生物學(xué)家們就相當(dāng)于站在月球的位置上回望地球上的這頭大象，那時(shí)恐怕就連它是公是母都很難辨別。

在這超出人類想象的距離之外進(jìn)行科學(xué)研究，需要超出常規(guī)的研究思路與工具。說到工具，很多人肯定會(huì)首先想到顯微鏡，但顯微鏡只適合觀察，如果要進(jìn)行生化分析的話，瓊脂的作用更加重要。如果你去過微生物實(shí)驗(yàn)室，你會(huì)發(fā)現(xiàn)大家最常用的一個(gè)實(shí)驗(yàn)工具就是培養(yǎng)皿，里面鋪著一層富含營養(yǎng)的瓊脂。每一個(gè)細(xì)菌都能在瓊脂表面單獨(dú)長成一個(gè)肉眼可見的菌斑，每個(gè)菌斑里含有成千上萬個(gè)完全一樣的細(xì)菌，這在生物學(xué)術(shù)語里叫做一個(gè)“克隆”。因?yàn)榄傊前牍虘B(tài)的，細(xì)菌的位置被固定住了，無法在菌斑之間自由往來，這就等于將一個(gè)細(xì)菌克隆并擴(kuò)增到足夠大的量，卻沒有遭受其他細(xì)菌的污染。只有這樣科學(xué)家們才能對其進(jìn)行生化分析，包括測量其DNA的順序。

這個(gè)研究模式已經(jīng)持續(xù)了幾十年。事實(shí)上，分子生物學(xué)迄今為止所取得的絕大部分成就都來自對于大腸桿菌的研究?？蓡栴}在于，自然界還有很多微生物是沒法在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的，因此也就沒法被克隆?？茖W(xué)家拿不到足夠多的克隆細(xì)菌，很多生化檢測手段都無法應(yīng)用。

最早意識(shí)到這個(gè)問題的是美國科羅拉多大學(xué)的科學(xué)家諾爾曼·佩斯（Norman Pace），他把從土壤中采集到的樣本全部打碎，提取出里面含有的全部DNA，測量16S核糖體RNA的基因序列。這個(gè)16S RNA是蛋白質(zhì)合成過程中必須用到的一種核酸分子，所有細(xì)菌里都有它。不同的細(xì)菌之間的16S RNA順序有點(diǎn)不同，因此可以用來鑒定細(xì)菌的種類。讓佩斯吃驚的是，測序結(jié)果表明絕大多數(shù)土壤細(xì)菌都是以前從來不知道的新品種。他曾經(jīng)懷疑這是DNA測序技術(shù)本身產(chǎn)生的誤差，但后來證明不是這樣，土壤微生物確實(shí)種類繁多，但因?yàn)樗鼈兇蠖紱]法在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)，所以科學(xué)家們一直沒有任何辦法去研究它們。

根據(jù)最新的估計(jì)，自然界所有的微生物當(dāng)中超過99%都是無法被人工培養(yǎng)的，因此也就暫時(shí)沒有任何辦法加以鑒定。

說了半天，我們只說到了細(xì)菌。其實(shí)微生物當(dāng)中還包括病毒，它們寄生在細(xì)菌的身體內(nèi)，是細(xì)菌的寄生蟲。研究顯示，地球上的病毒總數(shù)大約為1031，也就是說每個(gè)細(xì)菌周圍平均有10個(gè)病毒伺機(jī)入侵。每毫升海水當(dāng)中最多可以找到5000萬個(gè)病毒，這些病毒平均每天都會(huì)把海洋中所有細(xì)菌的1/5殺死，可見它們對于海洋生物的新陳代謝有著多么重要的作用。

你想研究一下這些病毒嗎？很難！既然絕大多數(shù)細(xì)菌都沒辦法人工培養(yǎng)，病毒就更難了?？梢哉f，人類對于地球上絕大多數(shù)微生物都一無所知，甚至連線索都找不到。

大家都知道生物多樣性對于保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境是非常重要的，但我們的眼光都被那些肉眼可見的動(dòng)植物所吸引了，完全忘記了地球上最大的生物多樣性寶庫其實(shí)是屬于微生物的，而且它們的作用要比動(dòng)植物大得多。舉例來說，海洋吸收了至少一半的大氣二氧化碳，這一吸收過程非常復(fù)雜，有大量微生物和病毒的參與，但人類對它們的情況了解得極少，因此也就很難預(yù)測它們會(huì)對氣候變化做出怎樣的反應(yīng)。

幸運(yùn)的是，隨著DNA測序技術(shù)的改進(jìn)，科學(xué)家們終于開始進(jìn)入這個(gè)神秘的微觀世界了。目前有兩種新的技術(shù)手段和思路可以用來研究這些無法人工培養(yǎng)的微生物：第一種方法叫做“環(huán)境基因組學(xué)”（Metagenomics），其思路和前文提到的佩斯教授的方法類似，就是利用超強(qiáng)的DNA測序能力，把環(huán)境樣本中的所有相關(guān)DNA序列都測出來，然后再利用超強(qiáng)的計(jì)算能力對這些序列進(jìn)行分析，找出所有具備某種功能（比如光合作用）的基因，這樣就可以對樣本的某種性質(zhì)（比如光合作用）進(jìn)行定量研究了。

第二種方法更先進(jìn)，就是想辦法把微生物一個(gè)一個(gè)單獨(dú)分離出來，然后對每一個(gè)細(xì)胞單獨(dú)進(jìn)行DNA序列分析。這個(gè)方法如果能實(shí)現(xiàn)的話，顯然效果更好。目前科學(xué)家們已經(jīng)掌握了測量單個(gè)細(xì)胞DNA序列的方法，我們有理由相信，在不久的將來，人類將會(huì)對地球生態(tài)系統(tǒng)有個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。