地球上的物种超过1万亿 人类只发现了十万分之一

字体 2018-09-28 11:30:47
     来源: 网易科学人  

出品|网易科学人栏目组 小小

几个世纪以来,人类始终在致力于发现和描述地球生物的多样性。科学家和博物学家已经对所有大陆和海洋物种进行了分类,从地壳深处到最高的山脉之巅,从最偏远的丛林到人口最密集的城市都包括在内。这些努力揭示了生命进化的形式和行为,同时也为理解共同的生命起源奠定了基础。直到最近,我们的星球被认为居住着近1000万(10的7次方)种物种。尽管这个数字已经十分惊人,但它们几乎都属于肉眼可见的物种。

那么像细菌、古生菌、原生生物和真菌这样的微小物种呢?总的来说,这些微生物类群是地球上最丰富、分布最广、进化时间最长的生命形式。它们对全球生物多样性的贡献有多大?将微生物纳入,最近的研究表明,地球上可能有1万亿(10的12次方)个物种。如果这是真的,那么我们数千年来发现地球生物,只占地球上所有物种的十万分之一。

即使在最普通的栖息地,估算微生物的多样性也面临着一系列独特的挑战。100多年以来,科学家们通过在培养皿中培养微生物物种,然后描述它们的细胞特性,以及它们的生理特性,如热耐受性、它们消耗的基质或它们产生的酶,来鉴定微生物种类。这类方法大大低估了多样性,不仅是因为培养绝大多数微生物很困难,还因为不相关的微生物物种可以表现出类似的特性,而且不太可能通过外表来区分。

自从20世纪90年代中期以来,越来越多的微生物学家开始放弃培养技术,转而通过直接测序从海水、树叶表面、湿地沉积物甚至淋浴喷头内部生物膜中提取的核酸(DNA)来鉴定生物。在过去的10年里,这些方法得到了极大的改进,使得数以百万计的微生物个体可以同时被取样。通过这种高通量的方法,我们了解到,一克农业土壤中通常可以包含10000多个物种。

同样,我们知道近10万亿(10的13次方)个细菌细胞构成了人类的微生物群。这些微生物不仅有助于宿主的消化和营养吸收,也代表了其免疫系统的扩展。放眼地球各处,在地壳、大气、海洋和冰盖的深处都发现了微生物的身影。总的来说,地球上微生物细胞的估计数量大约在1nonillion(10的30次方)左右,这个数字超出了人们的想象,也超过了宇宙中恒星的估计数量。自然,这就引出了一个问题:到底有多少物种可能存在?

地球上几乎每个生态系统中都有长长的物种名单,每年都有近2万种动植物新物种被发现。这些物种中有许多碰巧是甲虫,但关于啮齿动物、鱼类、爬行动物甚至灵长类动物的报道也不少见。尽管令生物学家和公众都感到兴奋,但新出现的动植物物种每年仅占物种总数的2%左右。这一迹象表明,我们可能正在接近对地球上这些生物近乎完整的普查。

与之形成鲜明对比的是,在微生物世界中,包含数不清物种的深层谱系正在被迅速描述出来。几年前,科学家在科罗拉多州的一个含水层中发现了35个新的细菌门。门是个广泛的群体,包含成千上万或数以百万计的微生物,甚至是相关物种。在这个含水层中发现的细菌门占地球上所有以前确认的细菌门的15%。

在此背景下,人类属于脊索动物门,但也有65000多种其他动物拥有脊索(或骨杆),包括哺乳动物、鱼类、两栖动物、爬行动物、鸟类和被囊动物。这些发现表明,就描述微生物生物圈的多样性而言,我们发现的只是冰山一角。理想情况下,如果我们要对全球生物多样性进行评估,应该就物种的构成达成一致。

对于植物和动物来说,物种通常被定义为一组能够交配并产生可繁殖后代的生物。不幸的是,这个定义对于分类微生物物种并不是很适用,因为它们是无性繁殖的。微生物可以通过被称为“水平基因转移”的过程,在密切相关的个体之间转移基因,这种过程类似于有性繁殖生物的重组。

尽管如此,仍有些基于共同祖先的分类方法,可以从遗传数据中推断出来。最常用于描述微生物分类的技术包括核糖体RNA(rRNA)基因序列比较。这种基因参与构建核糖体,核糖体是所有生命形式中蛋白质合成所需的分子机制。通过比较序列之间的相似性,科学家们不需要培育类群,也不需要费力地描述它们的生理或细胞结构,就能识别出类群。

与这种基于rRNA的微生物分类相关的许多警告中,有一个事实是它可能低估了物种的真实数量。如果是这样的话,那么最近关于地球上可能有1亿万个物种的预测可能仍是个相当保守的估计,尽管其数量惊人。了解地球上微生物种类数量,可能对提高我们的生活质量具有实际意义。

利用生物多样性的前景可能会刺激替代燃料的开发以满足日益增长的能源需求,为快速增长的人口提供新作物,以及对抗新出现的传染病药物。但也许有一个更基本的原因让我们想知道人类与多少物种共享地球。从文明的黎明开始,人类的生存就依赖于对植物、动物和微生物的研究,我们试图从以往的试验和错误中吸取教训或避免错误。我们对生物多样性的兴趣也反映了对自然世界和我们在其中发挥作用的内在好奇心。无论是赞美、保护、改造还是开发,人类正试图对居住在地球上的物种有个全面了解。


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编辑:任梓嘉

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