是谁打破了细菌的隐形身份?一篇文章带你了解世界显微镜之父 医学生看显微镜的世界之最( 八 )


rr20世纪60年代末,年轻的美国科学家卡尔·乌斯(Carl Woese)开始了一项古怪但非常精专的小研究:他收集了不同种的细菌,分析了一种存在于所有收集到的细菌中的核糖体分子——16S rRNA 。所有科学家都觉得这项工作没有任何价值,也就没人与乌斯竞争 。他之后回忆道:“这是一场只有一匹马的赛马比赛 。”31这场比赛昂贵、缓慢又危险,其中涉及的放射性液体多到令人心惊 。但是,该研究起到了革命性的推动作用 。
rr当时的生物学家完全依靠体表特征来推断物种间的关系:比如体型大小、身材形状,以及细微的解剖特征差异 。乌斯认为,他完全可以做得更好 。他的方法就是检测所有生物都携带的生命分子:DNA、RNA 和蛋白质 。这些分子会随着时间的流逝而逐渐分化,亲缘关系越近的相似度就越高 。乌斯相信,如果能找到那个对的分子,再比较足够多物种的亲缘关系远近,生命之树的演化枝干就将清晰显现 。32
rr他确定以16S rRNA 核糖体(由同名基因指导合成)为研究对象 。这种核糖体参与了所有有机体中基础蛋白质的制造过程,所以,它正是乌斯渴望寻找到的、适用于广泛比较多样物种的基本单元 。截至1976年,他已经为大约30多种微生物的16S rRNA 建立起档案 。同年6月,他开始研究某一物种 。之后,这一物种不仅改变了他的生活,还改变了人们已经熟知的生物学 。
rr这种不起眼的微生物由拉尔夫·沃尔夫(Ralph Wolfe)提供,他是产甲烷菌(methanogens)方面的权威专家 。这些小东西可以仅靠二氧化碳和氢气生存,并将其转化成甲烷 。它们生活在沼泽、海洋和人类的肠道中,首次发现于灼热的下水道污泥中,被命名为嗜热自养甲烷杆菌(Methanobacterium thermoautotrophicum) 。与其他人一样,乌斯一开始也认为,虽然这种小东西有奇怪的癖好,但终究只是另一种细菌 。但是,分析了它的16S rRNA 后,他意识到这绝对不是细菌 。对该发现的解释可能要依据当时的具体情况而定,比如他是否充分理解了自己观察到的现象,当时的他是精力旺盛还是小心谨慎,他是否要求重复这次实验等 。但到了12月,他的团队测序了更多产甲烷菌基因,结果都呈现出相同的模式 。至此,结论已经显而易见 。沃尔夫还记得乌斯是这么告诉他的:“这些东西甚至都不是细菌 。”
rr乌斯于1977年发表了他的研究结果,他在论文中把产甲烷菌重新归至古菌之下(当时古菌还被称为 archaebacteria,后来去掉了当中的“细菌”部分,直接记作 archaea) 。33乌斯坚信,它们并不是怪异的细菌,而是另一种完全不同的生命形式 。这是一项惊人的发现 。乌斯从淤泥中挑选出这些不起眼的微生物,并把它们视为与无所不在的细菌和强大的真核生物同等重要的存在 。这就如同每个人都盯着世界地图看,以为这就是世界的全部,只有乌斯悄悄展开了折叠着的另外1/3的地图 。
rr不难预料,他的说法招致了猛烈的批评,甚至连一些同样志在打破传统的叛逆者,都觉得他走得太远了 。后来,《科学》评价他“为微生物学的研究发展烙下了一道伤疤”,甚至到他2012年去世时,这道伤疤仍未消除 。34今日,他留下的知识遗产不可否认,他关于古菌完全不同于细菌的断言也非常正确 。而在他所有的研究中,更重要的也许是他倡导的“通过比较基因来研究物种间关系”的方法——这成了现代生物学研究中最重要的部分 。35他的方法为其他科学家,比如他的老朋友诺曼·佩斯(Norman Pace)的研究铺平了道路,生物学家得以真正迈出探索微生物世界的脚步 。
rr20世纪80年代,佩斯开始研究生存在极热环境下的古菌,主要检测它们的 rRNA 。他对黄石国家公园的章鱼泉(Octopus Spring)特别感兴趣:在这口深蓝色的大汽锅里,水温高达91℃,里面翻滚着众多人类还未识别的喜热微生物 。这些微生物大量积聚,在泉水中形成人们肉眼可见的粉红色游丝 。佩斯还记得,他读到关于章鱼泉的描述后,兴奋不已地冲进实验室大喊:“嘿,伙计们,瞧瞧这个!好几千克的微生物!赶紧拿桶去捞啊 。”组里的另一个人说:“喂,你连它们是什么都不知道啊 。”