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生物學 1977

原核域的系統發生結構:原初的諸界

卡爾·沃斯、喬治·福克斯

透過解讀生命最古老的分子,他們發現細胞並非兩類,而是三類——還有一整個被隱藏的界。

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In depth · the introduction

為了尋找生命之樹上最深的枝椏,兩位科學家找到了一條誰都不曾畫過的枝——第三種生命,就藏在眾目睽睽之下。

生命不是兩類,而是三類

很長一段時間裡,生物學把一切生命塞進兩個盒子:沒有細胞核的簡單細胞(細菌),和有細胞核的複雜細胞(其餘一切——我們、植物、真菌)。卡爾·沃斯懷疑這漏掉了什麼,因為這種分法是按細胞「長什麼樣」來分的,而不是按它們彼此「有多親」。

於是他挑了一個每個活細胞都攜帶的分子:核糖體 RNA——那台造蛋白質的小機器的一部分。比對它在不同生物之間的序列,他就能直接量出親疏。而從這一比對裡,掉出了一個震驚:一群會產甲烷的微生物,看上去像細菌,骨子裡卻既不比細菌更像細菌,也不比我們更像細菌。它們是一整條第三分支的生命。今天我們叫它們「古菌」。

沒人相信的那條分支

沃斯在伊利諾大學,與同事喬治·福克斯一道,花了數年做著辛苦的實驗:把核糖體 RNA 切碎、讀出它的片段、為每個生物建一份「目錄」。這活兒慢、不光鮮,離當時那些熱門問題也很遠。

1977 年結果出來時——產甲烷菌是一條獨立而古老的譜系——大半個生物學界根本不買帳。前輩科學家公開質疑;沃斯因為憑一個分子就重畫生命之樹,被一些人斥為「怪人」。可他是對的。隨著 DNA 定序技術成熟,那第三條分支一次又一次穩穩立住,古菌終成教科書裡的事實。

為什麼重要

生命的絕大部分是微生物,是看不見的;而絕大多數微生物,從未在實驗室裡被培養出來——於是數百年間,我們對生命真正的形貌是盲的。沃斯的方法給了我們一雙眼睛:讀一個普適的分子,你就能把任何生物安放到樹上,哪怕你只能在海水或土壤裡找到它的一抹 DNA。

這改變了我們能問的問題本身。古菌後來被發現無處不在,也包括你的體內;而它們就緊挨著複雜細胞的起源——也就是我們自己這類細胞從何而來的那個問題。我們今天所用的那張生命地圖,正是沃斯與福克斯開始描畫的。

像比對一句共享的話

想像每個生物都帶著同一段非常古老的話,被抄了又抄,抄了幾十億年。沒有哪份抄本是完美的,於是小錯誤一點點累積——兩份抄本差得越多,它們共用同一個抄寫員的年代就越久遠。把這些話並排讀,你就能重建家譜,連你從不知道存在的親戚也找得回來。

核糖體 RNA 就是那段共享的話。當沃斯把產甲烷菌的抄本與一個細菌的並排比對時,差異之大,竟與細菌和我們之間的差異相當——這告訴他:它們根本不是細菌,而是遠得不能再遠的表親。

一張相似度網格和六個生物。滑動閾值會把近親連起來;這些生物落成三個組——兩種細菌、兩種產甲烷菌、兩種真核生物——在大多數設定下都各自分開。

它的位置

達爾文(1859)給了生命一棵分枝的大樹,卻沒給我們讀出最深岔口的辦法;後來「基因由 DNA 構成」的發現,以及隨之而來的分子生物學,才終於讓這些岔口變得可讀。沃斯與福克斯提供了那個分子,也提供了那套方法。與本館「馬古利斯」一條並讀,畫面便合攏了:我們自己的複雜細胞,看來是一個古菌宿主與一個被俘細菌之間的夥伴關係——於是三域之樹與「細胞中的細胞」,是同一個起源故事的兩半。

The original document
Original source text
Carl R. Woese & George E. Fox · Proc. Natl. Acad. Sci. USA · vol. 74, no. 11, pp. 5088–5090 · November 1977
Abstract
A phylogenetic analysis based upon ribosomal RNA sequence characterization reveals that living systems represent one of three aboriginal lines of descent: (i) the eubacteria, comprising all typical bacteria; (ii) the archaebacteria, containing methanogenic bacteria; and (iii) the urkaryotes, now represented in the cytoplasmic component of eukaryotic cells.
The method, in brief
For each organism the small-subunit ribosomal RNA (16S, or 18S in eukaryotes) was cut into pieces with the enzyme RNase T1 and the resulting oligonucleotides were sequenced, giving a “catalog” of short sequences for that organism. Any two catalogs were then compared by a single similarity number, the binary association coefficient S_AB = 2N_AB/(N_A + N_B), where N_A and N_B count the nucleotides in each catalog's hexamer-and-larger oligomers and N_AB those in the oligomers the two share. The whole paper rests on one small table of these coefficients.
The three primary kingdoms
The methanogens — bacteria that make methane and that until then had been filed among ordinary bacteria — turned out to score no closer to typical bacteria than to the cytoplasm of eukaryotes: about the background value shared by all life. They were therefore not bacteria at all, but a separate, equally ancient lineage the authors named the archaebacteria. Life was thus divided into three “primary kingdoms” (urkingdoms): eubacteria, archaebacteria, and the urkaryote line preserved in the eukaryotic cytoplasm.
[ … ]
Department of Genetics and Development, University of Illinois, Urbana · 1977