JOVANA
Explore Library Glossary Getting Started Three Levels Fields How it works Mission
Join the mission
Back to the library
生物学 1977

原核域的系统发生结构:原初的诸界

卡尔·沃斯、乔治·福克斯

通过解读生命最古老的分子,他们发现细胞并非两类,而是三类——还有一整个被隐藏的界。

Choose your version
In depth · the introduction

为了寻找生命之树上最深的枝桠,两位科学家找到了一条谁都不曾画过的枝——第三种生命,就藏在众目睽睽之下。

生命不是两类,而是三类

很长一段时间里,生物学把一切生命塞进两个盒子:没有细胞核的简单细胞(细菌),和有细胞核的复杂细胞(其余一切——我们、植物、真菌)。卡尔·沃斯怀疑这漏掉了什么,因为这种分法是按细胞「长什么样」来分的,而不是按它们彼此「有多亲」。

于是他挑了一个每个活细胞都携带的分子:核糖体 RNA——那台造蛋白质的小机器的一部分。比对它在不同生物之间的序列,他就能直接量出亲疏。而从这一比对里,掉出了一个震惊:一群会产甲烷的微生物,看上去像细菌,骨子里却既不比细菌更像细菌,也不比我们更像细菌。它们是一整条第三分支的生命。今天我们叫它们「古菌」。

没人相信的那条分支

沃斯在伊利诺伊大学,与同事乔治·福克斯一道,花了数年做着辛苦的实验:把核糖体 RNA 切碎、读出它的片段、为每个生物建一份「目录」。这活儿慢、不光鲜,离当时那些热门问题也很远。

1977 年结果出来时——产甲烷菌是一条独立而古老的谱系——大半个生物学界根本不买账。前辈科学家公开质疑;沃斯因为凭一个分子就重画生命之树,被一些人斥为「怪人」。可他是对的。随着 DNA 测序技术成熟,那第三条分支一次又一次稳稳立住,古菌终成教科书里的事实。

为什么重要

生命的绝大部分是微生物,是看不见的;而绝大多数微生物,从未在实验室里被培养出来——于是数百年间,我们对生命真正的形貌是盲的。沃斯的方法给了我们一双眼睛:读一个普适的分子,你就能把任何生物安放到树上,哪怕你只能在海水或土壤里找到它的一抹 DNA。

这改变了我们能问的问题本身。古菌后来被发现无处不在,也包括你的体内;而它们就紧挨着复杂细胞的起源——也就是我们自己这类细胞从何而来的那个问题。我们今天所用的那张生命地图,正是沃斯与福克斯开始描画的。

像比对一句共享的话

想象每个生物都带着同一段非常古老的话,被抄了又抄,抄了几十亿年。没有哪份抄本是完美的,于是小错误一点点累积——两份抄本差得越多,它们共用同一个抄写员的年代就越久远。把这些话并排读,你就能重建家谱,连你从不知道存在的亲戚也找得回来。

核糖体 RNA 就是那段共享的话。当沃斯把产甲烷菌的抄本与一个细菌的并排比对时,差异之大,竟与细菌和我们之间的差异相当——这告诉他:它们根本不是细菌,而是远得不能再远的表亲。

一张相似度网格和六个生物。滑动阈值会把近亲连起来;这些生物落成三个组——两种细菌、两种产甲烷菌、两种真核生物——在大多数设定下都各自分开。

它的位置

达尔文(1859)给了生命一棵分枝的大树,却没给我们读出最深岔口的办法;后来「基因由 DNA 构成」的发现,以及随之而来的分子生物学,才终于让这些岔口变得可读。沃斯与福克斯提供了那个分子,也提供了那套方法。与本馆「马古利斯」一条并读,画面便合拢了:我们自己的复杂细胞,看来是一个古菌宿主与一个被俘细菌之间的伙伴关系——于是三域之树与「细胞中的细胞」,是同一个起源故事的两半。

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