幾個世紀以來，人類始終在致力于發(fā)現(xiàn)和描述地球生物的多樣性?？茖W(xué)家和博物學(xué)家已經(jīng)對所有大陸和海洋物種進行了分類，從地殼深處到最高的山脈之巔，從最偏遠的叢林到人口最密集的城市都包括在內(nèi)。這些努力揭示了生命進化的形式和行為，同時也為理解共同的生命起源奠定了基礎(chǔ)。直到最近，我們的星球被認為居住著近1000萬（10的7次方）種物種。盡管這個數(shù)字已經(jīng)十分驚人，但它們幾乎都屬于肉眼可見的物種。
那么像細菌、古生菌、原生生物和真菌這樣的微小物種呢？總的來說，這些微生物類群是地球上最豐富、分布最廣、進化時間最長的生命形式。它們對全球生物多樣性的貢獻有多大？將微生物納入統(tǒng)計，最近的研究表明，地球上可能有1萬億（10的12次方）個物種。如果這是真的，那么我們數(shù)千年來發(fā)現(xiàn)地球生物，只占地球上所有物種的十萬分之一。
即使在最普通的棲息地，估算微生物的多樣性也面臨著一系列獨特的挑戰(zhàn)。100多年以來，科學(xué)家們通過在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)微生物物種，然后描述它們的細胞特性，以及它們的生理特性，如熱耐受性、它們消耗的基質(zhì)或它們產(chǎn)生的酶，來鑒定微生物種類。這類方法大大低估了多樣性，不僅是因為培養(yǎng)絕大多數(shù)微生物很困難，還因為不相關(guān)的微生物物種可以表現(xiàn)出類似的特性，而且不太可能通過外表來區(qū)分。
自從20世紀90年代中期以來，越來越多的微生物學(xué)家開始放棄培養(yǎng)技術(shù)，轉(zhuǎn)而通過直接測序從海水、樹葉表面、濕地沉積物甚至淋浴噴頭內(nèi)部生物膜中提取的核酸(DNA)來鑒定生物。在過去的10年里，這些方法得到了極大的改進，使得數(shù)以百萬計的微生物個體可以同時被取樣。通過這種高通量的方法，我們了解到，一克農(nóng)業(yè)土壤中通?？梢园?0000多個物種。
同樣，我們知道近10萬億（10的13次方）個細菌細胞構(gòu)成了人類的微生物群。這些微生物不僅有助于宿主的消化和營養(yǎng)吸收，也代表了其免疫系統(tǒng)的擴展。放眼地球各處，在地殼、大氣、海洋和冰蓋的深處都發(fā)現(xiàn)了微生物的身影?？偟膩碚f，地球上微生物細胞的估計數(shù)量大約在1nonillion(10的30次方)左右，這個數(shù)字超出了人們的想象，也超過了宇宙中恒星的估計數(shù)量。自然，這就引出了一個問題：到底有多少物種可能存在？
地球上幾乎每個生態(tài)系統(tǒng)中都有長長的物種名單，每年都有近2萬種動植物新物種被發(fā)現(xiàn)。這些物種中有許多碰巧是甲蟲，但關(guān)于嚙齒動物、魚類、爬行動物甚至靈長類動物的報道也不少見。盡管令生物學(xué)家和公眾都感到興奮，但新出現(xiàn)的動植物物種每年僅占物種總數(shù)的2%左右。這一跡象表明，我們可能正在接近對地球上這些生物近乎完整的普查。
與之形成鮮明對比的是，在微生物世界中，包含數(shù)不清物種的深層譜系正在被迅速描述出來。幾年前，科學(xué)家在科羅拉多州的一個含水層中發(fā)現(xiàn)了35個新的細菌門。門是個廣泛的群體，包含成千上萬或數(shù)以百萬計的微生物，甚至是相關(guān)物種。在這個含水層中發(fā)現(xiàn)的細菌門占地球上所有以前確認的細菌門的15%。
在此背景下，人類屬于脊索動物門，但也有65000多種其他動物擁有脊索(或骨桿)，包括哺乳動物、魚類、兩棲動物、爬行動物、鳥類和被囊動物。這些發(fā)現(xiàn)表明，就描述微生物生物圈的多樣性而言，我們發(fā)現(xiàn)的只是冰山一角。理想情況下，如果我們要對全球生物多樣性進行評估，應(yīng)該就物種的構(gòu)成達成一致。
對于植物和動物來說，物種通常被定義為一組能夠交配并產(chǎn)生可繁殖后代的生物。不幸的是，這個定義對于分類微生物物種并不是很適用，因為它們是無性繁殖的。微生物可以通過被稱為“水平基因轉(zhuǎn)移”的過程，在密切相關(guān)的個體之間轉(zhuǎn)移基因，這種過程類似于有性繁殖生物的重組。
盡管如此，仍有些基于共同祖先的分類方法，可以從遺傳數(shù)據(jù)中推斷出來。最常用于描述微生物分類的技術(shù)包括核糖體RNA (rRNA)基因序列比較。這種基因參與構(gòu)建核糖體，核糖體是所有生命形式中蛋白質(zhì)合成所需的分子機制。通過比較序列之間的相似性，科學(xué)家們不需要培育類群，也不需要費力地描述它們的生理或細胞結(jié)構(gòu)，就能識別出類群。
與這種基于rRNA的微生物分類相關(guān)的許多警告中，有一個事實是它可能低估了物種的真實數(shù)量。如果是這樣的話，那么最近關(guān)于地球上可能有1億萬個物種的預(yù)測可能仍是個相當(dāng)保守的估計，盡管其數(shù)量驚人。了解地球上微生物種類數(shù)量，可能對提高我們的生活質(zhì)量具有實際意義。
利用生物多樣性的前景可能會刺激替代燃料的開發(fā)以滿足日益增長的能源需求，為快速增長的人口提供新作物，以及對抗新出現(xiàn)的傳染病藥物。但也許有一個更基本的原因讓我們想知道人類與多少物種共享地球。從文明的黎明開始，人類的生存就依賴于對植物、動物和微生物的研究，我們試圖從以往的試驗和錯誤中吸取教訓(xùn)或避免錯誤。我們對生物多樣性的興趣也反映了對自然世界和我們在其中發(fā)揮作用的內(nèi)在好奇心。無論是贊美、保護、改造還是開發(fā)，人類正試圖對居住在地球上的物種有個全面了解。
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