過去，要發現新的生命形式，你只需在樹林裡散步。現在沒那麼簡單了。最顯眼的生物早已被編目並固定在生命之樹上，而那些尚未被發現的生物並不容易被發現。你可能用最好的科學儀器在同一個水坑旁待上一整天，卻一無所獲。
也許，當發現確實發生時，它們有時會如潮水般湧來，這並不奇怪。找到一種不同的觀察方式，新的生命形式就會無處不在。
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加州大學伯克利分校的一個微生物學家團隊最近發現了一種檢測生命的新方法。 一舉之下，他們的研究使已知的細菌型別（或門）的數量增加了近 50%，這一巨大變化表明，到目前為止，地球上有多少生命形式逃過了我們的注意。
該論文的主要作者、吉爾·班菲爾德實驗室的學生克里斯·布朗說：“生命之樹中的一些分支以前曾被注意到。”“透過這項研究，我們能夠填補許多空白。”
生命的最細密的網
作為一種組織工具，生命之樹已經存在很長時間了。拉馬克有他自己的版本。達爾文有另一個版本。當前樹的基本結構可以追溯到 40 年前，微生物學家卡爾·沃斯將生命分為三個域：真核生物，包括所有植物和動物；細菌；以及古細菌，具有自身獨特特徵的單細胞微生物。過了一段時間，發現的關鍵在於尋找新的搜尋方法。
美國能源部聯合基因組研究所所長愛德華·魯賓說：“我們過去認為只有植物和動物。”“後來我們有了顯微鏡，得到了微生物。然後我們進行了小水平的 DNA 測序。”
DNA 測序是當前研究的核心，儘管研究人員的成功也歸功於更基礎的技術。該團隊從科羅拉多州萊福鎮附近的科羅拉多河上的一個研究地點採集了水樣。在進行任何測序之前，他們將水透過一對越來越細的過濾器——孔徑分別為 0.2 和 0.1 微米——然後分析被過濾器捕獲的細胞。此時，他們手上已經有了未被發現的生命，原因很簡單，科學家們之前沒有想到在如此微小的尺度上尋找。
魯賓說：“大多數人認為細菌更大，而且大多數細菌確實更大。”“[班菲爾德]已經表明，存在整個非常小的種群。”
研究人員從細胞材料中提取了 DNA，並將其送往聯合基因組研究所進行測序。他們得到的是一團糟。想象一下，拿到一盒來自數千個不同拼圖遊戲的碎片，並且必須在不知道任何最終影像是什麼樣子的情況下將它們組裝起來。這就是研究人員在進行宏基因組分析時面臨的挑戰——一次性對來自許多生物的混亂的遺傳物質進行測序。
伯克利團隊開始使用演算法進行重新組裝過程，這些演算法將測序的遺傳密碼片段組裝成稍微長一點的字串，稱為重疊群。
布朗說：“你不再擁有微小的 DNA 片段，你擁有更大的片段。”“然後你弄清楚這些較大的片段中哪些屬於單個基因組。”
此過程的一部分是將重疊群組合以重建基因組序列，稱為基因組分箱。為了執行它，研究人員依賴於另一組演算法，該演算法由該研究的合著者伊泰·莎倫為該任務定製。他們還手動組裝了一些基因組，根據某些特徵對於給定基因組是一致的事實，來決定將什麼放在哪裡。例如，G 和 C 的百分比在生物體 DNA 的任何部分都將相似。
當組裝完成時，研究人員獲得了 8 個完整的細菌基因組和 789 個草稿基因組，這些基因組大約完成了 90%。一些生物以前曾被瞥見；許多其他的則是全新的。
以前沒有人發現這些生物的原因是，用於搜尋微小生命形式的傳統方法並不適用於所有生物。該方法涉及 16S rRNA 基因，它通常被比作指紋，因為其中包含的遺傳密碼對於每個生物都是獨一無二的。當面對 DNA 混合物（例如來自萊福水樣的混合物）時，科學家會使用稱為引物的物質來提取和擴增所有 16S rRNA 基因。問題是，並非所有 16S rRNA 基因都與引物發生反應，導致一些生物實際上不可見。
布朗說：“引物不像人們希望的那樣工作得很好。”“我們表明，我們重建的許多序列會被傳統的 16S 擴增型別方法錯過。”
透過重建完整或接近完整的基因組，布朗和他的合作者能夠在不依賴引物的情況下定位 16S rRNA 基因並識別生物。該小組於 7 月 9 日在《自然》雜誌上發表了他們的研究結果。
他們建立的更完整的基因組圖譜還使他們能夠梳理出他們發現的生命形式的特徵。他們發現的所有生物都有非常短的基因組，大約有一百萬個鹼基對（相比之下，大腸桿菌大約有五百萬個），而且它們都具有最小的代謝功能，需要它們利用發酵來產生能量。它們還缺少許多基本的生物合成途徑，並且需要幫助才能產生核苷酸和氨基酸。
布朗說：“它們必須在某種程度上依賴其他生物才能生存。這也解釋了為什麼沒有人能夠在實驗室中培養它們。”
一個新的域？
發現新的生物體相當簡單明瞭：要麼你發現了一個，要麼你沒有。對生物體進行編目，將它們放入生命之樹中，涉及更多的判斷性決定。
研究人員將 789 個生物體分為 35 個門，其中 28 個是新發現的，它們屬於細菌域。他們根據生物體的進化歷史以及生物體 16S rRNA 基因的密碼相似性進行分類——那些至少 75% 的密碼相同的生物體進入同一門。
加上這些新的成員，現在大約有 90 個已識別的細菌門。這比一年前多得多，但也遠少於微生物學家估計完成完整核算後將擁有的 1300 到 1500 個門。然而，基因測序和基因組分箱的最新進展使布朗和班菲爾德感到樂觀，認為我們很快就能繪製出所有這些圖譜。
班菲爾德在一封電子郵件中寫道：“我認為生命之樹的大部分將在未來幾年內呈現出來。”
當然，當我們認為自己已經看到一切時，我們很快就會想出一種新的觀察方式。魯賓認為，像新研究中使用的工具的開發使對生命的搜尋成為“一個增長的產業”，並且他認為這種增長很可能以令人驚訝的方式發生。
他說：“從不同的角度觀察事物可能會提供第四個域的可能性”，它與細菌、古細菌和真核生物並駕齊驅。“總會有新的東西來教給我們關於生命如何運作的基礎資訊。”
經量子雜誌許可轉載，西蒙斯基金會的編輯獨立出版物，其使命是透過報道數學以及物理和生命科學的研究進展和趨勢來增進公眾對科學的理解。