微生物進(jìn)化和系統(tǒng)學(xué)

微生物進(jìn)化和系統(tǒng)學(xué)微生物進(jìn)化和系統(tǒng)學(xué)早期地球生命起源和微生物的多樣性確定進(jìn)化關(guān)系的方法微生物的進(jìn)化微生物分類學(xué)及其系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系早期地球生命起源和微生物的多樣性

地球的進(jìn)化和早期生命形式原始生命:RNA世界和分子編碼能量和碳代謝真核生物和細(xì)胞器:內(nèi)共生1.1早期地球生命起源和微生物的多樣性

地球的進(jìn)化和早期生命形式地球的起源地球本身大約已經(jīng)存在46億年.一個極熱而巨大的星球爆炸后形成了太陽及太陽系的其他成員.目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最古老的巖石可追溯到大約40億年前.

原始巖石有3種類型:沉積巖火山巖和碳酸巖.最早的沉積巖具有特殊的進(jìn)化意義.因為沉積巖的形成需要液態(tài)水.因此,既然沉積巖在地球上大約40億年,就表明那個時候就存在液態(tài)水,也許以海洋湖波形式存在.早期地球存在微生物生命的證據(jù)

原始巖石中存在微生物的證據(jù)依賴于帶有細(xì)胞的化石和這些巖石中同位”輕”碳豐度(可利用同位素分析碳和硫作為生命過程的依據(jù)).一些原始巖石中含有微小細(xì)胞的化石,典型的有桿狀和球狀菌.在35億年或更早一些巖石里,含有微生物豐富的疊層石形成.疊層石是由絲狀原核生物和截留的沉積物組成的微生物墊化石.通過和現(xiàn)代疊層石比較發(fā)現(xiàn),古代疊層石可能與綠色非硫細(xì)菌綠屈撓屬有關(guān).早期地球的環(huán)境:熱而缺氧

除了水之外,還存在不同的氣體,最豐富的是甲烷二氧化碳氮氣和氨氣,還有痕量的一氧化碳和氫氣,還有相當(dāng)數(shù)量的以硫化氫和硫化亞鐵混合物形式存在的硫化物還有相當(dāng)數(shù)量的氰化物存在.

大多數(shù)證據(jù)表明早期地球比現(xiàn)在熱.若假設(shè)在地球依然相當(dāng)熱的某個時候第一次出現(xiàn)了自我復(fù)制的實體,那早期地球生命形式似乎是及其耐熱的.生命的起源氣體能量

能量最可能來源太陽的紫外線(UV)的輻射放電放射性活動隕石撞擊產(chǎn)生的熱量和火山活動的熱量和火山活動的熱能。催化作用和蒙脫石黏土的重要性

在早期地球上想要得到自發(fā)合成的大分子，必須存在催化劑。粘土和黃鐵礦的表面具有良好的可能性。這些表面將為大分子的合成及積累的大分子形成有機膜提供一個穩(wěn)定且相對干燥的環(huán)境。經(jīng)過長時期積累后，這些膜中可能會產(chǎn)生原始的自我復(fù)制的結(jié)構(gòu)。如：蒙脫石黏土是極好的催化表面，在有脂肪酸和蒙脫石黏土?xí)r，能觸發(fā)細(xì)胞的小脂囊泡形成。1.2原始生命最早能自我復(fù)制的實體是什么樣的呢？最簡單的自我復(fù)制實體也都顯示這兩個特征：1獲得能量的手段；2一些遺傳形式。但是這些特征需要細(xì)胞結(jié)構(gòu)嗎？能量來源于他們催化的反應(yīng)放出的熱量。人們推測早期生物與現(xiàn)代細(xì)胞相像但只含有幾個基因，具有優(yōu)先的轉(zhuǎn)錄和翻譯能力。隨后發(fā)現(xiàn)，某些類型的核糖體核苷酸是催化劑。那么，最早的生命形式可能不完全是細(xì)胞而是裸露的RNA。可能就是“RNA生命”時代，當(dāng)時的RNA具有執(zhí)行催化和遺傳編碼兩種功能。RNA生命在RNA世界里——如果它曾經(jīng)存在過，各種自我復(fù)制的RNA可能執(zhí)行著對于它們自我復(fù)制必不可少的催化反應(yīng)。各種催化性RNA能夠催化幾種不同的反應(yīng)，包括自我復(fù)制。而且，某些核酶能利用糖和含氮堿基合成核苷酸，把氨基酸聚合成多肽。當(dāng)被包裹進(jìn)脂蛋白囊泡中時，自我復(fù)制的RNA生命就進(jìn)化為最早的細(xì)胞生命形式，可能和蒙脫石黏土囊泡相似。當(dāng)這些結(jié)構(gòu)復(fù)制的時候，自然選擇可能推動了他們的進(jìn)化過程?，F(xiàn)代細(xì)胞：DNA---RNA---蛋白質(zhì)為什么會出現(xiàn)DNA細(xì)胞？1.由于細(xì)胞需要把遺傳信息保存在細(xì)胞的某一地方，并保持一種穩(wěn)定的形式，從這里基因被表達(dá)產(chǎn)生蛋白質(zhì)。2.RNA作為遺傳物質(zhì)的不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致DNA系統(tǒng)的出現(xiàn)。在微生物進(jìn)化早期的某個時候，三部分系統(tǒng)(DNARNA和蛋白質(zhì)）變成細(xì)胞中生物信息過程的固定的最佳組分。原始生命：能量和碳代謝

生命是一個高度有序的過程。把各種各樣的分子聚集起來使之成為一個復(fù)雜的生物機器——細(xì)胞，這一過程需要能量。直到進(jìn)化出現(xiàn)了藍(lán)細(xì)菌，分子氧在地球上才大量的聚積。各種各樣的有機化能營養(yǎng)無機化能營養(yǎng)的能量產(chǎn)生機制和一些光能合成就在缺氧條件下發(fā)生了。

含有鐵離子的反應(yīng)經(jīng)常被認(rèn)為是原始生物產(chǎn)生能量的反應(yīng)。氧分子：鐵條帶形成大氣層中的氧氣的產(chǎn)生

生養(yǎng)光合作用的出現(xiàn)對地球產(chǎn)生了深刻的影響，因為隨著氧氣的積累，大氣層從無氧變成有氧。氧出現(xiàn)的另一個重要影響就是臭氧的形成，臭氧能提供一個屏障來阻止太陽輻射的強烈紫外線到達(dá)地球。隨著光合作用產(chǎn)物氧氣的產(chǎn)生及隨后的臭氧層的出現(xiàn)，微生物就能夠遍布整個地球表面，從而允許生物更多樣化的進(jìn)行。1.3真核生物和細(xì)胞器：內(nèi)共生

內(nèi)共生現(xiàn)代真核細(xì)胞（含有細(xì)胞器)并不是隨著細(xì)胞功能分化成封閉成的結(jié)構(gòu)——細(xì)胞器而逐漸出現(xiàn)的。細(xì)胞器是起源于有機化能營養(yǎng)和光氧微生物穩(wěn)定的內(nèi)共生細(xì)菌。可能開始是一個好氧細(xì)菌在原始真核生物的細(xì)胞質(zhì)中定居，并為細(xì)胞提供能量以換取穩(wěn)定的保護(hù)性環(huán)境及現(xiàn)成的養(yǎng)分供給。這個過程就叫內(nèi)共生。若一些真核細(xì)胞沒有吸收過內(nèi)共生體或者是吸收后來又分泌出去，可能是因為它們生存的小環(huán)境是厭氧的。內(nèi)共生作用并不是一蹴而就的。不穩(wěn)定的或有害的共生體沒有被保持，而有益的卻保存下來了。從這些共生體中誕生了現(xiàn)代真核細(xì)胞。確定進(jìn)化關(guān)系的方法進(jìn)化計時器作為分子進(jìn)化工具的rRNA序列特征序列系統(tǒng)發(fā)生探針和微生物群落分析2.1進(jìn)化計時器分子計時器的標(biāo)準(zhǔn)分子計時器必須普遍分布在所研究的群體中；該分子在每種生物中必須具有功能同源性；該分子應(yīng)具序列保守區(qū)以便對分析的序列進(jìn)行排序;該分子序列應(yīng)能以所研究生物作為一個整體來反映其進(jìn)化變化.事實上,測定的系統(tǒng)發(fā)育距離越大,序列變化率就必定越慢,這是因為長時期太多的變化攪亂了進(jìn)化信號.

許多基因和蛋白質(zhì)被定為進(jìn)化計時器.進(jìn)化計時器中應(yīng)用最廣泛的核糖體RNA(ribosomal

RNA,rRNA)作為進(jìn)化計時器的核糖體RNA

rRNA的一些特征使其成為極好的進(jìn)化計時器.rRNA相對較大,功能穩(wěn)定,分布廣泛,并且包含著一些所有細(xì)胞保守性的核苷酸序列.rRNA分子有三種類型,在生物中分別是5S16S23S.測序16SrRNA,因為它是核糖體小亞基的一部分.

rRNA序列有一個巨大的數(shù)據(jù)庫.把rRNA作為系統(tǒng)發(fā)育工具,并廣泛應(yīng)用與生物學(xué)領(lǐng)域.作為分子進(jìn)化工具的rRNA序列由于分子生物學(xué)和計算機分析的結(jié)合,獲得了rRNA序列及創(chuàng)建的系統(tǒng)發(fā)育樹的方法.

測序的方法:假設(shè)我們研究的是微生物的純培養(yǎng)物,為了開始這一程序,先用聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)擴增基因編碼中編碼16rRNA的基因.緊接著,PCR產(chǎn)物用雙脫氧法測序.采用與rRNA小亞基保守序列互補的序列作為PCR引物僅少量細(xì)胞樣品就能產(chǎn)生大量用于測序的DNA樣品.一旦序列被測定,序列數(shù)據(jù)就能用于電腦分析.通過RNA序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹對于rRNA測序,可以利用不同序列分析和系統(tǒng)發(fā)育樹建立的推算方法.然而,不管用什么程序,原始數(shù)據(jù)必須首先與以前用序列編輯軟件排好的序列排成一條線.并不是所有的rRNA都有完全相同的長度.排序過程中一序列比另一序列短所造成的縫隙必須被插入,然后把排好的序列輸入到一個形成系統(tǒng)發(fā)育樹的程序中進(jìn)行比對分析.

兩個應(yīng)用最廣泛的獲得系統(tǒng)發(fā)育樹的方法是距離法和簡約性法.用距離法構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹,先把序列排位,然后通過計算機記錄數(shù)據(jù)庫中序列有差異的位置來計算進(jìn)化距離.根據(jù)這些數(shù)據(jù),可以構(gòu)造出一個顯示數(shù)據(jù)庫中任意兩個序列ED的矩陣.接著,把一個系統(tǒng)校正因子引入ED,判斷在每一個定位點發(fā)生多于一種變化的可能性.一旦計算了這種可能性,就能獲得一個系統(tǒng)發(fā)育樹,該樹上線的長度與進(jìn)化距離是成正比的.簡約性法,是另一種普遍用于系統(tǒng)發(fā)育學(xué)分析的方法,它基于這樣一個假設(shè)獲得的進(jìn)化樹:在進(jìn)化分支過程中確實存在把來自相同祖先的兩個譜系分開所必需的最小序列變化量.像距離程序一樣,這一方法需要一個特殊的數(shù)據(jù)庫計算序列差異的數(shù)目.雖然相同的數(shù)據(jù)分別用這兩種方法構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹的分支順序可能確實不大相同,因此,單一的系統(tǒng)發(fā)育樹不可能最后確定所研究生物的進(jìn)化關(guān)系.任何一種系統(tǒng)發(fā)育樹都僅被認(rèn)為比較接近某一群體的真正系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系.

2.3特征序列系統(tǒng)發(fā)育探針和微生物群落分析特征序列

rRNA序列的計算機分析揭示了特征序列,這種序列是單獨存在于某些生物類群中的短寡聚核苷酸.由于其特異性,特征序列十分有用.例如,特征序列有助于將新分離出的或以前被錯誤分類的生物置于正確的系統(tǒng)發(fā)育類群.最普遍的用途是用來設(shè)計稱為系統(tǒng)發(fā)生探針的特異核苷酸探針.系統(tǒng)發(fā)生探針和FISH

探針是一段可以被標(biāo)記的用來與混合物中的互補核酸雜交的核酸鏈.探針可以是通用的也可以是特定的.例如,合成的通用核糖體RNA探針可以與所有生物的核糖體RNA的保守序列結(jié)合,不管它們是哪個域的.相反,特異的核酸探針可以被設(shè)計成只與細(xì)菌中的一些種反應(yīng).

當(dāng)探針上連接熒光染料時,探針與細(xì)胞內(nèi)核糖體的結(jié)合就可以在顯微鏡下觀察到.用適當(dāng)?shù)脑噭┨幚砑?xì)胞后,細(xì)胞膜就變得具有通透性并且探針染料混合物通過。探針與核糖體RNA中的rRNA直接雜交以后，細(xì)胞變得帶有熒光并能夠在熒光顯微鏡觀察，這種技術(shù)就叫做熒光原位雜交（FISH）。FISH是一種系統(tǒng)發(fā)育的染色方法，被廣泛應(yīng)用于微生物生態(tài)學(xué)和臨床診斷中。微生物群落分析利用PCR技術(shù)來擴增來自群體中所有成員的編碼SUUrRNA的基因，從而獲得自然微生物群落的系統(tǒng)發(fā)生。這些基因很容易地被分離測序和排序，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以從“環(huán)境”序列中獲得一個系統(tǒng)發(fā)育樹，它會顯示出群落中存在的不同rRNA。從這個樹中，特定的生物體可以被測定出來。這種微生物群落分析揭示了許多微生物群落結(jié)構(gòu)和微生物間的相互作用的重要特征。微生物進(jìn)化從rRNA序列獲得的微生物系統(tǒng)發(fā)育史生物各個域的特征3.1從rRNA序列獲得的微生物系統(tǒng)發(fā)育史生命通用的系統(tǒng)樹展示了所有細(xì)胞生物的進(jìn)化歷史并且清楚的揭示了生命的3個域。細(xì)菌古生菌真核生物生物各個域的特征細(xì)菌古生菌真核生物細(xì)胞壁含有肽聚糖不同的化學(xué)成分纖維素和幾丁質(zhì)脂類脂肪酸以酯鍵與甘油分子相連，脂肪酸是直鏈分子長鏈分支碳水化合物以醚鍵與甘油相連脂肪酸以酯鍵與甘油分子相連RNA聚合酶4種多肽互相結(jié)合的比例是2：1：1：1比細(xì)菌復(fù)雜，一些含有8個或更多多肽3種含有10~12個多肽蛋白質(zhì)合成特征tRNA含有一個修飾的甲酰甲硫氨酸t(yī)RNA含有一個沒有修飾的甲硫氨酸t(yī)RNA含有一個沒有修飾的甲硫氨酸域的其他特征特征細(xì)菌古生菌真核生物原細(xì)胞結(jié)構(gòu)是是否DNA以共價閉合環(huán)狀形式存在是是否存在組蛋白否是是膜封閉的細(xì)胞核不存在不存在存在多數(shù)基因中的內(nèi)含子否否是操縱子mRNA加帽和polyA加尾是否是核糖體對白喉毒素的敏感性否是是質(zhì)粒是是極少需要轉(zhuǎn)錄因子否是是啟動子結(jié)構(gòu)-10和-35TATA框TATA框產(chǎn)甲烷否是否反硝化作用是是否微生物分類學(xué)及其系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系經(jīng)典分類學(xué)化學(xué)分類學(xué)4.1經(jīng)典分類學(xué)傳統(tǒng)上的細(xì)菌分類依賴于表型分析。如某個生物看起來像什么，它的能量代謝，它的酶及其他的特征。在經(jīng)典的細(xì)菌分類學(xué)中，會測定幾種表型特征，得到的數(shù)據(jù)用于把一種生物在分類學(xué)階梯上從種分到域。包括形態(tài)營養(yǎng)和生理及生活習(xí)性。為了鑒定一種生物，必須評估它的幾種表型特征，從一般到特別。GC比率

GC的百分比被定義為：一個生物的DNA中鳥嘌呤加上胞嘧啶所占的百分比。有幾種方法能測定這個百分比，包括測定DNA的溶解溫度或者色譜方法。如果兩種生物的GC百分比的差異大于5%左右，他們DNA相同序列就少。4.2化學(xué)分類學(xué)基因組DNA:DNA雜交核糖體分型多位點序列分型脂肪酸分析：FAMEDNA:DNA雜交如果兩種生物的DNA有很多相同的核苷酸序列，它們可能含有很多高度相似的基因。因此，這兩個DNA可以相互雜交，雜交的結(jié)果與它們基因序列的相似性成比例。當(dāng)rRNA測序不能確定的時候基因組雜交對于區(qū)分關(guān)系非常近的生物就很有用。在雜交試驗中，分離自一種生物的DNA用P32或H3進(jìn)行放射性標(biāo)記，剪貼成相對小的片段，加熱使之變性，并與分離自第二種生物用同樣方法處理的過量為標(biāo)記的DNA混合在一起，然后將DNA混合降溫退火，并將雙鏈DNA與未雜交的DNA分離。然后，檢測雜交DNA的放射活性，并與對照組進(jìn)行比較，對照組是100%的雜交度。核糖體分型核糖體分型是一種用于細(xì)菌鑒定的技術(shù)，它是利用rRNA的系統(tǒng)發(fā)育特征的方法。把一種生物的D