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(gè)極熱而巨大的星球爆炸后形成了太陽(yáng)及太陽(yáng)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?yàn)槌练e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(gè)時(shí)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(guò)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(guò)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?dú)夂桶睔?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(gè)時(shí)候第一次出現(xiàn)了自我復(fù)制的實(shí)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(lái)源太陽(yáng)的紫外線(UV)的輻射放電放射性活動(dòng)隕石撞擊產(chǎn)生的熱量和火山活動(dòng)的熱量和火山活動(dòng)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(jī)膜提供一個(gè)穩(wěn)定且相對(duì)干燥的環(huán)境。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期積累后，這些膜中可能會(huì)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(shí)體是什么樣的呢？最簡(jiǎn)單的自我復(fù)制實(shí)體也都顯示這兩個(gè)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(lái)源于他們催化的反應(yīng)放出的熱量。人們推測(cè)早期生物與現(xiàn)代細(xì)胞相像但只含有幾個(gè)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(shí)代，當(dāng)時(shí)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(guò)，各種自我復(fù)制的RNA可能執(zhí)行著對(duì)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(shí)，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(shí)候，自然選擇可能推動(dòng)了他們的進(jìn)化過(guò)程?，F(xiàn)代細(xì)胞：DNA---RNA---蛋白質(zhì)為什么會(huì)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(gè)時(shí)候，三部分系統(tǒng)(DNARNA和蛋白質(zhì)）變成細(xì)胞中生物信息過(guò)程的固定的最佳組分。原始生命：能量和碳代謝

生命是一個(gè)高度有序的過(guò)程。把各種各樣的分子聚集起來(lái)使之成為一個(gè)復(fù)雜的生物機(jī)器——細(xì)胞，這一過(guò)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(jī)化能營(yíng)養(yǎng)無(wú)機(jī)化能營(yíng)養(yǎng)的能量產(chǎn)生機(jī)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(duì)地球產(chǎn)生了深刻的影響，因?yàn)殡S著氧氣的積累，大氣層從無(wú)氧變成有氧。氧出現(xiàn)的另一個(gè)重要影響就是臭氧的形成，臭氧能提供一個(gè)屏障來(lái)阻止太陽(yáng)輻射的強(qiáng)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(gè)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(jī)化能營(yíng)養(yǎng)和光氧微生物穩(wěn)定的內(nèi)共生細(xì)菌?？赡荛_(kāi)始是一個(gè)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(gè)過(guò)程就叫內(nèi)共生。若一些真核細(xì)胞沒(méi)有吸收過(guò)內(nèi)共生體或者是吸收后來(lái)又分泌出去，可能是因?yàn)樗鼈兩娴男…h(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(méi)有被保持，而有益的卻保存下來(lái)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(jì)時(shí)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(jì)時(shí)器分子計(jì)時(shí)器的標(biāo)準(zhǔn)分子計(jì)時(shí)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(duì)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(gè)整體來(lái)反映其進(jìn)化變化.事實(shí)上,測(cè)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?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)期太多的變化攪亂了進(jìn)化信號(hào).

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

RNA,rRNA)作為進(jìn)化計(jì)時(shí)器的核糖體RNA

rRNA的一些特征使其成為極好的進(jìn)化計(jì)時(shí)器.rRNA相對(duì)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(cè)序16SrRNA,因?yàn)樗呛颂求w小亞基的一部分.

rRNA序列有一個(gè)巨大的數(shù)據(jù)庫(kù).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(jì)算機(jī)分析的結(jié)合,獲得了rRNA序列及創(chuàng)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的方法.

測(cè)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(kāi)始這一程序,先用聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)擴(kuò)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(cè)序.采用與rRNA小亞基保守序列互補(bǔ)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(cè)序的DNA樣品.一旦序列被測(cè)定,序列數(shù)據(jù)就能用于電腦分析.通過(guò)RNA序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)對(duì)于rRNA測(cè)序,可以利用不同序列分析和系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)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(zhǎng)度.排序過(guò)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(gè)形成系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的程序中進(jìn)行比對(duì)分析.

兩個(gè)應(yīng)用最廣泛的獲得系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的方法是距離法和簡(jiǎn)約性法.用距離法構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),先把序列排位,然后通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)庫(kù)中序列有差異的位置來(lái)計(jì)算進(jìn)化距離.根據(jù)這些數(shù)據(jù),可以構(gòu)造出一個(gè)顯示數(shù)據(jù)庫(kù)中任意兩個(gè)序列ED的矩陣.接著,把一個(gè)系統(tǒng)校正因子引入ED,判斷在每一個(gè)定位點(diǎn)發(fā)生多于一種變化的可能性.一旦計(jì)算了這種可能性,就能獲得一個(gè)系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),該樹(shù)上線的長(zhǎng)度與進(jìn)化距離是成正比的.簡(jiǎn)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(gè)假設(shè)獲得的進(jìn)化樹(shù):在進(jìn)化分支過(guò)程中確實(shí)存在把來(lái)自相同祖先的兩個(gè)譜系分開(kāi)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(gè)特殊的數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)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(shù)的分支順序可能確實(shí)不大相同,因此,單一的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)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(shù)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(jì)算機(jī)分析揭示了特征序列,這種序列是單獨(dú)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(cuò)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(lái)設(shè)計(jì)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(lái)與混合物中的互補(bǔ)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(gè)域的.相反,特異的核酸探針可以被設(shè)計(jì)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(shí),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(guò)。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(lái)擴(kuò)增來(lái)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(cè)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(gè)系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，它會(huì)顯示出群落中存在的不同rRNA。從這個(gè)樹(shù)中，特定的生物體可以被測(cè)定出來(lái)。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(gè)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(shù)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(gè)域。細(xì)菌古生菌真核生物生物各個(gè)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(zhǎng)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(gè)或更多多肽3種含有10~12個(gè)多肽蛋白質(zhì)合成特征tRNA含有一個(gè)修飾的甲酰甲硫氨酸t(yī)RNA含有一個(gè)沒(méi)有修飾的甲硫氨酸t(yī)RNA含有一個(gè)沒(méi)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(jià)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(duì)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(dòng)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(gè)生物看起來(lái)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(huì)測(cè)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(yíng)養(yǎng)和生理及生活習(xí)性。為了鑒定一種生物，必須評(píng)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(gè)生物的DNA中鳥(niǎo)嘌呤加上胞嘧啶所占的百分比。有幾種方法能測(cè)定這個(gè)百分比，包括測(cè)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(diǎn)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(gè)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(cè)序不能確定的時(shí)候基因組雜交對(duì)于區(qū)分關(guān)系非常近的生物就很有用。在雜交試驗(yàn)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(duì)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(guò)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(cè)雜交DNA的放射活性，并與對(duì)照組進(jìn)行比較，對(duì)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