你采取的每一步，都可能走在一個(gè)看不見的，未被描述的微生物多樣性的世界。而且你不需要進(jìn)入大自然中去尋找這些通常未被注意到的微觀生物。作為 生物學(xué)家，我們直接了解這一點(diǎn)。幾年前喝咖啡的聚會(huì)結(jié)束了我們使用臨時(shí)取樣工具 - 實(shí)際上是咖啡攪拌器和咖啡杯蓋 - 從人行道的混凝土板之間收集一些黑色垃圾。在密西西比州立大學(xué)校園的這個(gè)世俗空間里，我們發(fā)現(xiàn)了在地球上生活了數(shù)百萬年的微生物。

在環(huán)境中尋找這些具有超凡魅力的生物雖然令人興奮，但這只是第一步。我們的共同利益是更好地了解有機(jī)體如何相互關(guān)聯(lián)。我們正在使用DNA來揭示他們在遙遠(yuǎn)的過去的關(guān)系。

通過對今天存活的有機(jī)體進(jìn)行抽樣，我們可以對數(shù)百萬年前在已經(jīng)滅絕的祖先中發(fā)生的進(jìn)化提出更深層次的問題。

拼湊生命之樹

在2015年咖啡日期之后，我們簡單的收集行為開始了我們在分子原生物學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室之間 的富有成效的合作。我們的重點(diǎn)是微觀單細(xì)胞生物，稱為原生生物，特別是那些使用稱為偽足的微小觸角移動(dòng)的生物。

我們在人行道樣本中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)難以捉摸的生物是一種名為Amphizonella的變形蟲; 我們開玩笑說，它以柔軟的保護(hù)性外層形式制造自己的“皮夾克”。

盡管其他科學(xué)家以前曾想過，我們有一種預(yù)感，即這種生物體與其他具有更強(qiáng)外層覆蓋物的變形蟲沒有密切關(guān)系。另一個(gè)更大的組織，叫做變形蟲阿米巴，有貝殼 - 想象微觀蝸牛 - 而不是皮夾克。

因?yàn)樽冃蜗x變形蟲是一種硬殼，它們具有化石化的潛力。事實(shí)上，他們生動(dòng)的化石記錄代表了一些最古老的真核生物化石 - 生命的類別，其成員將DNA保存在細(xì)胞核內(nèi)。為什么這很重要?人類也是真核生物，植物，真菌，其他動(dòng)物，kelps和原生生物也是如此。因?yàn)檫@些變形蟲是一些最古老的真核生物化石，它們可以反過來告訴像我們這樣的研究人員關(guān)于我們自己物種的起源。

自從21世紀(jì)初DNA測序問世以來，生物學(xué)家已經(jīng)使用了一小部分基因組，甚至是單個(gè)基因來檢驗(yàn)生物之間的關(guān)系，盡管成效有限。通過生物體之間的DNA序列的相似性，人們可以使用復(fù)雜的計(jì)算方法來推斷關(guān)系，所述復(fù)雜的計(jì)算方法模擬經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化。簡而言之，科學(xué)家們試圖將與誰相關(guān)的人拼湊在一起，以便重建生命進(jìn)化樹，或者我們稱之為系統(tǒng)發(fā)育樹。

在大多數(shù)情況下，變形蟲變形蟲很難在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)，因此很難用常規(guī)方法獲得足夠的材料來測序DNA。

為了克服這些挑戰(zhàn)，我們正在使用一種尖端技術(shù)，使我們能夠直接從環(huán)境中獲取有機(jī)體并對其整個(gè)轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測序 - 這是它制造的所有蛋白質(zhì)的藍(lán)圖。通過這種方式，我們能夠繞過整個(gè)基因組的測序(及其無關(guān)信息)并僅對蛋白質(zhì)編碼區(qū)域進(jìn)行測序。我們最終獲得了數(shù)十億個(gè)堿基對DNA的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，我們可以直接與其他生物的類似數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

該方法通過采樣數(shù)百個(gè)基因而不是單個(gè)基因來提供更好的分辨率。然后我們使用這些數(shù)據(jù)構(gòu)建一個(gè)生命系統(tǒng)生命樹，根據(jù)它們DNA的相似性，通過它們彼此之間的密切關(guān)系來組織我們的變形蟲。通過這些數(shù)據(jù)，我們可以進(jìn)一步將我們的變形蟲變形蟲與其他真核生物進(jìn)行比較，并確定它們在基因組水平上的獨(dú)特性和相似性。

將今天的生活與古代祖先聯(lián)系起來

由于生命從最后一個(gè)普遍的共同祖先進(jìn)化了數(shù)十億年，所有生物和滅絕生物都必須在一個(gè)單一的家譜中相互聯(lián)系。

但化石不能保存DNA信息。雖然確實(shí)有一些古老的DNA測序是可能的，但一般來說，它只能用像猛犸象或古代人類這樣的木乃伊殘骸等冷凍樣品來完成。這些古老的DNA樣本并沒有真正化石化，而且與化石相比，它們顯著更近 - 例如，已經(jīng)測序的最古老的人類相關(guān)DNA來自Denisovan人的牙齒，大約有110,000年的歷史。

相比之下，始祖鳥的化石是最古老的鳥類親屬之一，大約有1.5億年的歷史。這意味著，今天，我們對始祖鳥的距離比對Denisovan遺骸的距離大10萬倍。這是一個(gè)巨大的時(shí)間。

似乎與今天的變形蟲變形蟲相關(guān)的化石大約有7.5億年的歷史，從一個(gè)叫做新元古代的時(shí)期開始?？茖W(xué)家們很少了解在遙遠(yuǎn)的過去地球上發(fā)生的事情。研究人員在大峽谷和巴西中部收集的巖石中發(fā)現(xiàn)了這些微小的化石。

為了比較我們根據(jù)生物物種的DNA和新元古代的化石殼創(chuàng)建的樹，我們不得不以某種方式推斷我們的數(shù)據(jù)。使用在我們的樹中計(jì)算的進(jìn)化速率，我們能夠使用今天的殼看起來如何應(yīng)用這些速率來估計(jì)它們過去看起來的樣子。通過這種方式，我們可以創(chuàng)建一個(gè)假設(shè)的祖先，然后我們可以與實(shí)際的化石進(jìn)行比較。

我們的結(jié)果令人印象深 我們基于幾百萬種可能性計(jì)算了七個(gè)假設(shè)的祖先。當(dāng)我們將它們與先前在文獻(xiàn)中描述的化石記錄進(jìn)行比較時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了五種與我們的預(yù)測非常相似的化石物種。這使我們可以自信地確定那些新元古代化石確實(shí)是非常古老的變形蟲變形蟲，并且這個(gè)群體自7.5億年前就已存在。即便到那時(shí)，他們已經(jīng)相當(dāng)多元化了。

表明這些生物在如此深刻的時(shí)間范圍內(nèi)存在并且多樣化是很重要的，因?yàn)樗鼈兪菑?fù)雜的生物，具有復(fù)雜的生態(tài)和行為。它們提供了對那些古代時(shí)代生活可能是什么樣子的內(nèi)部觀察。變形蟲可以是捕食者，但它們也可以是食草動(dòng)物，甚至可以生產(chǎn)食物的共生藻類，使它們成為主要的生產(chǎn)者。

許多不同類型的變形蟲變形蟲在這個(gè)階段所處的事實(shí)意味著已經(jīng)開發(fā)出復(fù)雜的食物網(wǎng)，這反過來又影響了環(huán)境可能是什么樣的?，F(xiàn)在，地球化學(xué)家將他們的筆記與我們的生物學(xué)見解進(jìn)行比較，我們對古代地球的理解將繼續(xù)得到改善。