你采取的每一步，都可能走在一個看不見的，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。幾年前喝咖啡的聚會結(jié)束了我們使用臨時取樣工具 - 實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)域的實驗室之間 的富有成效的合作。我們的重點是微觀單細(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的生物。

我們在人行道樣本中發(fā)現(xiàn)的一個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。

因為變形蟲變形蟲是一種硬殼，它們具有化石化的潛力。事實上，他們生動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，其他動物，kelps和原生生物也是如此。因為這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，甚至是單個基因來檢驗生物之間的關(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)雜的計算方法來推斷關(guān)系，所述復(fù)雜的計算方法模擬經(jīng)驗導(dǎo)出的數(shù)據(jù)隨時間的變化。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驗室中培養(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)百個基因而不是單個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。這是一個巨大的時間。

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，從一個叫做新元古代的時期開始?？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)建一個假設(shè)的祖先，然后我們可以與實際的化石進(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算了七個假設(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，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是非常古老的變形蟲變形蟲，并且這個群體自7.5億年前就已存在。即便到那時，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間范圍內(nèi)存在并且多樣化是很重要的，因為它們是復(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階段所處的事實意味著已經(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。