神秘的微观世界

袁越

地球上生活着的微生物总数和宇宙中恒星的数量相比，哪个大？答案是：前者的数量大。

再问一个问题：前者到底比后者大多少呢？根据目前的估算，地球上的微生物总数大约是1030，宇宙中恒星的总数大约为1022。也就是说地球上的微生物总数不仅比宇宙中恒星的总数还要多，而且多1亿倍！

微生物的总数比较容易估算，但种类就不那么容易计算了。因为微生物的体积实在太小，分辨起来十分困难。如果把一头大象比做一个细菌，再把体积的差别换算成距离的话，那么微生物学家们就相当于站在月球的位置上回望地球上的这头大象，那时恐怕就连它是公是母都很难辨别。

在这超出人类想象的距离之外进行科学研究，需要超出常规的研究思路与工具。说到工具，很多人肯定会首先想到显微镜，但显微镜只适合观察，如果要进行生化分析的话，琼脂的作用更加重要。如果你去过微生物实验室，你会发现大家最常用的一个实验工具就是培养皿，里面铺着一层富含营养的琼脂。每一个细菌都能在琼脂表面单独长成一个肉眼可见的菌斑，每个菌斑里含有成千上万个完全一样的细菌，这在生物学术语里叫做一个“克隆”。因为琼脂是半固态的，细菌的位置被固定住了，无法在菌斑之间自由往来，这就等于将一个细菌克隆并扩增到足够大的量，却没有遭受其他细菌的污染。只有这样科学家们才能对其进行生化分析，包括测量其DNA的顺序。

这个研究模式已经持续了几十年。事实上，分子生物学迄今为止所取得的绝大部分成就都来自对于大肠杆菌的研究。可问题在于，自然界还有很多微生物是没法在培养皿中培养的，因此也就没法被克隆。科学家拿不到足够多的克隆细菌，很多生化检测手段都无法应用。

最早意识到这个问题的是美国科罗拉多大学的科学家诺尔曼·佩斯（Norman Pace），他把从土壤中采集到的样本全部打碎，提取出里面含有的全部DNA，测量16S核糖体RNA的基因序列。这个16S RNA是蛋白质合成过程中必须用到的一种核酸分子，所有细菌里都有它。不同的细菌之间的16S RNA顺序有点不同，因此可以用来鉴定细菌的种类。让佩斯吃惊的是，测序结果表明绝大多数土壤细菌都是以前从来不知道的新品种。他曾经怀疑这是DNA测序技术本身产生的误差，但后来证明不是这样，土壤微生物确实种类繁多，但因为它们大都没法在培养皿中培养，所以科学家们一直没有任何办法去研究它们。

根据最新的估计，自然界所有的微生物当中超过99%都是无法被人工培养的，因此也就暂时没有任何办法加以鉴定。

说了半天，我们只说到了细菌。其实微生物当中还包括病毒，它们寄生在细菌的身体内，是细菌的寄生虫。研究显示，地球上的病毒总数大约为1031，也就是说每个细菌周围平均有10个病毒伺机入侵。每毫升海水当中最多可以找到5000万个病毒，这些病毒平均每天都会把海洋中所有细菌的1/5杀死，可见它们对于海洋生物的新陈代谢有着多么重要的作用。

你想研究一下这些病毒吗？很难！既然绝大多数细菌都没办法人工培养，病毒就更难了。可以说，人类对于地球上绝大多数微生物都一无所知，甚至连线索都找不到。

大家都知道生物多样性对于保护地球生态环境是非常重要的，但我们的眼光都被那些肉眼可见的动植物所吸引了，完全忘记了地球上最大的生物多样性宝库其实是属于微生物的，而且它们的作用要比动植物大得多。举例来说，海洋吸收了至少一半的大气二氧化碳，这一吸收过程非常复杂，有大量微生物和病毒的参与，但人类对它们的情况了解得极少，因此也就很难预测它们会对气候变化做出怎样的反应。

幸运的是，随着DNA测序技术的改进，科学家们终于开始进入这个神秘的微观世界了。目前有两种新的技术手段和思路可以用来研究这些无法人工培养的微生物：第一种方法叫做“环境基因组学”（Metagenomics），其思路和前文提到的佩斯教授的方法类似，就是利用超强的DNA测序能力，把环境样本中的所有相关DNA序列都测出来，然后再利用超强的计算能力对这些序列进行分析，找出所有具备某种功能（比如光合作用）的基因，这样就可以对样本的某种性质（比如光合作用）进行定量研究了。

第二种方法更先进，就是想办法把微生物一个一个单独分离出来，然后对每一个细胞单独进行DNA序列分析。这个方法如果能实现的话，显然效果更好。目前科学家们已经掌握了测量单个细胞DNA序列的方法，我们有理由相信，在不久的将来，人类将会对地球生态系统有个全新的认识。