分類及演化

我們在這裡要談的是在古生物,原核生物和真核生物之間的演化;我們要特別在演化樹上比較根部的地方。討論他的 divergence(相異),以及 divergence 是怎樣發生的!

  • 談到演化必須談分類的觀念。生物的多樣性是演化的產物。歸納這多樣性可以提供演化的線索,從古時候到現在,做學問需要用分類的方法。分類學就是將所有知道的東西,根據各種形狀,把同樣的東西放在一起,連結在一起。不同的東西放在不同的類別,並根據它們的形狀、大小、功能等等特性加以處理。

  • 生物學最早的分類,其實就是根據Macro-morphology,比較大的幾個生物型態來分佈的。最早的生物學家不知道細菌的存在,因為觀察不到它們。早期分類學都是依據看得到大型的生物,也就是自然界中的動植物,加以有系統地區分。我們現在常常用的林奈系統,是按照界(Domain),門(Kingdom),綱(Phylum),目(Class),科(Order),屬(Genus),種(Species)這樣細分下來。這樣的分類法是有階級性。這種分類法則適合使用在動植物。

  • 根據我們現在所用的這林奈系統分類,每一個生物都從領域「界」開始,一直排到「種」。因此,要比較生物間的相似或相異性就很簡單。如果A生物是和B生物很像的話,那麼它們會屬於相同的高階層類別,要到低階層類別才會相異。像果蠅跟蚊子,都是昆蟲,直到「科」才開始不一樣。龍蝦也和果蠅、蚊子距離較遠,到節肢動物「綱」之下,就開始分岐。

 
  • 我們把上表相同的屬性框在一起,可以簡化成下表:


從這表可以清楚看出這三種動物中,龍蝦最先分出去(在「綱」以下),另外兩種則要到「科」之下才分開。在這裡我們從上往下,已經可以看到「樹」狀的分佈了。

  • 我們都知道,同一類的生物,生下來的後代就會是同一類的。鵝生下來是鵝,狗生下來會是狗。所以,他們每個生物都會有自己的遺傳。他的型態相不相像,應該也反映物種的遺傳。兩種生物會相像的話(如,蚊子的型態像果蠅),是因為他們有共同的祖先。同樣的一個種族,假設他是黑人,然後結婚生子,黑人生下來就會是黑人!這是一個比較靜態的生物觀,意思是指,如果生物在歷史上都沒有再發生變化的情況下。

  • 生物在演化過程中的分類
    考古學的化石紀錄以及達爾文的演化論告訴我們,生物在演化過程中不停地變化。很多化石裡所看到的生物種類現在已經不存在,而且把那些化石與現今還存在的各種同類生物來比較的話:譬如說,比較同一類的馬,比較同一類的章魚等,就可以發現,這些生物似乎有連續性的變化!

  • 舉例來說(下圖),A0可能會變成A0'到 A0'',到A0''',一直到A1'和 A1。但是,A1跟 A0比起來,可能很不一樣,甚至還不能相互交配。

A0-->A0'-->A0''-->A0'''-->...-->A1'-->A1

  • 能不能互相交配是很重要的,因為兩個生物之間能夠交配產生子代,才能夠交換遺傳訊息,它們才能夠共同地演化產生新型的子代。傳統的「種」定義就是根據兩個生物能否交配生育下一代來決定。可以的就是同「種」。不能的話,這兩個生物就是不同「種」。不同種不會交配產生下一代,所以不會在短期之內再混合。上圖的A0演化到A1,二者之間如果不能交配生育的話,它們的演化路徑就會越走越遠,下一代們也就不能夠再交配了。

  • 如果A0有些演化成A1,還有一些演化成A2,A1跟 A2會很相像。如果能找到生物的共同祖先,距離又很近的話,而這個距離越近,並很近地就有一個共同祖先的話,A1跟A2就更像了!這好比我們跟兄弟姊妹比較像,但是堂兄妹們跟我們就比較不像了。
    但是,這有個先決條件:A1和 A2 不能夠交配。假設我們現在知道某個物種,並看到的物種們曾經有共同的祖先,我們比較能夠反應這個物種祖譜上的演化樹的分類。其實原來的分類法做出來的就很好了。因為事實上,我們要做的是種族發生,專群,或者是屬於關係。物種如果越親密,這兩個物種的 species 就越相像,或者可以反過來說,這兩個物種越相像,他們的親緣關係就越接近。

  • 在林奈的系統中已經可以很成功的分類了!原因有兩個:第一個,很多重要物種的分類,根據其特徵,在演化上只發生過一次。舉例來說:四隻腳的動物,似乎都是從兩棲類演化而來,我們會看到海豚是四肢嗎?你會看到具有四肢的昆蟲嗎?並沒有,對不對?物種不變,是達爾文提出的定律。

  • 根據特徵,我們可以進行物種的分類,而特徵也是物種演化的根據。同樣發生的演化特徵放在一起,便是分類。一種突變,在物種中間發生,那便是演化。像我們人類,演化到後來的特徵,就是一個脊椎動物。

  • 第二個林奈系統成功分類的原因是,重要系統型態上的特徵,是不容易被突變所改變的。演化得來不易。在當時,我們會經由突變而演變成四肢,但想要再突變回去其實是蠻難的。現在很少看到有突變成四肢的生物,對不對?也就是說,突變演化的生物,不容易失去他的特徵。在演化樹上,根據演化特徵來架構分類,就可以看到演化的反應。稍後,我們可以看到高等生物於此分類法的優點,就分佈在演化樹的裡面。

微生物的分類
  • 微生物的分類。微生物不適合使用大型生物的準則。有個系統用起來,到現在還是非常通用!他根據的就是生物的型態。而微生物的命名,第一個字可以簡寫,但是後面的字要小寫。

  • 微生物基本上特徵太少,微生物的型態有:桿狀,螺旋狀等。大部分具有細胞壁,細胞膜。這些特徵能夠幫助我們用來分類。我們還要再討論的是微生物在結構上的不同。上次講過的 Gram Stain(革蘭氏染色),就可以染微生物的細胞壁。因此,利用革蘭氏染色,我們可以區分微生物為 Gram Positive(革蘭氏陽性菌)跟 Gram Negative (革蘭氏陰性菌)。還有依據微生物會不會形成孢子?以及微生物會不會移動?會動的,是具有鞭毛的;沒鞭毛的是不會動的。根據微生物的形狀分類後,將細胞形狀一樣的,再根據色素的種類來區分。但是,有的微生物並沒有色素,所以可以再根據整體上,結構上的基因含量:含G+C的比例,A+T的比例以及微生物生長的溫度,覺得喜歡生長的環境,以及是否呼吸?還有微生物所使用的電子接受器(人所使用的電子接受器,是氧。),能量的來源,營養,等等,這些都是分類的依據。還有一點很重要的,就是微生物只要一點小小的遺傳改變,都可能改變這生物的結構或代謝。譬如說,一個突變,在顯微鏡底下,看到其結構感覺上是寬寬垮垮的,若是看到他隔壁那個細胞,突變以後有增加東西,乾乾的,看起來就是不同樣的東西。另外一個桿菌突變的發生,使黑色色素變成白色色素。

  • 從以上例子可以知道,突變的發生顯然使微生物和原來的不一樣。形狀肥肥長長的與細細長長的,就是不一樣。這是危險的。這表示在演化樹上演化的過程中,有一個突變,就能夠讓他們不存在,並且,會與原來的世代差太多。另一個問題是,細菌或者其他微生物,沒有什麼 species。高等生物我們剛剛說同不同種的要看能不能交配?即下一代是否能夠相互交配。但是細菌沒有這樣。細菌分類的 species 跟動物 species的觀念不一樣,細菌的性狀差別蠻大的。除非把微生物純化並保存在實驗室,否則,生存在自然環境中微生物會發生改變,因為會跟別種微生物互相交配。

  • 要多留意微生物間的交配。至少在實驗室可以把酵母菌跟大腸桿菌這兩種生物,將質體DNA直接從大腸桿菌把他弄到酵母菌裡。那酵母菌就變成擁有原核基因的真核生物了。雖然他不是自然發生的,不過也是可以做到的。所以這個分類就變成很麻煩了。

  • 分類雖然麻煩,但是我們還是要分類。傳統的分類是 Linnaean system,現在,有一本很有名的叫 Bergey's Manual of Systematic Bacteriology。都是根據 Bacteria 的生化特性,生存時喜歡的溫度,高度,表現的形狀,來做一個很有系統的分類。

  • 在臨床上,病菌會感染身體讓我們得病。我們可以從口腔,食道等取得病源菌,再拿去做培養。培養後我們可以做生化檢驗,利用電子顯微鏡,和革蘭氏染色等方法來判斷是何種病原菌。

  • 假設看到的是新的生物,它誰都不像。若是根據分類法則,我們假設,他其中三點不像A,其中四點像 B,跟另外五點像 C,兩點像 D。所以判斷是新的生物,叫 X。這不像我們高等生物,某個生物分類時分類到某個地方,彼此的生物特性會很相似。例如,某生物分類到果蠅旁邊,他的演化跟果蠅類似,所以可以推測他的生理跟果蠅很像。

  • 性質像,不一定有同樣的演化來源。舉個例子,像藍綠菌,Cyanobacteria,我們還把他分類為藻類,與真核的藻類放在一起。他是一個細菌,Cyanobacteria,與真核的藻類分類在一起,是因為他長的很像,可是事實上他演化上,是區於之間的。所以傳統的分類學沒辦法反應微生物的演化。

  • 現在,我們可以用分子生物技術來看生物間基因的關係。這不需要觀察生物的外表,而是直接看 DNA 分子上的相似性。我們分析 DNA 的相似性,或者蛋白質,因為蛋白質會反應基因的序列。從分子的相似面來看基因的相似性,再來看生物間的關係。其基本原理是:演化都記錄在生物的基因裡。但假設有一天基因體發生了突變,產生孢子,這生物看起來就會不一樣了。又假設那一天,在另外一株又發生了突變,本來不會游泳的,現在會游泳了。這樣看起來這些生物之間好像差得很多,可是比對基因的話,在序列方面,他們的差別卻只有一點點。因為生物的紀錄在基因,若是在 DNA上面突變的話,外表就會不太一樣,所以不管生物的外表如何,疏離差別有多大,他們在演化上並沒有太大意義。

Molecular Biologeny
  • Molecular Biologeny,是新創的專有名詞,需要分子生物技術來判讀基因體裡的序列。

  • 比如有兩個基因體,我們該如何區分及量化基因體之間的相似度呢?基因體之間相不相像還是有差別的!我們比較像猴子,比較不像狗!所以我們與猴子的親緣性是比較接近的!

  • 第一個技術是HybridizationHybridization的意思不是講兩個物種的雜交,不是兩種不同的豌豆去交配。這裡指的雜交,是利用兩股不同的DNA,在加熱之後分開,然後再慢慢地降溫冷卻或者讓他維持在中高溫,譬如65度,之後再加適當的鹽類。DNA是酸,帶負電。因為兩股 DNA都帶負電,會互相排斥,所以在水溶液裡面一定要加很多鹽類。譬如說氯化鈉,我們最常用的就是氯化鈉。如果把DNA拿出來,在純水中純化DNA時,一定要加一些鹽類。 譬如說DNA帶負價,鹽類,譬如鈉或鎂,會在局部的地方,中和 DNA的負電。另外一股也是一樣!標準的我們會用0.3個 Molar 的氯化鈉,再配合溫度。溫度升高可以讓雙股DNA打開。然後降溫後互相配對的 DNA序列,在互相碰到的時候,就可以產生氫鍵,之後就恢復成雙螺旋的樣子。這個過程我們叫 Hybridization。

  • 這技術很重要。因為,這種 Hybridization能夠成功,就表示這兩個DNA序列一樣或者很相像。那越像的,Hybridization的成功機率就越大。因為序列不一樣,互補就不太容易。越像的Hybridization就越容易。我們可以在同一時間做成配對,產生雙螺旋,從單股變成雙股的程度越高,相似性就越多。這裡只談原理,以便區分單股,雙股。假設技術上沒有問題,就可以觀察到;演化的關係越親近的話,DNA序列就越相近,就越容易形成 Hybrid。最早做這個實驗不是用兩個 DNA去做的,而是一股是 DNA,另外一股是RNA。

  • DNA-DNA hybridization 是看整個 genome,也就是說,人的DNA,跟狗的 DNA互相Hybridization,可以發現人跟狗的DNA,Hybrid的程度比人跟猴子的 DNA Hybrid的程度還少。人跟猴子的差別只有一兩點。用 Hybridization我們可以估計人跟猴子的 genome,其實是相差很少的。那怎麼做呢?人跟人做,人跟猴子做,猴子跟猴子做!這三種結果做的都差不多。人跟猴子 Hybridization 只有差一點而已,所以人跟猴子的 DNA是很像的。問題是說:當這兩個物種的 DNA差太多的時候,基因並不會 Hybridization。但兩個物種太接近了,如,人跟猴子,親緣太接近了,相差太小,幾乎分不太出來的時候,可能就不太有用。

  • 另外一種方法是不觀察整個 genome,而是觀察某些特殊的基因。因為,當我們沒有辦法決定整個DNA序列時,就觀察一小段重要的基因。選擇某一段基因來看是很重要的。請不要挑一個果蠅有的但是人沒有的序列,那就比不出來了!若是要比較果蠅跟人,那就要挑果蠅跟人,人跟果蠅跟猴子跟猩猩還有跟狗等等都擁有的序列,大家一起比較。這些基因在選取的生物上都找得到,那麼,這個序列應該是個蠻保守的基因,並且在有興趣的生物裡面都存在著。這種特殊的基因通常都會出現在比較容易找到,主要表現細胞功能的基因中。譬如說DNA的複製,DNA的 transcription,translation,還有能量的代謝 Glycolysis等,這些扮演樞紐功能的基因。

  • 選取基因最好也不要是容易發生遺傳轉移的基因(lateral transfer)基因的轉移有兩種,一種叫Horizontal水平轉移,另一個叫Vertical垂直傳遞。從生殖過程,也就是經由演化,從祖先傳給下一代的這種基因傳遞,稱為Vertical。可是一不小心,有時候這基因不小心跳過來傳給另一個基因,這種叫作Horizontal或基因水平轉移。所以,選用的基因最好沒有這種情形。當然 lateral transfer相對來說並不多!我們身上大部分的基因,大概都來自父母。若是哪天某病毒來了,嵌進生殖細胞的染色體裡面去,就傳給兒子了!這種是Vertical,不是來自親代演化的。很多生物都會這樣。Vertical transfer 比我們想像中,從長期的演化上來看,例子還蠻多的!當然,短時間是不多啦!所以我們不能分析經過Vertical transfer的基因。還好,我們剛剛說的很重要的基因都不會這樣,因為每個生物都已經擁有這種基因了,並且都表現得很好。外來的基因,通常不會被拿來利用及表現,因為生物體還是會利用原來存在的基因。

  • 選取的基因最好不要太短!像 transfer RNA就不理想,太短了,所能提供的訊息太少。所以常用的是 ribosomal RNA。

  • Ribosomal RNA中有三種 RNA:5S,16S,23S。這是根據 RNA在離心的時候,或者在水溶液裡,RNA比重的速度來命名的。所以,我們用 RNA沈降的速度,來代表 RNA。S代表速度的單位。

  • 速度跟 RNA的大小不是成正比的。因為,其中還有阻力,形狀等,都會有關係。

Ribosomal RNA in Prokaryotes

Name*

Size (nucleotides)

Location

5S
120
Large subunit of ribosome

16S

1500

Small subunit of ribosome

23S

2900

Large subunit of ribosome

*The name is based on the rate that the sediments(sinks) in water. Bigger moleules seidment faster than small ones.
  • 23S跟5S同樣在 Ribosome上面的 50S subunits ,包含兩個 rRNA: 23S 和5S。小的叫30S,就一個16S rRNA。16S很很重要喲!我們最常用的就是16S,不過也有用5S的,5S的缺點就是太短了。用16S rRNA做的最多。

圖片來源:Harvey Lodish et al., Molecular cell biology, 3th, by W.H.Freeman and Company

  • 舉個例子來說,酵母,玉米,E.coli.細菌,Archaea等!取其中一段序列互相排列比對。黃色格子處是他們不一樣的地方。 

 

  • 挑個區域,有一樣的部分,也有變化的部分。這樣去觀察的話就蠻能夠反應相互間的關係。上面三個生物,事實上就比較像,玉米跟酵母菌跟細菌。有細菌一對,Archaea又是一對。那你這樣去排,就可以排出一個演化樹來!那排這個樹的觀念就是說:你下面越像的話,他的距離就越短。

  • 現在有各種電腦程式幫你挑,有各種演算法去做。因為,這個看起來很簡單,其實,有時候是很複雜的。演化樹要怎麼排?有些不太一樣的演算方法。不過,大致原理是一樣的!就是生物間擁有越相像的序列,那我們就把生物,排放的越靠近。

  • Carl Woese 當時用 ribosomal RNA排出來的三個領域(見上圖),細菌,archaea 跟 Eucarya。最早是分細菌,跟另外一個祖先。在那這祖先之後,再分成 Archea和 Eucarya。

  • 上圖是另外一種畫法。這是1977年所畫的!他那時候做出這個圖,大家都不太相信,現在還蠻被大家接受的。他很厲害,那時候沒有 DNA 序列分析的技術,也沒有 DNA定序技術。DNA沒有辦法 sequence。不像現在,一天可以做幾萬個,幾十萬個,幾百萬個。那時候都需要人工去做。所以現在把生物劃分這三個領域。

Topology,拓普學

如何利用這個 Molecular Biology?第一點是演化樹枝幹的次序,也就是指 Topology,拓普學;

第二點就是演化樹的長度。

  • 拓普學,如咖啡杯,甜甜圈一樣,中間都有凹一個洞。拓普學不管形狀,不管大小,不管扭曲,最後都是一體的,不會改變拓普學的現象。咖啡杯,甜甜圈這兩個拓普學的現象都是圈圈。打斷不行,打斷就是線狀,不是環狀的東西。無論宇宙這麼大或是手指頭這麼小更甚是原子都有拓普學的現象。還有一個例子。比如說電路,串聯和並聯,在拓普學上是完全不一樣的意思。串聯並聯雖然是兩回事,可是講到並聯或串聯,我們從來不考慮線路有多長,電線怎麼繞來繞去無所謂,只要電線接回到那個點,電路就會通。這電線也是長短不管,形狀不管的,只要他的電路會通就好了。 

  • TOPOLOGY在分類學上是很重要的。

  • 上圖,這 Topology 是不管怎麼顯示都是一樣的。這個 Topology 是告訴我們 A和 B,有一個共同的祖先。然後這個共同祖先再跟 C,有另一個共同祖先。AB的親緣性比較近。如果照剛才的DNA序列來排的話,AB比較相像。這是第一點。

  • 這就好像我們的祖譜,我們祖譜說你是某某人的兒子,而你爸爸又是誰的兒子。那這個Topology就定下來,畫了這個祖譜了。這裡不考慮時間的長度,就可以知道親緣的關係了!也許你會比你的叔叔年紀大,可是親緣關係還是不會變,叔叔跟你的爸爸還是同一個爸爸。所以祖譜的 topology 是一定的,不考慮親緣間的長度。

  • 第二點,演化樹的長度也有關係。親緣的長度也是很重要的!因為我們剛剛說過,這個長度距離越遠,離的越遠,他的相似度就變差。所以,這個演化樹的 Branch 長度也很重要。Branch長度越遠表示你所累積的變化越多,在 DNA 序列看出來的變化也越多。在畫演化樹的演算法時,可以根據上面說的,兩個生物之間的距離相差地越大,也就是說它們之間跟共同祖先中間發生的變化越大,演化的時間就差的越長。

  • 這裡有一個重要的觀念,我們叫做 Molecular Clock

  • 之前談到,演化樹的距離是跟 Neuclitide(鹽基)的序列變化數目有關係。現在,我們跟真正生物存在的時間去比對。假設對照這地方以前唯一有的化石,我們可以知道化石存在的時間,可以看化石存在的岩層大致是什麼世紀,知道生物的始祖最早出現的時間。大概估計一下,可以把演化樹的距離跟鹽基的變化數目,扯上關係。也就是說從 A 段時間到B段時間裡發生了多少變化,中間經過了多少年?那我們就可以說曾經在多少年時發生了一個變化在這裡。Evolutionary Clock or Molecular Clock 每百萬年在鹽基上發生多少序列的變化? Clock 在演化上,從 A 時間跑到B時間的話,是不是都一樣呢?不一定喔!至少我們現在看到某些物種有些基因可能會變的快,有的基因變的慢。

  • 舉個例子!這有個很重要的 superoxcide dismutase,這是清除我們細胞的 Oxygen, Free radical 很重要的酵素,所以很多行呼吸作用的生物都有。估計在哺乳類動物,每百萬年大概有35%的胺基酸的變化。也就是說一百個胺基酸裡面,演化過程中會發生35個胺基酸的變化。可是從魚到哺乳類,大概只有9%。從黴菌到哺乳類,大概只有6%。另外就是,看胺基酸也可以比較核酸的序列,但得到的 information會不太一樣。通常在有些數量上會不一樣,可是祖譜上應該差不多。

  • 我們看生物之間的差異,不僅觀察 Topology的關係,也有距離的關係,這兩個都要看。

Archaea 古生菌
  • Archaea,我們觀察他的生理,是一個很喜歡在高溫的,能夠還原 sulfate(用Sulfate呼吸,接受電子。)。並且能夠用甲烷當他的碳來源。嗜鹽。但通常大部分的生物並不喜歡鹽。另一個 Methanococcus, 顧名思義,他喜歡產生甲烷(methane),住在一個沒有陽光,沒有氧氣,也沒有有機物的生態裡面。他用的是化學能,也不能光和作用。生存條件靠近火山。

  • 我們剛剛的分類,是用 ribosomal RNA,可是現在很多基因體,很多細菌還有古生物。高等生物存在的比較少,而提煉出來的大部分是細菌跟古生物。這發現到一個很有趣的現象:基因體的序列其實,不像我們想像中那麼的純。什麼叫純?就是說,不像我們剛剛用ribosomal RNA分的三大類生物,分的那麼清楚。Eucarya是 ucarya,Archaea是 Archaea,E.coli是 E.coli。並不是的。裡面好像是混雜的!

  • 在演化根部這裡,很多都是嗜熱的,喜歡溫度高的生物,很喜歡將近沸騰的溫度。很多古生物更多是嗜熱的,都分類在這區的根部!這可能表示我們當時的祖先,生活在水深火熱的環境中。確實沒錯!早期的地球非常地熱,然後慢慢涼下來。

  • 另外,會產生 Oxygen 的 Photosynthesis。有些光合作用會產生氧氣的喲!然後這些擁有factor的 Bacteria 可能就是我們現在高等生物或者藻類的葉綠體來源。細菌進入細胞以後,利用共同的 organelle 並退化,失去細菌的自主性。這些都有充分的序列分析的證據可以支持。若整個把 Chloroplasts的染色體序列都定出來,跟 bacterial 的非常相像。關於 mitochondria ,上次有提過,是一個 Alpha Subgroup。這是紫色細菌。他應該是我們現在很多嗜氧的高等生物及嗜氧的真核細菌,呼吸氧氣依賴的 mitochondria。那我們現在少數無氧呼吸的,沒有厭氧的高等生物,很少,或是沒有 mitochondria。有的好像從來在演化上沒有得到過的樣子。

  • Molecular Biologeny 還有一個最重要的貢獻就是,Microbial Ecology ,生態學。傳統的生態學,你談都談什麼?老鷹抓兔子,兔子吃草,老鷹太多就沒有兔子。很多人忽略土壤裡面的資源,因為不管老鷹兔子,最根本的維持生命的,就是來自土壤。太陽光也是,不過,那是免費的。土壤是很重要的。土壤裡面很多的好多東西,可以提供植物的生長。植物不能生長,也就沒有兔子了。沒有兔子,也就沒有了老鷹。所以土壤裡面的生物是非常重要的。土壤裡基本上當然有蚯蚓,有昆蟲啦,可是最重要的是微生物。

Unculturable Microbes
  • 微生物,最近的有個很重要的發現,就是有關於 unculturable microbes:uncultureable 是什麼意思? culture 是能培養的,這個字是不能培養的意思。現在認為土壤中的細胞,用顯微鏡去觀察計算,在去培養後,可以發現百分之九十到九十九點九,都沒辦法形成菌落,培養不起來。這不知道是什麼原因?也許培養基不對,在土壤裡需要的養料我們沒有辦法提供;也許需要某種特殊的因素,或某種化學成分,或者有人建議某兩個微生物要生長在一起,才能夠互相長起來。譬如說,地衣,蘚苔都培養不起來,都只能在野外才看得到。所以我們研究原生物的 ecology 很不好做,因為在實驗室都養不起來。因此,針對研究,有個方法,就是用 molecular probe 去看。雖然無法培養,可是我們直接去看生物的 DNA,用 PCR 放大來觀察。

  • 舉個例子:我們夾16S,這個小的 RNA;夾出來再跟我們現在已知的16S RNA去比,看有沒有新的發現。果然,我們確實可以看到很多新的,世界上從來沒看過的16S的變化。所以,雖然是新的東西,我們培養不起來,可是我至少可以分析,土壤裡面有多少這種生物。而且可以大概猜測生物的屬性。若屬性像鏈黴菌的話,那就可以猜測這種生物是鏈黴菌的親屬。如果像 E.Coli,就是這種大腸菌的親屬。所以這個是 Molecular Biologeny 很大的一個貢獻。是大概最近十五年來的一個新的領域。

  • 所以我們用這種 molecular sequence 來代表一個環境中的微生物,因為我們沒辦法培養,可是可以判定環境中有這種生物的存在。因為我們可以觀察到這種生物的 DNA 序列!可以分析土壤裡面的微生物成分。

  • 還一個很重要,這種方法可以幫我們找到一些重要的基因:比如說抗生素。現在有許多公司在做這類的研究。譬如說,我們知道抗生素的基因,並且對鏈黴素的抗生素有興趣,也知道鏈黴素的抗生素的基因,是由那幾個基因造成的。也許在不同的鏈黴菌中可以找到不同的,相類似的,不太一樣的基因。我們就可以比較出其中相似的地方。假設A基因和B基因,很像,他有個地方很保守,那我們就可以用很保守的區域去設計PCR。利用PCR的方式,研究土壤裡面的成分。這很簡單!我們採樣土壤,加水,如抽細胞 DNA 一般抽取 DNA,抽完 DNA 之後,再拿去做 PCR。

  • 假設夾到了某段基因,再去萃取這段基因。這就夾到了另外一個可以產生鏈黴素這種抗生素的某段基因。那為什麼要找這個基因呢?第一點,你希望找到需要的基因。

  • 發現新的基因,可能功能不太一樣,我們把他放到細胞裡面,他形成了不一樣的抗生素基因並形成不同的新抗生素。我們希望新的抗生素是好的,有用的。那譬如說加拿大有個公司,從土壤裡面去釣基因來做。

  • 另外一個是檢測環境裡面有沒有某種病原菌?病原菌有時候傳染很快的,我們不要去分離他,因為培養病原菌有時候長的很慢,會來不及防禦。我們可以用 PCR 觀察,環境當中那些物質裡面有沒有某些病原菌在?這就是 Molecular Biologeny 的新的貢獻。

回顧

這世紀一百年來,生物的分類大多是Data的收集,直到後來才有分子生物學以及其他很多理論的出現。而序列的分析,可以看出演化的意義。細菌遺傳學衍生出來的基本的遺傳研究,使我們知道 DNA 是遺傳物質,DNA再轉譯成 RNA,而 RNA是三個三個一列的遺傳密碼。這些知識都是從細菌裡面研究出來的!現在的分子演化分析也是利用細菌在做。因為細菌序列的分析很快,速度很多,可以得到幾百克。演化分析時間這麼久以來,大部分都是用細菌在做。所以細菌在演化上的分析佔很重要的角色

必讀書目:
1.Online Biology Book chapter 4446

2.DNA from the begining Unit 40(Animation)

3.上課教材--PDFnew!
 
<<上一課下一課>>
TOP