互动科普

“第四域”生命

撰文 格温尼丝·迪基·撒卡比（Gwyneth Dickey Zakaib） 翻译 黄敏

乔纳森·艾森（Jonathan Eisen）在他的论文发表两周后收到了一封邮件。“欢迎加入‘第四域’俱乐部，”邮件戏谑说。艾森看后微微一笑。

作为美国加利福尼亚大学戴维斯分校的一名进化生物学家，艾森于5月发表了一篇意在展示海洋新型微生物的论文。电子邮件来自法国马赛地中海大学的生物学家迪迪埃·拉乌尔特（Didier Raoult），他一直主张他发现的巨型病毒属于特殊的、未知的生命分支：第四域。

拉乌尔特坚称第四域从进化树最底部就已分支，但这一观点旋即遭到强烈质疑。众多学者并不认同拉乌尔特阐释基因序列的方式，他们强调，从已调整、交换、混染达数十亿年的微生物DNA中破译出它们的原始关系，是一件极其困难的事情。

无论第四域是否存在，在探寻它的路上已出现多次惊喜。拉乌尔特发现的微生物模糊了病毒（因其无法独自生存而被普遍当作非生命物质）与细胞生命（病毒的寄主）之间的界限，重燃生命组成之争的战火。拉乌尔特说，一些病毒非常精密，必须特殊对待。艾森从上千海水样品中筛选出了“未知生命”的DNA序列，“我想称它们为‘生命宇宙的暗物质’，”他说，因为有无数未知DNA序列潜藏于环境中，人们需要从庞杂多样的生物群落中将它们分离出来，“（DNA测序）是找寻它们的方法”。

进化树上的假树枝？

DNA测序方法出现之前，生物学家基于细胞结构将生命分为两域：真核生物，包括从变形虫、植物，到人类的所有生命，它们是含细胞核、线粒体等众多内部结构的大型细胞生命；原核生物，个体相对小得多，且大多不含前述结构。但在1977年，美国伊利诺伊大学香槟分校的微生物学家卡尔·伍斯（Carl Woese）利用RNA序列推翻了两域划分法，他提出原核生物由截然不同的两类组成：细菌和古细菌，前者与真核生物亲缘关系远，后者近。当时伍斯的观点遭到了学界的强烈反对，直到上世纪80年代，才随着基因与分子证据的增加而被接受。为普及三域划分法（真核生物、细菌、古细菌），教科书也及时做了更正。

拉乌尔特四域划分观点源自他对巨型病毒的研究。他和同事在2003年发现的拟菌病毒是第一种巨型病毒。拟菌病毒于1992年发现于英格兰布拉德福德一座冷却塔中，它寄生于变形虫体内，最初因体积过大而被误当作细菌。后来，由于拉乌尔特和同事无法通过DNA辩认它，便将它置于显微镜下观察，结果看到的却是病毒。

这项发现震惊了微生物学界。拟菌病毒直径约750纳米，是第一种在光学显微镜下可见的病毒粒子。地中海大学的进化微生物学家让-米歇尔·克拉弗里（Jean-Michel Claverie）曾在拟菌病毒的发现和分析过程中协助拉乌尔特，他说：“那一刻如此激动人心，所有人都意识到，此前我们对微生物多样性一无所知。”

拉乌尔特及其团队于2004年公布了拟菌病毒的基因组。它共拥有120万碱基对，数量至少是已知最大病毒基因组的两倍，超过1 000个基因参与转录、翻译过程，这在依赖宿主的翻译系统的病毒中从未出现过。研究团队还对比了拟菌病毒的七种蛋白质序列信息与其他三域生物的相应产物，草拟出一份系统进化树。按他们的说法，巨型病毒“或可界定为新分支”，它们源自比真核生物还早的祖先。拉乌尔特认为，一些病毒凭借其复杂程度与基因组成，足以处于进化树这一特殊位置上。

反对的声音接踵而至，法国巴黎第十一大学的戴维·莫雷拉（David Moreira）和普里菲卡琴·洛佩兹-加西亚（Purificación López-García）列举了病毒应被排除在进化树外的十大原因。最重要的是病毒能通过基因的水平转移从宿主那里“偷取”基因物质，换句话说，这些病毒的基因可能来源于宿主。

与此同时，拉乌尔特发现了更多巨型病毒，其中一类发现于巴黎一座冷却塔中。2010年他发表了一篇论文，文中将新近发现的巨型病毒与其他已知巨型DNA病毒（large DNA viruse）的基因数据纳入了进化树中。鉴于这些病毒独自聚集于进化树的一簇，拉乌尔特主张它们的基因传承自相同祖先（见“进化树”），这一类群被称作核质巨DNA病毒(NCLDVs)。

但是，利用基因序列解决谱系问题并不可靠，尤其是在经历了长期进化后。基因随时间单向突变，却存在回到原点的可能，在这种情况下，科学家就无法追溯基因的进化踪迹。另外，通过趋同进化（convergence），相隔甚远的物种也能各自进化出相似的基因序列。因此，NCLDVs类群虽然位于相近的分支，却仍有可能毫不相干。

英国纽卡斯尔大学的进化生物学家伊娃·海因茨（Eva Heinz）和同事在今年6月发表了一篇回应拉乌尔特进化树的文章。他们在考虑了诸如趋同进化等假象的模型基础上，重新分析了拉乌尔特的数据，并建立了新的进化树。新进化树显示NCLDVs并非局限于单独一支，而是由几处不同“嫩枝”组成。海因茨与合著者推测这可能意味着NCLDVs通过基因水平转移，从多种宿主那里“偷取”了基因。纽卡斯尔大学的汤姆·威廉姆斯（Tom Williams，论文合著者之一）说：“鉴于进化的复杂性，研究过程中使用的模型至关重要。当我们使用更可行的生物模型后，得到的新进化树更符合数据。”同时，新进化树并未显示第四域的存在。

拉乌尔特并未被说服，他认为，尽管巨型病毒在新进化树中分属不同分支，但真核生物也存在这种情况。拉乌尔特说：“可能他们的分析不能将相同起源的生命聚集起来。”海因茨对此表示反对，她说，在他们的分析中，真核生物确实属于同一分支。现在拉乌尔特可谓孤立无援。克拉弗里说：“我已做好相信诸多说法的准备了，但我觉得，此刻我们拥有的数据太少，尤其是巨型病毒。”

撒大网“捞”病毒

拉乌尔特仍致力于揭开巨型病毒的进化史，继续寻找新的巨型病毒，并期望借助于由突变速率推得的分子钟（molecular clock）、利用巨型病毒的基因序列解开其进化之谜。有种观点认为，巨型病毒的祖先可能会更为复杂，而后才退化为简单的寄生态。拉乌尔特不愿意与病毒学界那些恪守教条的学者交流，而表示“与试图改变生物学规律的人探讨，令人非常激动”。

伍斯对此深有体会。他说：“你将观点公之于众，就等着受批驳吧。”不过，尽管当年伍斯的突破性观点战胜了多方质疑，他仍然认为拉乌尔特的四域划分法成立的希望不大。

这将艾森置于何地呢？艾森和他的团队在今年5月的研究中对来自J·克雷格·文特尔研究所“全球海洋取样考察”（一个旨在通过测序全部海洋DNA来探寻新生命的项目）的海水样品进行了分析。绝大多数研究者仅利用环境基因组学（environmental genomics）寻找与已知有机体相近的生命，艾森却撒了一个大网。当他基于研究结果拟定进化树时，几处未知区域便突显出来。它们一部分看似属于拉乌尔特的第四域，但另一部分却从其他域分支出来。因为没有时间也没有基金支持去鉴定序列的“主人”，艾森的团队在论文中公布了研究方法及序列的详细信息，以期得到其他人的帮助。

美国国家生物技术信息中心的计算进化生物学家尤金·库奥宁（Eugene Koonin）曾对测序数据进行初步分析，他认为这些数据再平常不过。他说：“其中极少数据可能代表细菌和古细菌的新分支。”库奥宁强烈质疑研究结果，“他们努力探寻第四域，但结果是竹篮打水一场空”。

艾森研究了库奥宁的数据，他说他暂不打算加入拉乌尔特的俱乐部，相反，他用他的数据警示其他研究者，不要再像往常一样随意丢弃样品中的无用物质，因为它们有可能极为珍贵。西班牙米盖尔艾南德兹大学的微生物学家弗朗西斯科·罗德里格斯-瓦勒拉（Francisco Rodríguez-Valera）说，还有众多细菌和古细菌等待被发现。他说：“微生物拥有极高且未知的多样性，我认为我们没有必要通过每10年发现一个‘新域’来向公众传达微生物的重要性。”