微生物组揭示地球生物演化的秘密

微生物组是指一个特定环境中的所有微生物群落，包括细菌、古菌、真菌、病毒等。微生物组在地球上的分布和多样性反映了地球历史上的各种地质和气候变化，以及微生物与环境的相互作用和适应。近年来，科学家利用高通量测序和生物信息学等技术，对不同环境中的微生物组进行了深入的分析，揭示了微生物组在地球生物演化中的重要作用。

在《科学进展》杂志上发表的一篇文章中，来自德国慕尼黑大学和日本海洋研究开发机构的研究人员，对两项关于微生物组演化的最新研究进行了综述1。这两项研究分别探讨了淡水和咸水中氨氧化古菌(AOA)和深海沉积物中细菌的基因组演化历史，发现它们与地球历史上的冰期和水文循环变化有密切的联系。

氨氧化古菌是一类能够将氨氧化为亚硝酸盐的微生物，是水体中氮循环的关键参与者。它们既可以存在于浮游态，也可以存在于底栖态。在另一篇《科学进展》杂志上发表的研究中，来自德国、奥地利、罗马尼亚、埃及、沙特阿拉伯、印度和美国的研究人员，对欧洲、非洲和亚洲大湖中的氨氧化古菌进行了基因组测序和比较2。他们发现，这些湖泊中的氨氧化古菌具有高度相似的基因组结构和功能，表明它们是通过近亲繁殖和扩散而形成的。通过分子钟分析，他们推断出这些氨氧化古菌的起源时间与湖泊的形成时间相吻合，而且与地球历史上最大规模的冰期事件“雪球地球”有关。这一事件发生在约7亿年前，当时地球表面被冰川覆盖，导致全球性的环境变化。这些变化可能为氨氧化古菌提供了适应性进化和扩散的机会。

深海沉积物中也存在着丰富多样的微生物群落，它们在极端条件下进行着缓慢而稳定的代谢活动。在《自然》杂志上发表的一篇研究中，来自日本、美国、德国、法国和中国的研究人员，对南海沉积物中的一种厌氧氨氧化细菌(Anammox)进行了基因组测序和分析。他们发现，这种细菌的基因组具有高度的重组和突变率，表明它们在漫长的地质时间中经历了复杂的基因交换和适应性进化。通过对比不同深度和地点的样品，他们发现，这种细菌的基因组演化与南海的水文循环变化有关，而这些变化又受到全新世以来冰盖融化和季风强度变化的影响。

这两项研究都表明，微生物组可以作为一种记录地球生物演化历史的工具，通过分析微生物组的基因组结构、功能和多样性，可以揭示微生物与环境之间的相互作用和适应机制，以及地质和气候变化对微生物进化的影响。未来，将微生物组与地质过程相结合的研究有望跨越地质学和生物学的界限，为理解地球生命与地球系统的共同演化提供新的视角。

图1：通过 Terra 卫星上的中分辨率成像光谱仪 (MODIS) 从太空观察里海东海岸的浮游植物大量繁殖。这种大量繁殖可以通过增加营养物质(例如氮)来刺激。图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心 MODIS 快速反应小组的 Jeff Schmaltz。

参考文献：

Orsi W D, Inagaki F. Decoding geobiological evolution from microbiomes[J]. Science Advances, 2023, 9(5): eadg5448. DOI: 10.1126/sciadv.adg5448