微生物进化

四、系统发育树
在研究生物进化和系统分类中，常用一种树状 分枝的图型来概括各种（类）生物之间的亲缘 关系，这种树状分枝的图型被称为系统发育树 （phylogenetic tree），简称系统树。 通过比较生物大分子序列差异的数值构件的系 统树称为分wk.baidu.com系统树。 图型中，分枝的末端和分枝的连接点称为结 （node），代表生物类群，分枝末端的结代表 仍生存的种类。 系统树可能有时间比例，或者用两个结之间的 分枝长度变化来表示分子序列的差异数值。
进化指征的选择
为了准确确定各种生物之间的进化关系，
还必须挑选恰当的大分子来进行序列研 究。在挑选大分子时应注意以下几点： ①它必须普遍存在于所研究的各个生物 类群中。如果我们所研究的是整个生命 界的进化，那么所选择的分子必须在所 有生物中存在，这样才便于分析和比较。
进化指征的选择
②选择在各种生物中功能同源的大分子。催化 不同反应的酶的氨基酸序列或者具有不同功能 核酸的核苷酸序列不能进行比较，因为功能不 相关的分子也意味着进化过程中来源不同，对 这一类不相关分子进行比较也不期望他们会表 现出序列的相似性。 所以，大分子进化的研究必须从鉴定大分子的 功能开始。
生物进化
地球大约是在 45 亿年前形成的。地质学、古 生物学和地球化学直接或间接证据都表明： 大约在地球形成10亿年之后，我们这个星球开 始出现生命，主要是些类似简单杆状细菌的原 始生物。但在同期的、另外一些被认为是由光 合微生物与沉积物形成的片层状化石——叠层 石（stromatolites），它们类似于绿硫细菌和多 细胞丝状细菌，这些原始生命大概都是厌氧型 的。 含有产氧型光合细菌——蓝细菌的层叠石则发 现于 25-30 亿年前的地质年代中，蓝细菌的出 现，给地球带来了氧气。而后，各种真核生物 才随之出现。
对生物进行分类存在两种基本的、截然不同的 分类原则： 一是根据表型(phenetic)特征的相似成都分群归 类，这种表型分类重在应用，不涉及生物进化 或不以反映生物亲缘关系为目标； 第二种分类原则是要按照生物系统发育相关性 水平来分群归类，其目标是探寻各种生物之间 的进化关系，建立反映生物系统发育的分类系 统。
③16SrRNA相对分子质量大小适中，便 于序列分析； ④16SrRNA普遍存在于真核生物和原核 生物中（真核生物中其同源分子是 18SrRNA）。

rRNA的顺序和进化
rRNA序列测定和分析方法分两类：寡核 苷 酸 编 目 法 和 全 序 列 分 析 法。 1. 寡核苷酸编目分析法 20世纪80年代以前的研究,主要是采用寡 核苷酸编目分析法。

进化指征的选择
③为了鉴定大分子序列的同源位置或同 源区，要求所选择的分子序列必须能严 格线性排列，以便进行进一步的分析比 较。 ④还应注意根据所比较的各类生物之间 的进化距离来选择适当的分子序列。

rRNA作为进化的指征
大量的实验研究表明：在众多的生 物大分子中，最适合于揭示各类生物亲 缘关系的是rRNA,尤其是16SrRNA。 16SrRNA所以被普遍公认是一把好的谱 系分析的“分子尺”，这是因为：
根据形态学特征推断生物之间的亲缘关
系存在两个突出问题： 一是由于微生物可利用的形态特征少， 很难把所有生物放在同一水平上进行比 较； 二是形态特征在不同类群众中进化速度 差异很大，仅根据形态推断进化关系往 往不准确。
进化指征的选择
20 世纪 70 年代以后研究为生物的系 统发育，主要是分析和比较生物大分子 的 结 构 特 征 ， 特 别 是 蛋 白 质 、 RNA 和 DNA 这些反映生物基因组特征的分子序 列，作为判断各类微生物乃至所有生物 进化关系的主要特征。

因此，以进化论为指导思想的分类学 (taxonomy)，其目的已经不仅仅是物种的识别 和归类，其主要目标是通过追溯系统发育，推 断进化谱系，这样的分类学也称之为生物系统 学(syatematics)。 分子生物学的发展，使我们不仅可以根据 表型特征，而且可以从分子水平上，通过研究 和比较微生物乃至整个生物界的基因型特征来 探讨生物的进化、系统发育
rRNA作为进化的指征
①rRNA参与生物蛋白质的合成过程，其 功能是任何生物都必不可少的，而且在 生物进化的漫长历程中，其功能保持不 变； ②在16SrRNA分子中，即含有高度保守 的序列区域，又有中度保守和高度变化 的序列区域，因而它适用于进化距离不 同的各类生物亲缘关系的研究；

rRNA作为进化的指征
进化的测量指征
20世纪70年代以前，生物类群间的亲缘 关系主要是根据形态结构、生理生化、 行为习性等表型特征以及少量的化石资 料来判断它们之间的亲缘关系。 直到60—70年代，有识之士才清醒地认 识到：仅依靠表型特征无法解决微生物 的系统发育问题，必须寻找新的特征作 为生物进化的指征。

进化指征的选择

根据现代生物进化论观点 ：
所谓进化（evolution）是生物与其生存环
境相互作用过程中，其遗传系统随时间 发生一系列不可逆的改变，在大多数情 况下，导致生物表型改变和对生存环境 的相对适应。 系统发育（ phylogeny ）就指的是研究各 类微生物进化的历史。
科学家估计有分类纪录的各类物种 大约有150万，其中微生物超过10万种， 而且其数目还在不断增加。微生物学工 作者要认识、研究和利用微生物或控制 有害微生物，必须对它们进行分类 （classification）。
rRNA的顺序和进化
2. 全序列分析法 寡核苷酸编目分析法，只获得了16SrRNA分子 的大约30%的序列资料，加上采用的是一种简 单相似性的计算方法，所以其结果有可能出现 误差，应用上受到一定限制。 随着核算序列分析技术的发展，20世纪80年代 末又陆续发展了一些rRNA全序列分析方法， 其中最常用的是直接序列分析法。 这种方法用反转录酶和双脱氧序列分析，可以 对未经纯化的rRNA抽提物进行直接的序列测 定。