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微生物生态学讲稿1.2

已有 7421 次阅读 2008-3-16 14:29 |个人分类:科学方法

 

(主讲老师,赵立平,讲稿整理薛正晟、王京晶)

微生物生态学的研究目的有两个:第一,要研究清楚Biodiversity,也就是说,在生态系统里面究竟有些什么微生物?研究人员起码要知道它的生物多样性;第二,Activities,你要知道这些微生物在系统里面干什么。把这两件事情解决了,微生物生态学的基本任务就完成了。
微生物生态学的研究对象是群落。“群落的结构和功能的关系”实际上是微生物生态学里面最基本的一个科学问题。每一个学科都有一个最最重要的、“the most important scientific question”,作为一个“driving force”,让你这个学科的人不断地努力,想办法要把这个问题解决了。每一个学科方向都有这么一个最最重要的科学问题。而在我们微生物生态学领域,微生物群落的结构和功能的关系遵循什么规律?就是微生物生态学里面最最fundamental的一个科学问题。“This question can drive you crazy”,可以让你发狂,你要拼命地去做,要做很多年才能有显著的进步。
我们搞清楚微生物群落结构和功能的关系就是为了能够去操控这种关系。解决了、认识清楚了微生物群落结构与功能的关系,你就可以有目的地去操控它的结构,然后让它的功能达到最佳状态,通过改变微生物群落的结构让它达到最佳的功能状态。这是研究微生物生态学的应用目的。
那什么是微生物群落的结构呢?微生物群落的结构就是指它的种群组成,“population composition”。也就是说,在这个系统里面,到底有多少种不同的population?population的概念很清楚,每一个populaiton是遗传上完全一致的一群细胞。数一数在群落里面有多少种遗传上不一样的population,每一种大概占百分之多少,或者绝对数量有多少,这就是它的Community structure。然后就是要看Community function。Community function就比较有意思了,它并不是指组成群落的各个population的function,而是指community作为一个整体的function。


这是一个活性污泥中微生物FISH(荧光原位杂交)的一张照片,这是教科书上经常用的,非常漂亮的一个。图中每一种颜色是一种不同的细菌。我们知道,荧光原位杂交要用到核酸探针,我们还知道signature sequence;每一个细菌的16S rRNA基因上,都有一段独特的区域,是只有这个细菌才有的,利用这个区域,针对这个区域可以设计一个带着不同荧光的专一性的探针,然后做荧光原位杂交,那么每一种细菌都可以染成不同的颜色。我们不但能够看到各种细菌在活性污泥里面分布的状况,以及相互之间位置的关系,我们还可以看到它们的数量。所以这是一个非常powerful的研究复杂环境比如活性污泥中微生物群落的技术。这张照片生动的显示了微生物群落的复杂结构特点。
 
微生物群落很显然是一种复杂系统。我们之所以在微生物生态学领域里提倡要研究系统生物学,就是因为我们的研究对象太复杂,所以大家就希望提出一些新的想法和概念对这种复杂系统进行研究。要研究复杂系统,比如说要研究图片中的微生物群落,有两种策略。一种策略是,这里面看上去也不过就是七、八、十来种菌,把这几种菌都一个一个地分离培养,然后一个一个地去研究它分别能干什么事情,它们每一种菌能够降解一些什么底物,能够把这些底物降解成什么样的产物,把它们全部都搞清楚,大概所有这些菌合在一起能做什么事情也就清楚了。这是一种策略,长久以来,人们就是这样想的。很多人都拼命地分离、分离、分离,试图把各种各样的菌都分离出来。但分离了这么多年,有一个很大的问题,就是我们现有的分离培养技术,平均来说,只能把自然界里不到1%的细菌种类分离出来,也就是说有99%的细菌我们暂时还没办法分离培养。在不同的生态系统里面,能够分离培养的细菌种类和数量是不一样的,随着技术的发展,会有越来越多的细菌被分离培养出来。总体上来说,在活性污泥里,大概有一半以上的细菌,可能已经被分离培养出来了;人的肠道里面的细菌,大概有20~30%的细菌,也已经被分离培养出来了。可毕竟大多数菌还不能分离培养。在这种情况下,要一个一个地分离出来加以研究,实际上是很困难的。
复杂系统还有一个非常重要的特点,就是整体的功能是任何一个组成部分都不具有的,这就是所谓的涌现特性。不管是人体,不管是微生物群落,还是工程师做出来的飞机、机器人、汽车、发动机,所有这些复杂的系统都有几个共同的特点:
第一个就叫做鲁棒性,Robustness。什么叫鲁棒性?一个结构、一个系统在受到外力的冲击、在受到扰动perturbation以后,能够保持结构和功能的稳定;或者在外边的力量推动下,它偏离了正常状态,当这个perturbation去掉以后,它能够自行恢复到原来的状态的能力,就是它的鲁棒性。比如说一个人,如果身体很健康,一般就不容易得病,虽然环境里各种恶劣因素都有,但是他可以保持健康,这就是鲁棒性。如果有时候得了一点病,有的人恢复的也很快,说明他身体好,鲁棒性很高。这就是鲁棒性。如果一推就倒,那这个结构就很难生存,很难存在下去。如何让结构,让一个系统能够保持structural integrity和functional stability,也就是说,结构和功能都很稳定,很强健,一般的perturbation不能把这个系统推倒,一般的扰动对它的影响不大,即便是把它扰动得离开了它的最佳状态,当这个扰动去掉了以后,它自己还能回来。这就是一个系统存在的前提,没有鲁棒性就没有系统了。任何一个系统没有鲁棒性它就不存在了,一推就倒。
要想实现鲁棒性,有两个特点、两个设计原理非常重要。第一个就是功能冗余。所谓功能冗余就是重要的功能一定不能只靠一套方案来实现,比如我们送宇航员上天,供氧系统不能就只有一套,这套系统一坏,那你自认倒霉吧,这肯定不行。所以供氧系统必须是两套甚至是三套方案。这种功能冗余有个特点,就是使用者根本觉察不到任何一套系统已经出毛病了,第一套方案如果出毛病了,会在使用者毫无觉察的情况下,无缝切换到第二套系统。第二套系统再出了毛病,然后第三套系统顶上来。在细胞里面这样的例子非常多,将来你们去看文献的时候,这种例子你们会看到很多。这就叫功能冗余。
还有一个设计原理,就是整体调控。因为组成部件非常多,所以一定要有一个global control,如果没有整体调控的话,各自为政,系统是不会有鲁棒性的。如果一个系统失去了整体调控,这个系统就离崩溃不远了。各个部分互相开始你不听我的,我也不听你的,然后甚至开始互相攻击,那么整个系统就离崩溃不远了。很多病人的免疫系统开始攻击自己,到最后不就要是走向崩溃吗?
在所有这些特点里边,大家公认的,复杂系统最重要的特征就是所谓的涌现特性。
涌现特性说穿了也很简单,就是“The whole is bigger than the sum of the parts”,就是整体大于部分之和,1+1>2。也就是说,整体具有各个组成部件所不具有的功能,高层次的结构具有低层次的结构所不具有的功能,这就叫涌现特性。微生物的群落有涌现特性。比如几个不同的population组成一个群落,如果把它们分开,人们都知道一个一个单独的population能做件什么事情,但是整个群落的功能并不等于把它们加在一起,并不等于是一个简单的相加。也就是说,它们组合到一起以后,会出现所谓的synergistic effect,会出现协同效应,这种协同效应就是一种新的涌现特性。把不同的部件加在一起会出现3种情况,一种叫协同,一种叫相加,还有一种叫拮抗。几个部件合在一起它会出现一些各个组成部件都不具有的新的功能,这就叫做协同。如果说是几个部件加在一起新的系统的功能正好是它原有功能的简单相加,那么这就叫作addition,就是相加,这是一种线性系统,完全可以通过零部件的功能来预测整体的功能。还有一种叫相减,就是拮抗,这些零部件相互之间会抵消各自的功能,最后整体的功能会小于各个部分功能的相加。
在一个“well established, well adapted” community里边,当一个群落建立得比较好,发育、演替得比较完善时,它就会很稳定,它就非常robust。这样的系统各个组成部分之间的效应往往是协同的,所以才会出现整体大于部分的简单之和的现象。也就是说,我们没办法通过研究各个组成部件来预测它们合在一起能干什么。它们之间的关系是非线性的,是没办法通过简单的相加来预测整体的功能的。正因为这样,要想理解微生物群落的功能,就一定要把它当成一个整体来研究,否则是没办法解决问题的。
我们刚才讲的这些其实是系统生物学里面一个最重要的概念。真正的复杂系统,特别是我们感兴趣的生命系统,都是非线性的,它们的这个涌现特性都特别突出。所以要想了解这些复杂系统的结构和功能的关系,仅仅只研究组成部件,是不行的。我们一定要把它作为一个整体来加以研究。




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