幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)一直在努力探索和描繪地球生物多樣性的總和。科學(xué)家和博物學(xué)家已經(jīng)對(duì)所有大陸和海洋的物種進(jìn)行了分類(lèi)，從地殼深處到最高的山脈，從最偏遠(yuǎn)的叢林到人口最密集的城市。這一偉大的努力揭示了進(jìn)化所帶來(lái)的形式和行為，同時(shí)也為理解共同的生命起源奠定了基礎(chǔ)。最近，我們的星球被認(rèn)為居住著近1000萬(wàn)種物種(107種)。盡管這一數(shù)字并不小，但這一估計(jì)幾乎完全是基于肉眼可見(jiàn)的物種。

那么像細(xì)菌、古生菌、原生生物和真菌這樣的小物種呢?總的來(lái)說(shuō)，這些微生物類(lèi)群是地球上最豐富、分布最廣、進(jìn)化時(shí)間最長(zhǎng)的生命形式。它們對(duì)全球生物多樣性的貢獻(xiàn)是什么?如果算上微生物的話，最近的研究表明地球上可能有1萬(wàn)億(1012)種物種，如果這是真的，那么通過(guò)巨大努力發(fā)現(xiàn)的地球生物多樣性只占地球上所有物種的千分之一都不到。

即使在最普通的棲息地，估算微生物的多樣性也面臨著一系列獨(dú)特的挑戰(zhàn)。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家們通過(guò)在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)微生物物種，然后描述它們的細(xì)胞特性，以及它們的生理特性，如熱耐受性、它們消耗的基質(zhì)或它們產(chǎn)生的酶，以此來(lái)鑒定微生物種類(lèi)。這類(lèi)方法大大低估了微生物多樣性，不僅是因?yàn)榕囵B(yǎng)絕大多數(shù)微生物很困難，還因?yàn)椴幌嚓P(guān)的微生物物種也可以發(fā)揮類(lèi)似的功能，而且不太可能通過(guò)外表來(lái)區(qū)分。

在20世紀(jì)90年代中期，越來(lái)越多的微生物學(xué)家開(kāi)始放棄培養(yǎng)技術(shù)，轉(zhuǎn)而通過(guò)從海水、樹(shù)葉表面、濕地沉積物甚至淋浴噴頭內(nèi)部的生物膜中提取核酸(DNA)來(lái)直接測(cè)序鑒定生物。在過(guò)去的十年里，這些方法得到了極大的改進(jìn)，使得數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的單個(gè)微生物可以同時(shí)被取樣。通過(guò)這種高通量的方法，我們了解到，一克農(nóng)業(yè)土壤通常可以包含10000多種物種。同樣，我們知道近10萬(wàn)億(1013)的細(xì)菌細(xì)胞構(gòu)成了人類(lèi)的微生物群。這些微生物不僅有助于宿主的消化和營(yíng)養(yǎng)，也代表了其免疫系統(tǒng)的延伸。放眼地球之外，在地殼、大氣、海洋和冰蓋的深處都發(fā)現(xiàn)了微生物?？偟膩?lái)說(shuō)，地球上微生物細(xì)胞的估計(jì)數(shù)量大約在10000009(1030)左右，這個(gè)數(shù)字超出了人們的想象，也超過(guò)了宇宙中恒星的估計(jì)數(shù)量。自然地，這就引出了一個(gè)問(wèn)題，到底有多少物種可能存在在地球。

地球上幾乎每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都有長(zhǎng)長(zhǎng)的物種名單，每年都有近2萬(wàn)種動(dòng)植物被發(fā)現(xiàn)。這些物種中有許多是甲蟲(chóng)，但關(guān)于嚙齒動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)、爬行動(dòng)物甚至靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的新發(fā)現(xiàn)也并不少見(jiàn)。盡管令生物學(xué)家和公眾都感到興奮，但新出現(xiàn)的動(dòng)植物物種每年僅占物種總數(shù)的2%左右，這一跡象表明，我們對(duì)地球上這些生物進(jìn)行的普查可能是近乎完全的了。

與之形成鮮明對(duì)比的是，在微生物世界中，包含數(shù)不清的物種的深層譜系正在被迅速描繪。幾年前，科學(xué)家在科羅拉多州的一個(gè)含水層中發(fā)現(xiàn)了35個(gè)新的細(xì)菌門(mén);門(mén)是一個(gè)廣泛的群體，包含成千上萬(wàn)的微生物，甚至是數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的相關(guān)物種。在這一含水層中發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌門(mén)占地球上所有以前確認(rèn)的細(xì)菌門(mén)的15%。在此背景下，人類(lèi)屬于脊索動(dòng)物門(mén)，但也有65000多種其他動(dòng)物擁有脊索動(dòng)物(或骨桿)，包括哺乳動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)、兩棲動(dòng)物、爬行動(dòng)物、鳥(niǎo)類(lèi)和被囊動(dòng)物。這些發(fā)現(xiàn)表明，就微生物生物圈的多樣性而言，我們只是冰山一角。

理想情況下，如果我們要對(duì)全球生物多樣性進(jìn)行評(píng)估，應(yīng)該就物種的構(gòu)成達(dá)成一致。對(duì)于植物和動(dòng)物來(lái)說(shuō)，物種通常被定義為一組能夠交配并產(chǎn)生可繁殖后代的生物。不幸的是，這個(gè)定義對(duì)于分類(lèi)微生物物種并不是很有用，因?yàn)樗鼈兪菬o(wú)性繁殖的。(微生物可以通過(guò)被稱(chēng)為“水平基因轉(zhuǎn)移”的過(guò)程，在基因相似的個(gè)體之間轉(zhuǎn)移基因，這種過(guò)程類(lèi)似于有性繁殖生物的重組。)

盡管如此，仍有一些基于共同祖先的分類(lèi)方法，可以從遺傳數(shù)據(jù)中推斷出來(lái)。最常用的描述微生物分類(lèi)單元的技術(shù)包括核糖體RNA 基因序列的比較。這種基因參與構(gòu)建核糖體，核糖體是所有生命形式中蛋白質(zhì)合成所需的分子機(jī)器。通過(guò)比較序列之間的相似性，科學(xué)家可以識(shí)別出不同的類(lèi)群，而不需要在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)它們或者費(fèi)力地描述它們的生理或細(xì)胞結(jié)構(gòu)。但對(duì)這種基于RNA的微生物分類(lèi)相關(guān)的許多警告中，有一個(gè)警告是它可能低估了物種的真實(shí)數(shù)量，如果是這樣的話，那么最近關(guān)于地球上可能有1012個(gè)物種的預(yù)測(cè)雖然數(shù)量驚人，但也只可能是一個(gè)保守的估計(jì)。

了解地球上微生物種類(lèi)的數(shù)量可能對(duì)提高我們的生活質(zhì)量具有實(shí)際意義。利用生物多樣性的前景可能會(huì)刺激替代燃料的開(kāi)發(fā)，以滿足日益增長(zhǎng)的能源需求，為快速增長(zhǎng)的人口提供新作物，以及對(duì)抗新出現(xiàn)的傳染病的藥物。但我們想知道我們與多少物種共享地球也許有一個(gè)更基本的原因。從文明開(kāi)始的時(shí)候，我們這個(gè)物種的生存就依賴(lài)于對(duì)植物、動(dòng)物和微生物的試驗(yàn)和錯(cuò)誤，我們?cè)噲D從這些試驗(yàn)和錯(cuò)誤中收獲、馴化或避免。我們對(duì)生物多樣性的興趣也反映了對(duì)自然世界和我們?cè)谄渲械牡匚坏膬?nèi)在好奇心。無(wú)論是贊美、保護(hù)、改造還是開(kāi)發(fā)，人類(lèi)從未試圖對(duì)居住在地球上的其他物種視而不見(jiàn)。