1.2: 系统化的方法

学习目标

• 描述如何将微生物分类和区分为独特物种
• 比较用于对微生物进行分类的历史和当前分类系统

一旦在显微镜的帮助下人类可以看到微生物，科学家们就开始意识到它们的巨大多样性。 微生物有各种各样的差异，包括它们的大小、外观和繁殖速度。 为了研究这种极其多样的新生物，研究人员需要一种系统地组织它们的方法。

分类学

分类法是对活生物体的分类、描述、鉴定和命名。 分类是根据生物的共同特征将生物组织成不同群体的做法。 最著名的早期分类学家是一位名叫卡洛斯·林奈斯（1701—1778 年）的瑞典植物学家、动物学家和医生。 1735 年，林奈出版了 Systema Naturae，这是一本长达 11 页的小册子，他在其中提出了 Linnaean 分类法，这是一种使用标准格式对生物进行分类和命名的系统，这样科学家就可以使用一致的术语来讨论生物。 他继续对这本书进行修改和补充，这本书已发展成多卷（图\(\PageIndex{1}\)）。

图\(\PageIndex{1}\)：瑞典植物学家、动物学家和医生 Carolus Linnaeus 开发了一个用于对动植物进行分类的新系统。 在亨德里克·霍兰德 1853 年的这幅肖像中，林奈拿着一朵名为 Linnaea borealis 的双花，以纪念他。

在他的分类学中，林奈将自然界划分为三个王国：动物、植物和矿物（矿物王国后来被废弃了）。 在动植物王国中，他根据生物的相似之处，使用越来越具体的等级和子等级对生物进行分组。 林奈最初的分类法中的关卡名称是王国、阶级、秩序、家族、属（复数：属）和物种。 物种过去是，并将继续是最具体、最基本的分类单位。

不断演变的生命之树（系统发育）

随着技术的进步，其他科学家逐渐对林纳系统进行了改进，并最终创建了用于对生物进行分类的新系统。 在1800年代，人们对开发考虑到地球上所有不同生物种类的进化关系或系统发育的分类学的兴趣与日俱增。 描绘这些关系的一种方法是通过一张名为系统发育树（或生命之树）的图表。 在这些图中，生物群是根据人们认为它们的密切关系排列的。 在早期的系统发育树中，生物的相关性是通过它们明显的相似之处推断出来的，例如毛发的存在与否或四肢的数量。 现在，分析变得更加复杂了。 今天，系统发育分析包括遗传、生化和胚胎学比较，本章后面将对此进行讨论。

林奈的生命之树只包含所有生物的两个主要分支：动植物王国。 1866年，德国生物学家、哲学家和医生恩斯特·海克尔为单细胞生物提出了另一个王国——普罗蒂斯塔（Protista\(\PageIndex{2}\)）。 后来他为细胞缺乏核的单细胞生物（如细菌）提出了第四个王国——莫内拉。

图\(\PageIndex{2}\)：恩斯特·海克尔对生命之树的渲染来自他1866年的著作《生物一般形态学》，包含三个王国：Plantae、Protista和Animalia。 后来他为缺少核的单细胞生物添加了第四个王国莫内拉。

将近100年后的1969年，美国生态学家罗伯特·惠特克（1920-1980）提议在他的生命之树中再增加一个王国——真菌。 惠特克的树还包含一个高于王国等级（帝国或超级王国等级）的分类级别，以区分细胞中有膜结合核的生物（真核生物）和没有膜结合核的生物（原核生物）。 Empire Prokaryota 只包含了莫内拉王国。 Empire Eukaryota 包含其他四个王国：真菌、Protista、Plantae 和 Animalia。 惠特克的五国树多年来一直被认为是标准的系统发育。

该图\(\PageIndex{3}\)显示了生命之树如何随着时间的推移而变化。 请注意，这些树中均未发现病毒。 这是因为它们不是由细胞组成的，因此很难确定它们在生命之树中的位置。

图\(\PageIndex{3}\)：这个时间轴显示了几个世纪以来生命之树的形状发生了怎样的变化。 即使在今天，随着技术的进步，活生物体的分类学仍在不断地被重新评估和完善。

练习\(\PageIndex{1}\)

简要总结一下我们对微生物认识的不断变化是如何促成生物分类方式的变化的。

临床重点：第 2 部分

抗生素药物是专门为杀死或抑制细菌生长而设计的。 但是在服用抗生素几天后，Cora没有任何改善的迹象。 此外，她的脑脊液培养物是从实验室阴性中恢复过来的。 由于没有从科拉的脑脊液样本中分离出细菌或真菌，她的医生排除了细菌和真菌脑膜炎。 病毒性脑膜炎仍有可能。

但是，Cora现在报告了一些令人不安的新症状。 她开始走路有困难了。 她的肌肉僵硬已经从脖子扩散到身体的其他部位，四肢有时会不由自主地抽搐。 此外，科拉的认知症状正在恶化。 此时，科拉的医生变得非常担心，下令对脑脊液样本进行更多检查。

练习\(\PageIndex{2}\)

哪些类型的微生物可能导致Cora的症状？

遗传学在现代分类学中的作用

海克尔和惠特克的树木根据易于观察的特征提出了关于不同生物系统发育的假设。 但是20世纪后期分子遗传学的出现揭示了组织系统发育树的其他方法。 遗传方法允许以标准化的方式比较所有活生物体，而不必依赖通常是主观的可观察特征。 现代分类学在很大程度上依赖于比较不同生物的核酸（脱氧核糖核酸 [DNA] 或核糖核酸 [RNA]）或蛋白质。 两种生物之间的核酸和蛋白质越相似，它们之间的关系就越密切。

20世纪70年代，美国微生物学家卡尔·沃斯发现了看似生物进化的 “活记录”。 他和他的合作者乔治·福克斯根据他们在不同生物的小亚基核糖体RNA（rRNA）中观察到的相似和差异创建了一棵基于遗传学的生命树。 在此过程中，他们发现某种类型的细菌，称为古细菌（现在简称为古细菌），在小亚基rRNA的序列方面与其他细菌和真核生物有显著不同。 为了适应这种差异，他们创建了一棵树，其三个域高于王国等级：古细菌、细菌和真核（图\(\PageIndex{4}\)）。 对小亚基 rRNA 的遗传分析表明，古细菌、细菌和真核生物都是从常见的祖先细胞类型进化而来的。 这棵树的倾斜显示出古细菌和真核之间的进化关系比它们与细菌之间的进化关系更为密切。

图\(\PageIndex{4}\)：科学家继续使用对RNA、DNA和蛋白质的分析来确定生物之间的关系。 一个有趣且复杂的发现是水平基因转移，即一个物种的基因被另一个生物的基因组吸收。 水平基因转移在微生物中尤为常见，可能难以确定生物的进化关系。 因此，一些科学家现在以 “生命网” 而不是 “生命之树” 来思考。

练习\(\PageIndex{3}\)

1. 在现代分类学中，科学家如何确定两种生物之间的密切关系？
2. 解释为什么 “生命之树” 上的树枝都来自一个 “树干”。

命名微生物

在开发分类法时，林奈使用了二项式命名系统，这是一种按属和物种识别生物的两个词的命名系统。 例如，现代人类属于 Homo 属，物种名称为 sapiens，因此他们在二项式命名法中的学名是 Homo sapiens。 在二项式命名法中，名称的属部分总是大写；后面是物种名称，不大写。 两个名称均为斜体。

18 至 20 世纪的分类学名称通常源自拉丁语，因为这是最初创建分类系统时科学家使用的常用语言。 如今，新发现的生物可以被命名为源自拉丁语、希腊语或英语的名字。 有时，这些名称反映了生物体的某些独特特征；在其他情况下，微生物是以发现它们的科学家的名字命名的。 古生物 Haloquadratum walsbyi 就是这两种命名方案的一个例子。 Haloquadratum 属描述了微生物的咸水栖息地（光环源自希腊语中的 “盐” 一词）及其方形细胞的排列，方细胞排列成由四个细胞组成的方形簇（qu adratum 在拉丁语中意为 “foursquare”）。 该物种 walsbyi 以微生物学家安东尼·爱德华·沃尔斯比的名字命名，他于 1980 年发现了 Haloquadratum walsbyi。 虽然给生物体起一个通用的描述性名称（比如红发啄木鸟）似乎更容易，但我们可以想象这怎么会成为问题。 当发现另一种带有红头色的啄木鸟时会发生什么？ 科学家使用的系统命名法通过为每个生物体分配一个被全世界科学家认可的单一、唯一的两个单词的名称来消除这个潜在的问题。

在本文中，我们通常会在首次提及生物体后对其属和物种进行缩写。 缩写形式只是该属的第一个首字母，后面是句号和该物种的全名。 例如，大肠杆菌的缩写形式简称为大肠杆菌。 在其他科学文献中，你也会遇到同样的惯例。

伯吉的手册

无论是在树上还是在网中，微生物都可能难以识别和分类。 如果没有羽毛、脚或毛皮等容易观察到的宏观特征，科学家必须捕获、培育和设计方法来研究它们的生化特性，以区分和分类微生物。 尽管存在这些障碍，一组微生物学家还是创建并更新了一套用于识别和分类微生物的手册。 Bergey 的《决定性细菌学手册》和 Bergey 的《系统细菌学手册》于 1923 年首次出版，此后多次更新，是鉴定和分类不同原核生物的标准参考文献。 （本教科书的附录D 部分基于伯吉的手册；它显示了本教科书中出现的生物是如何分类的。） 由于许多细菌看起来完全相同，因此必须使用基于非视觉特征的方法来识别它们。 例如，生化测试可用于识别某些物种特有的化学物质。 同样，血清学测试可用于鉴定特异性抗体，这些抗体会对某些物种中发现的蛋白质发生反应。 最终，DNA和rRNA测序既可用于鉴定特定的细菌物种，也可以用于对新发现的物种进行分类。

练习\(\PageIndex{4}\)

• 什么是二项式命名法？为什么它是命名生物的有用工具？
• 解释为什么像 Bergey 手册这样的资源有助于识别样本中的微生物。

同名，不同菌株

在一种微生物中，可以有几种称为菌株的亚型。 虽然不同的菌株在基因上可能几乎相同，但它们可能具有截然不同的属性。 大肠杆菌因引起食物中毒和旅行者腹泻而臭名昭著。 但是，实际上有许多不同的大肠杆菌菌株，它们引起疾病的能力各不相同。

你可能听说过的一种致病性（致病）大肠杆菌菌株是大肠杆菌 O157: H7。 在人类中，大肠杆菌 O157: H7 的感染会导致腹部绞痛和腹泻。 感染通常源于受污染的水或食物，尤其是生的蔬菜和未煮熟的肉。 20 世纪 90 年代，曾多次大规模爆发大肠杆菌 O157: H7，据信这些疫情起源于未煮熟的汉堡包。

虽然大肠杆菌 O157: H7 和其他一些菌株给大肠杆菌起了个坏名声，但大多数大肠杆菌菌株不会引起疾病。 实际上，有些可能会有所帮助。 肠道中天然发现的不同大肠杆菌菌株可以帮助我们消化食物，为我们提供一些必需的化学物质，并对抗致病微生物。

摘要

• Carolus Linnaeus 开发了一种分类系统，用于将生物分为相关群体。
• 二项式命名法为生物分配拉丁化学名和属种名称。
• 从进化的角度来看，系统发育树是一种展示不同生物如何相互关联的方式。
• 第一棵系统发育树包含动植物王国；恩斯特·海克尔提议为原生生物增加一个王国。
• 罗伯特·惠特克的树包含五个王国：Animalia、Plantae、Protista、Fungi 和 Monera。
• 卡尔·沃斯（Carl Woese）使用小亚基核糖体RNA创建了一棵系统发育树，该树根据生物的遗传相似性将其分为三个结构域。
• Bergey 的决定性和系统性细菌学手册分别是鉴定和分类细菌的标准参考资料。
• 细菌可以通过生化测试、DNA/RNA分析和血清学测试方法进行鉴定。

词汇表

二项式命名法

使用拉丁化属和物种名称对生物进行科学命名的通用惯例

真核生物

由一个或多个细胞组成的生物体，这些细胞含有膜结合的细胞核和细胞器

系统发育

一组生物的进化史

原核生物

细胞结构不包括膜结合核的生物体

分类学

活生物体的分类、描述、识别和命名