微生物生态学与多样性

微生物生态学与多样性研究微生物的惊人多样性、它们的进化关系以及它们在生物圈中群落和生态系统中所扮演的角色。

Definition

微生物生态学与多样性是研究微生物多样性、它们的进化关系以及它们彼此之间和与环境之间相互作用的学科。

Scope

该领域涵盖基于分子序列将生命分为三个域的系统发育组织；细菌、古菌和微生物真核生物的多样性；在恶劣环境中繁衍的古菌和极端微生物；微生物群落和生物膜的结构与功能；宿主相关微生物组；以及揭示未培养微生物群体的非培养分子方法。它将微生物视为生物地球化学循环和生态系统功能的基础。

Sub-topics

• 古菌与极端微生物
• 微生物群落与生物膜
• 微生物系统发育和三域学说
• 微生物组与宿主关联

Core questions

• 微生物彼此之间以及与其他生命形式有何关系？
• 微生物生命如此巨大的多样性是如何形成的？
• 微生物群落如何组装和发挥功能？
• 分子方法如何揭示无法培养的微生物？

Key theories

生命的三域学说

核糖体RNA序列的比较揭示了生命分为细菌、古菌和真核生物三个域，其中古菌形成了一个独特的谱系，这重塑了对进化关系的理解。

微生物多样性的分子视角

对环境中核糖体RNA基因进行非培养测序表明，绝大多数微生物多样性从未被培养过，这改变了对微生物生命范围和结构的估计。

Mechanisms

微生物之间的系统发育关系通过保守的分子序列推断，特别是核糖体RNA基因，它们充当进化计时器。非培养方法直接从环境样本中扩增和测序这些基因，从而在不进行培养的情况下揭示群落组成。在群落内部，微生物通过竞争、合作和代谢交换进行相互作用，组织成结构化的集合体，如生物膜和微生物组，从而驱动生态系统过程。

Clinical relevance

微生物群落驱动碳、氮、硫和其他元素的全球循环，维持土壤肥力和水质，并形成影响植物和动物生物学的宿主相关微生物组，这使得微生物生态学成为环境科学、农业和健康相关研究的基础。

History

微生物生态学由维诺格拉茨基（Winogradsky）和贝耶林克（Beijerinck）在19世纪末创立。卡尔·沃斯（Carl Woese）在20世纪70年代进行的核糖体RNA研究揭示了生命的三大域以及古菌的独特性，随后诺曼·佩斯（Norman Pace）等人利用分子方法表明，自然界中大多数微生物多样性仍未被培养。

Key figures

• Carl Woese
• Norman Pace
• Sergei Winogradsky
• Martinus Beijerinck

Seminal works

• woese1977
• pace1997
• madigan2018

Frequently asked questions

为什么说大多数微生物是不可培养的？

对自然环境的分子调查检测到的微生物多样性远超实验室中能培养的种类，因为大多数微生物具有特定的或未知的生长需求。非培养测序揭示了这些生物，尽管它们尚未被培养。

生命的三大域是什么？

根据分子序列比较，生命分为三大域：细菌、古菌和真核生物。古菌是原核生物，形成了一个与细菌不同的谱系，这一发现重塑了对进化关系的看法。