幾個世紀以來，人類一直在努力探索和描繪地球生物多樣性的總和?？茖W(xué)家和博物學(xué)家已經(jīng)對所有大陸和海洋的物種進行了分類，從地殼深處到最高的山脈，從最偏遠的叢林到人口最密集的城市。這一偉大的努力揭示了進化所帶來的形式和行為，同時也為理解共同的生命起源奠定了基礎(chǔ)。最近，我們的星球被認為居住著近1000萬種物種(107種)。盡管這一數(shù)字并不小，但這一估計幾乎完全是基于肉眼可見的物種。
那么像細菌、古生菌、原生生物和真菌這樣的小物種呢?總的來說，這些微生物類群是地球上最豐富、分布最廣、進化時間最長的生命形式。它們對全球生物多樣性的貢獻是什么?如果算上微生物的話，最近的研究表明地球上可能有1萬億(1012)種物種，如果這是真的，那么通過巨大努力發(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特的挑戰(zhàn)。一個多世紀以來，科學(xué)家們通過在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)微生物物種，然后描述它們的細胞特性，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，以此來鑒定微生物種類。這類方法大大低估了微生物多樣性，不僅是因為培養(yǎng)絕大多數(shù)微生物很困難，還因為不相關(guān)的微生物物種也可以發(fā)揮類似的功能，而且不太可能通過外表來區(qū)分。
在20世紀90年代中期，越來越多的微生物學(xué)家開始放棄培養(yǎng)技術(shù)，轉(zhuǎn)而通過從海水、樹葉表面、濕地沉積物甚至淋浴噴頭內(nèi)部的生物膜中提取核酸(DNA)來直接測序鑒定生物。在過去的十年里，這些方法得到了極大的改進，使得數(shù)以百萬計的單個微生物可以同時被取樣。通過這種高通量的方法，我們了解到，一克農(nóng)業(yè)土壤通?？梢园?0000多種物種。同樣，我們知道近10萬億(1013)的細菌細胞構(gòu)成了人類的微生物群。這些微生物不僅有助于宿主的消化和營養(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。總的來說，地球上微生物細胞的估計數(shù)量大約在10000009(1030)左右，這個數(shù)字超出了人們的想象，也超過了宇宙中恒星的估計數(shù)量。自然地，這就引出了一個問題，到底有多少物種可能存在在地球。
地球上幾乎每個生態(tài)系統(tǒng)都有長長的物種名單，每年都有近2萬種動植物被發(fā)現(xiàn)。這些物種中有許多是甲蟲，但關(guān)于嚙齒動物、魚類、爬行動物甚至靈長類動物的新發(fā)現(xiàn)也并不少見。盡管令生物學(xué)家和公眾都感到興奮，但新出現(xiàn)的動植物物種每年僅占物種總數(shù)的2%左右，這一跡象表明，我們對地球上這些生物進行的普查可能是近乎完全的了。
與之形成鮮明對比的是，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含水層中發(fā)現(xiàn)了35個新的細菌門;門是一個廣泛的群體，包含成千上萬的微生物，甚至是數(shù)以百萬計的相關(guān)物種。在這一含水層中發(fā)現(xiàn)的細菌門占地球上所有以前確認的細菌門的15%。在此背景下，人類屬于脊索動物門，但也有65000多種其他動物擁有脊索動物(或骨桿)，包括哺乳動物、魚類、兩棲動物、爬行動物、鳥類和被囊動物。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，如果我們要對全球生物多樣性進行評估，應(yīng)該就物種的構(gòu)成達成一致。對于植物和動物來說，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，這個定義對于分類微生物物種并不是很有用，因為它們是無性繁殖的。(微生物可以通過被稱為“水平基因轉(zhuǎn)移”的過程，在基因相似的個體之間轉(zhuǎn)移基因，這種過程類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方法，可以從遺傳數(shù)據(jù)中推斷出來。最常用的描述微生物分類單元的技術(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)合成所需的分子機器。通過比較序列之間的相似性，科學(xué)家可以識別出不同的類群，而不需要在實驗室中培養(yǎng)它們或者費力地描述它們的生理或細胞結(jié)構(gòu)。但對這種基于RNA的微生物分類相關(guān)的許多警告中，有一個警告是它可能低估了物種的真實數(shù)量，如果是這樣的話，那么最近關(guān)于地球上可能有1012個物種的預(yù)測雖然數(shù)量驚人，但也只可能是一個保守的估計。
了解地球上微生物種類的數(shù)量可能對提高我們的生活質(zhì)量具有實際意義。利用生物多樣性的前景可能會刺激替代燃料的開發(fā)，以滿足日益增長的能源需求，為快速增長的人口提供新作物，以及對抗新出現(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更基本的原因。從文明開始的時候，我們這個物種的生存就依賴于對植物、動物和微生物的試驗和錯誤，我們試圖從這些試驗和錯誤中收獲、馴化或避免。我們對生物多樣性的興趣也反映了對自然世界和我們在其中的地位的內(nèi)在好奇心。無論是贊美、保護、改造還是開發(fā)，人類從未試圖對居住在地球上的其他物種視而不見。
