作者:郭晓强   来源:科学杂志（上海）    录入:Admin    

作为第三种生命形式的古核生物于1977年被发现，此举从根本上改变了人们对生命形式及起源的认识，推动了现代生命科学的迅速发展。本文要介绍的就是这位发现者。

分类学一直是生命科学的一项重要研究内容，也是探索生命起源和进化的基础之一。起初分类是依据形态学，后又加入生物化学和代谢等相关指标。1960年代，科学家根据细胞核的有无，将生命分成原核生物与真核生物两种形式，在此基础上推测真核生物由原核生物进化而来。1977年，美国微生物学家和生物物理学家沃兹（Carl Richard Woese）利用rRNA序列同源分类法，鉴定出古核生物是一种独特的生命形式，从根本上动摇了两界分类系统的观点，也更新了进化史的描述。
从数理双学士到遗传密码研究者

1928年7月15日，沃兹出生于美国纽约州的锡拉丘兹。沃兹在马萨诸塞州私立迪尔菲尔德中学完成初等学业，随后进入阿默斯特学院深造并于1950年获得数学和物理双学士学位。大学期间，沃兹对植物学和动物学等生命科学的相关课程缺乏足够兴趣，只修了一门生物化学；然而即将毕业时却在一位物理老师的建议下，选择进入耶鲁大学攻读生物物理学博士学位，从而改变了他的人生轨迹。

在耶鲁大学，沃兹的导师是生物物理学家波拉德（E. Pollard），后者是物理学家查德威克（J. Chadwick，由于发现中子而获诺贝尔物理学奖）的学生。波拉德因在二战期间为雷达开发做出的贡献而闻名。在攻读博士学位期间，沃兹开始涉足微生物领域，主要研究病毒在热/离子辐射条件下的失活现象与机制，1953年获得生物物理博士学位。在纽约罗切斯特大学医学院完成两年医学实习后重返耶鲁大学，从事生物物理的博士后研究，重点在细菌孢子的形成和特征。1960年秋，沃兹进入位于纽约斯克内克塔迪的通用电气公司并建立实验室，研究方向转到遗传密码。

1950年代，分子生物学取得了长足进步。1953年，沃森和克里克提出DNA的双螺旋模型，阐明了遗传物质的结构基础。1958年，克里克进一步提出 “中心法则”，阐述了DNA到蛋白质的遗传信息传递规律。该法则涉及核酸中的核苷酸信息转变为蛋白质氨基酸信息的过程，但是对两者之间的关联仍不得而知。第二年，克里克等进一步提出核酸中3个连续核苷酸对应于1个氨基酸，将这种对应关系称为遗传密码（亦称三联体密码）。破译遗传密码随后成为生命科学领域中一个带有重大挑战性的难题。

1960年，已有多位著名的生物物理学家、生物化学家和分子生物学家，包括奥乔亚（S. Ochoa）、尼伦伯格（M. Nirenberg）和霍拉纳（H. Khorana）等，加入了遗传密码的破译工作。沃兹也是其中之一。沃兹从生物物理学角度对遗传密码进行了全面的分析。他研究了tRNA与DNA碱基组成的关系，推导了病毒的遗传密码，并成功预测了脯氨酸密码。此外，他还探索了核糖体在蛋白质翻译过程中的作用。

尽管沃兹对64种遗传密码的最终破译贡献有限，但是这段研究经历对沃兹具有更为重大的意义：在此过程中沃兹熟悉了RNA的特征和生物学作用；与大多数科学家关注RNA在蛋白质翻译中的作用不同，沃兹更多地关注RNA在物种起源和进化中的作用，而这个作用被绝大部分的科学家所忽视。

1962年，沃兹作为访问学者在法国巴斯德研究所做了几个月的工作。巴斯德研究所在当时是细菌分子生物学的圣地之一，一大批年轻科学家在探索着生命的奥秘，主要研究基因表达与调控的分子机制，当时已提出了著名的操纵子模型。沃兹在这里一方面熟悉了分子生物学技术，另一方面也对细菌生物学有了更深入的理解。

在巴黎，沃兹与细菌分子生物学家施皮格尔曼（S. Spiegelman）相遇，施皮格尔曼了解到沃兹的研究之后，邀请他加入伊利诺伊大学。1964年，沃兹正式加入伊利诺伊大学并一直工作到退休，担任微生物学教授，开始了对RNA在进化中作用的全面研究。
发现古细菌

1960年代，进化生物学领域主要以群体遗传学研究为主，利用数学公式描述物种进化关系。较为生涩的模型使研究领域外人员很难理解，因此分子生物学的新方法和新技术无法在此领域得到广泛应用。分类学是进化研究的基础之一，为物种间的关联提供重要信息。当时，物种分类主要基于形态学差异，分子分类也开始得到应用，初步通过分析得到蛋白质的氨基酸序列差异。但是蛋白质分类存在明显的瓶颈，如当时常用的细胞色素C和胰岛素等主要存在于高等生物中，而在大部分低等生物中并不存在，因此无法将低等生物纳入分子分类。沃兹决定通过分析RNA来研究物种间的亲缘关系。

1967年沃兹在其专著《遗传密码：遗传表达的分子基础》（The Genetic Code: The Molecular Basis for Genetic Expression）中提出，RNA可能在进化史上是更古老的分子。此见解可看作著名的“RNA世界”（RNA world）假说之先声，而该假说到1986年才由生物化学家吉尔伯特（W. Gilbert）首次提出和使用。当时3种基本的RNA都已被成功地鉴定，它们是用于指导蛋白质合成的模板信使RNA（mRNA）、携带氨基酸的转运RNA（tRNA）和构成蛋白质合成场所核糖体的核糖体RNA（rRNA）。而沃兹更关注rRNA。作出这种选择主要基于以下原因：一是考虑到蛋白质是生物功能的执行分子，故而蛋白质合成场所也具有重要的作用；二是当时发现所有生物都存在rRNA，并且基本结构类似；三是rRNA突变率低且执行相同的功能。鉴于以上原因，沃兹认为rRNA可作为测量生物间进化距离的理想尺度。

细菌中有3类rRNA，分别为5S rRNA、16S rRNA和23S rRNA（S是沉降系数单位），而真核生物有4类，分别是5S rRNA、5.8S rRNA、18S rRNA（与16S rRNA对应）和28S rRNA（与23S rRNA对应）。沃兹首先选择包含120个碱基的5S rRNA作为研究对象，深入分析后却发现，尽管分子量小便于操作，但蕴藏过少的信息量使5S rRNA无法用于种类繁多的物种分类研究。随后，沃兹将目光转向16S rRNA，其所含核苷酸数量超过1500个。这个信息量足够用于全面分析，不过也在无形中增加了沃兹的工作量。

测序在今天已成为一项常规技术，但在1970年代早期，测序还是一件让许多研究人员望而却步的事情。当时酶法测序技术（1977年发明）尚未出现，而对RNA序列的分析主要采用桑格（F. Sanger）的RNA 指纹法（1965年提出），该方法基于以下程序 ：首先用放射性同位素32P标记RNA，接下来用鸟苷酸特异性RNA酶T1处理，随后利用电泳将片段进行分离，有时还须将片段回收，进行下一步的RNA酶消化，对最终得到的片段信息（指纹）进行分析。虽然沃兹对该方法做了适当改进，但要完成整个过程仍是一项繁琐而耗时的工作。博士后福克斯（G. Fox）的加入对研究起了重要推动作用。为使结果更加可靠，沃兹和同事使用尽量多的物种用于亲缘关系分析，其中还包括同事赠送的10株“特殊”微生物——产甲烷细菌。这些细菌之所以特殊是因为生存在较恶劣的环境中，且当时种类较少。

对所得的多种生物16S rRNA进行指纹图谱分析，得到了一个惊人的结果：这些“特殊”的产甲烷细菌与其他种类细菌存在明显差异。大部分细菌的16S rRNA指纹图谱基本相似，但10株产甲烷细菌缺少细菌的几个明显特征，反而新增了几个独特的新特征。进一步的聚类分析表明，它们与大多数细菌亲缘关系较远。1977年，沃兹和同事在《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）上发表了一篇具划时代意义的论文以阐述他们的观点，整篇论文只有5页（包含3幅大的表格），而结论部分只有短短181个单词。

1962年，美国微生物学家范尼尔（C. B. van Niel）和加拿大微生物学家斯塔尼尔（R. Y. Stanier）根据形态将原核生物定义为遗传物质未被核膜包裹的一类细胞，从而将自然界的生命（不包括病毒）区分为两大类——有明显细胞核的真核生物（包括真菌、酵母、植物和动物等）和无明显细胞核的原核生物（细菌）。这很快被科学界普遍接受。

按照这个分类系统，产甲烷细菌应属于原核生物；但沃兹和福克斯的深入分析推翻了这种分类，他们认为这类生物既不同于真核生物，也与典型的原核生物（细菌）存在明显差异，因此他们创造了一个新词——古细菌（archaeabacteria）来描述这类生物，而经典细菌则称为真细菌（eubacteria）。
提出三界分类系统

沃兹将微生物系统划分为古细菌和真细菌两类的想法，遭到许多生物学家的反对。其主要原因在于，沃兹引入分子进化关系的分类法，对传统的形态分类造成巨大的冲击。２１世纪最重要的进化生物学家之一迈尔（E. Mayr）随后几年与沃兹在《美国科学院院刊》上就古细菌归属于细菌还是平行于细菌的进化地位，进行了多年争论，一直不肯接受沃兹的分类方法。

随着研究的逐步深入，大量数据越来越支持沃兹的观点。1980年代，科学家通过对古细菌的全面分析发现，它们在细胞结构、物质代谢、信息传递等方面与细菌明显不同，甚至部分指标还更接近于真核生物。沃兹的观点开始被慢慢接受，尽管许多科学家仍不太情愿。新闻报道称沃兹的发现给微生物学带来了一场伤痕累累的革命。

1990年，沃兹根据十几年的研究进展，重新绘制了分类系统。他将archaeabacteria（古细菌）简化为archaea（古核生物），以示其与细菌（bacteria）无关，并且基于16S rRNA的进化关联而不是形态相似性，将生物分为三界系统（three-domain system）——古核生物、细菌（原核生物）和真核生物（eucarya）系统。1996年，对第一个古核生物詹氏甲烷球菌（Methanococcus jannaschii）的全基因组测序宣告完成，证实了沃兹三界系统说的正确性。沃兹和同事通过分析进一步得出结论，较之与细菌，古核生物与真核生物关系更接近，可将古核生物看做古代真核细胞祖先的一个后裔。在沃兹革命性的发现之前，得到鉴定的古核生物种类非常有限，对它们的生物学意义也理解较少；后来发现，古核生物不仅遍布环境的每一个角落，还对整个生物圈具有重要意义。

沃兹的三界分类系统对理解进化有很大帮助。2002年沃兹提出，今天物种的共同祖先并非一个单一的生物，而是一类结构松散的细胞群。这些细胞具有高的基因突变率，且细胞间亦存在频繁的水平基因转移（horizontal gene transfer, HGT）。可将这类原始细胞群称为原生命（progenote）。原生命在演变过程中受到环境的选择，最终形成今天的三界系统。
卓越贡献

沃兹的发现标志着分子系统发育这个研究领域的诞生，更新了对物种起源和进化的认识。沃兹的贡献常被拿来与达尔文作比较，1977年的论文也被认为是继《物种起源》之后进化论研究领域的另一个具有“里程碑”意义的成果。

沃兹发明的16S rRNA序列分析也给生命科学研究带来了一场革命。应用16S rRNA作为进化标志物，证实了真核细胞中的线粒体和叶绿体来自于细菌，从而确立了细胞器内共生假说的正确性，也确立了共生起源是进化过程中的一个重要驱动力。

16S rRNA分析还成为所有生物鉴定和分类的标准。环境中大部分微生物无法在实验室中培养，这成为研究其特征的瓶颈。通过分析环境中收集到的16S rRNA来确定微生物类群，使大量新的微生物种群得到了鉴定，人们对这些种群的生物学功能和意义也有了新的认识。目前，16S rRNA还被用于研究人体肠道菌群（宏基因组学），相关研究更新了对多种疾病发生原因的理解，为疾病的治疗开辟了新的道路。

沃兹一直担任伊利诺伊大学微生物学讲座教授，还帮助创办了基因组生物学研究所（Institute for Genomic Biology，IGB），主要研究水平基因转移在进化中的重要性；又拓展应用氨基酰-tRNA合成酶基因进行分子进化研究，以阐明原生命进化过程中的分子事件。沃兹还建立了以自己名字命名的基金，主要资助进化、系统生物学和生态系统动力学等方面的研究。

由于对生物学发展的重要贡献，沃兹获得了一系列重大荣誉。1988年沃兹当选美国科学院院士，2006年又当选英国皇家学会外籍会员。他先后获得麦克阿瑟天才奖（1984年）、荷兰艺术和科学院列文虎克奖（1992年，微生物学领域最高奖，每10年颁发一次）、瓦克斯曼奖（1995年）、作为美国科学最高奖的国家科学奖章（2000年）、瑞典皇家科学院克拉福尔德生物科学奖（Crafoord Prize in Biosciences 2003，颁奖理由是第三生命形式的发现）。克拉福尔德生物科学奖被认为是诺贝尔奖的补充，主要奖励未被诺贝尔奖囊括的研究领域。

2012年6月下旬，沃兹被诊断出胰腺癌，12月30日，因胰腺癌并发症在伊利诺伊州厄巴纳市家中去世，享年84岁。

沃兹逝世后，多家报刊刊发了讣告，以纪念这位伟大的科学家。美国国家航空与航天局天体生物学研究所所长戈登费尔德（N. Goldenfeld）的评价是，沃兹的工作可媲美超导理论，是20世纪生物学的标志性成果之一，为理解生命进化提供了坚实的基础。伊利诺伊大学基因组生物学研究所所长鲁宾逊（G. Robinson）的评价是，沃兹的发现改写了教科书。

尽管沃兹取得了伟大成就，但他在微生物学和进化生物学外几乎默默无闻。沃兹为人非常低调，对媒体无太大兴趣，也不喜欢通过工作而获取专利和金钱。他除了专注于自己的研究内容，业余时间就用于享受音乐和运动等。在沃兹看来，微生物世界远比高等生物界更为重要，它们通过广泛的多样性适应着自然界，并且为高等动物的生存提供必要的支持，在漫长的进化过程中默默地发挥着自己的作用。

总之，沃兹是一位真正意义上的科学家，通过自己的研究拓展和深化了人们对自然界的理解与认识，从而对物种起源、极端环境下微生物生存特征等的研究起到了革命性的推动作用，因而他的发现堪称真正意义上的重大发现。　
[1] Fox G E, Magrum L J, Balch W E, et al. Classification of methanogenic bacteria by 16S ribosomal RNA characterization. Proc Natl Acad Sci USA, 1977, 74（10）: 4537.
[2] Woese C R, Fox G E. Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms. Proc Natl Acad Sci USA, 1977, 74（11）: 5088.
[3] Woese C R, Kandler O, Wheelis M L. Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria and Eucarya. Proc Natl Acad Sci USA, 1990, 87（12）: 4576.
[4] Woese C R. On the evolution of cells. Proc Natl Acad Sci USA, 2002, 99（13）: 8742.
[5] Nair P. Woese and Fox: Life, rearranged. Proc Natl Acad Sci USA, 2012, 109（4）: 1019.
[6] 郭晓强. 三界分类系统简介. 中学生物学, 2005, 21（9）: 2.