微生物的进化、系统发育和 分类鉴定,第一节 进化的测量指征 第二节 细菌分类 第三节 伯杰氏手册 第四节 微生物分类鉴定的特征和技术 第五节 微生物的快速鉴定和自动化 分析技术,大约46亿年前，地球形成；,大约35亿年前，通过“前生命的化学进化”过程，地球上开始出现生命，主要是些类似简单杆状细菌的原始生物漫长的进化历程,,千姿百态的生物种类,地球的进化和早期微生物生命存在的证据,在不到20亿年历史的岩石中，化石微生物的形态多样性要比35亿年以上历史的岩石中微生物的形态多样性更明显形成于35亿年前的微生物化石 主要是些类似简单杆状细菌的原始生物,,,形成于8.5亿年前的微生物化石,20亿年前以后的岩石中的微生物的化石形态多样性明显增多,形成于10亿年前的微生物化石,形态上非常类似于现代的蓝细菌， 进行不产氧光合作用的光能自养 菌，及化能无机营养的硫细菌形态上类似于现代的绿藻（真核生物）,,原始生物的代谢和进一步的代谢进化、光合作用,最早的生物必须利用简单的机制获得能量 原始代谢是厌氧的，并与无机化能营养相似，从而能够利用大量存在的FeS和H2S资源 随后出现了发酵和厌氧呼吸，并伴随着不产氧光合作用的产生，在此之后又出现了产氧光合作用。
后者的出现导致了氧化环境的形成及生物进化的大爆炸恐龙时代,后生动物的起源,现代真核生物的起源,产氧环境,产氧光养生物的起源,生命的起源,地球的形成,寒武纪,前寒武纪,微生物的多样性,有机化学合成的光化学合成,5亿多年前,远古时代（十亿年）,无氧,有氧,生物进化和地球化学变化的主要标志,,从RNA生命形式到细胞生命形式进化的可能过程自我复制的RNAs通过稳定整合到脂蛋白囊泡中而能够成为细胞实体后来，蛋白质替代了RNA的催化功能，DNA替代了RNA的编码功能RNA生命,原始生物的RNA具有遗传和催化两种功能，但由于催化性的RNA并不十分有效，所以蛋白质催化剂的进化导致细胞效率的明显提高 DNA的出现是因为它与RNA相比能提供一个更稳定的遗传信息形式，而且DNA能被更加准确地复制现代细胞：DNA→ RNA→蛋白质,原始生物：RNA生命,现在有充足的证据表明，现代真核细胞通过合作从有机化能营养和光养微生物的共生体逐步进化到细胞→内共生理论内共生作用,一个好氧细菌在原始真核生物的细胞质中定居，为细胞提供能量以换取稳定的环境及养分供给这个好氧细菌就代表了线粒体前身以相同的方式，产氧光养原核生物的内共生吸收使得原始真核生物能进行光合作用而再也不用依靠有机化合物获取能力。
共同祖先,核系,细胞增大,核的起源,由内共生引发的现代真核生物的起源,共生吸收一个光养细胞（原始叶绿体）,现代的真核生物,原始的真核生物,真核生物起源的内共生学说及现代实验证据,内共生的证据,1、线粒体和叶绿体都含有原始类型的核糖体，还显示出某些细菌中特征性16SrRNA； 2、线粒体和叶绿体含有少量原核生物中典型的共价闭合环状DNA. ◆内共生作用使真核细胞家族产生进化 ◆呼吸和光合能量的存在把这些新的重要特征赋予了真 核细胞，从而为生化多样性的出现创造了条件进化(evolution)：生物与其生存环境相互作用过程中， 其遗传系统随时间发生一系列不可逆的改变，在大多 数情况下，导致生物表型改变和对生存环境的相对适应今天仍生存在地球上的生物种类， 彼此之间都有或远或近的历史渊源最原始的生命,漫长的进化历程,,千姿百态的生物种类,,系统发育(phylogeny)：各类生物进化的历史分类(classification)：根据生物特征的相似程度 将其分群归类地球上的物种估计大约有150万，其中微生物超过10万种， 而且其数目还在不断增加生物分类的二种基本原则：,a）根据表型(phenetic)特征的相似程度分群归类，这种 表型分类重在应用，不涉及生物进化或不以反映生 物亲缘关系为目标；,b）按照生物系统发育相关性水平来分群归类，其目标 是探寻各种生物之间的进化关系，建立反映生物系 统发育的分类系统。
从进化论诞生以来，生物分类要反映生物之间的亲缘关系， 已经成为生物学家普遍接受的分类原则生物系统学(systematics),,古生菌：与细菌不同的一类系统发育相关的原核微生物 内共生：该理论认为线粒体和叶绿体最初是自由生活的细菌，并能在原始真核细胞中稳定存在，最终产生了现代的真核细胞 进化距离：在系统发育树上，将生物体分隔开的物理距离的总和；进化距离与进化相关性成反比本章重要名词：,系统发育：生物体的进化史 系统发育树：在研究生物进化和系统分类中，常用一种树状分枝的图型来概括各种（类）生物之间的亲源关系，这种树状分枝的图型被称为系统树 RNA生命：可能存在于早期地球上缺少DNA和蛋白质的一种生命形式， RNA行使遗传编码和催化两种功能 16SrRNA：一个大的多核苷酸（约含1500个碱基），行使原核生物小亚基的功能；能从16SrRNA序列获得进化信息；真核生物的对应物是18SrRNA变形细菌：一大类系统发育相关的革兰氏阴 性菌 特征序列：在特定生物或一类系统发育相关 生物中， 16SrRNA或18SrRNA中 具有特定序列的短寡核苷酸 分类学：对生物进行鉴定、分类和命名的科学 领域：分类学意义上生物分类的最高水平。
科：生物分类中一个中间水平的分类等级科含有几个属，属含有一个或多个种 属：不同种的集合，其中的每一个种拥有一项或多项主要特征 种：微生物学中多个菌株的集合，这些菌株具有相同的主要特征，但它们在一个或多个重要特征上与其他菌株的集合不同第一节 进化的测量指征,70年代以前，生物类群间的亲缘关系判断的主要根据：,形态结构、,生理生化、,行为习性，等等,少量的化石资料,表型特征：,一、进化指征的选择,而对于原核生物：,形体微小、,结构简单、,缺少有性繁殖过程，,化石资料凤毛麟角,深入分析困难,b）形态特征在不同类群中进化速度差异很大，仅 根据形态推断进化关系，往往不准确；,根据形态学特征推断微生物之间的亲缘关系的缺点：,a）由于微生物可利用的形态特征少，很难把所有 生物放在同一水平上进行比较；,根据少量表型特征来推测各类微生物的亲缘关系 而提出的许多分类系统，都随着时间的推移而不 断地被否定了20世纪70年代以后：,,分析和比较生物大分子的结构特征，特别是 蛋白质、RNA和DNA，这些反映生物基因组特征 的分子序列，作为判断各类微生物乃至所有 生物进化关系的主要指征分子计时器(molecular chronometers),进化钟(evolutionary clock),蛋白质、RNA和DNA序列进化变化的显著特点是进化 速率相对恒定，也就是说，分子序列进化的改变量 (氨基酸或核苷酸替换数或替换百分率)与分子进 化的时间成正比。
这些生物大分子——分子计时器或进化钟分子计时器或进化钟,,,◆在两群生物中，如果同一种分子的序列差异很大时，表示它们进化距离远，这两群生物在进化过程中很早就分支了 ◆如果两群生物同一来源的大分子的序列相同，说明它们处在同一进化水平上通过比较不同类群的生物大分子序列的改变量来确定 它们彼此系统发育相关性或进化距离1. 生物大分子作为进化标尺依据,,,a）在两群生物中，如果同一种分子的序列差异很大时，,------------进化距离远，进化过程中很早就分支了b）如果两群生物同一来源的大分子的序列基本相同，,------------处在同一进化水平上2. 作为进化标尺的生物大分子的选择原则：,1）在所需研究的种群范围内，它必须是普遍存在的2）在所有物种中该分子的功能是相同的3）为了鉴定大分子序列的同源位置或同源区，要求所 选择的分子序列必须能严格线性排列，以便进行进 一步的分析比较4）分子上序列的改变（突变）频率应与进化的测量尺 度相适应大量的资料表明：功能重要的大分子、或者大分子中功能重要 的区域，比功能不重要的分子或分子区域进化速率低二、rRNA作为进化的指征,16S rRNA被普遍公认为是一把好的谱系分析的“分子尺”：,1）rRNA具有重要且恒定的生理功能；,2）在16SrRNA分子中，既含有高度保守的序列区域，又有中度 保守和高度变化的序列区域，因而它适用于进化距离不同的 各类生物亲缘关系的研究；,3）16SrRNA分子量大小适中（约1500），便于序列分析；,4）rRNA在细胞中含量大(约占细胞中RNA的90%)，也易于提取；,5）16SrRNA普遍存在于真核生物和原核生物中(真核生物中其同 源分子是18SrRNA)。
因此它可以作为测量各类生物进化的工具核糖体RNA,（a）大肠杆菌70S核糖体的电镜照片 （b）核糖体的几个组成部分；5S、16S和23S是指核糖体小亚基上不同形式的RNA （c） 16S核糖体RNA（rRNA）的一级结构和二级结构 这是大肠杆菌的16SrRNA；古生菌16SrRNA的二级结构具有普遍的相似性，而一级结构则差别很大 16SrRNA在真核生物中的对应物是存在于细胞质核糖体中的18SrRNA20世纪70年代利用16SrRNA建立分子进化树的美国科学家 Carl Woese （获得了瑞典皇家学会颁发的克拉夫奖）,三、rRNA和系统发育树,1. rRNA的顺序和进化,培养微生物,,提取并纯化rRNA,,rRNA序列测定,分析比较,,,微生物之间的系统发育关系,用反转录酶和 双脱氧测序法（Sanger）对 微生物培养物 进行测序的步 骤两个应用最广泛的获得系统发育树的方法是距离法和简约性法用距离法构建系统发育树，先把序列排位，然后通过计算机记录数据库中序列有差异的位置来计算进化距离（ED）根据这些数据，可以构造出一个显示数据库中任意两个序列ED的矩阵接着，把一个统计校正因子引入ED ，判断在每一给定位点发生多于一种变化的可能性。
计算了这种可能性，就能获得一个系统发育树，该树上线的长度与进化距离是成比例的←图中的序列代表了16SrRNA的全长对于A→B,12个中发生3个不同，因此，3/12=0.25,↓图中计算的进化距离（ED）是任意二个生物RNAs间非同源序列的比例↑图中的系统发育树最终是通过计算机对数据的分析而产生的简约性法，是另一个普遍用于系统发育学分析的方法基于一个假设获得进化树：在进化分支过程中确实发生了把来自相同祖先的两个谱系分开所必需的最小序列变化量像距离程序一样，这一方法需要用一个特殊的数据库计算序列差异的数目2. 特征序列或序列印记（signature sequence）,特征序列是单独存在于某些类群生物中短的 寡核苷酸特征序列一般是在16SrRNA分子 的特定区域发现的特征序列有助于迅速确定某种微生物的 分类归属，或建立新的分类单位少数情况下还有单碱基特征序列如在所有细菌16SrRNA的675位置都是腺嘌呤A，而在古生菌各种16SrRNA的相同位置从未发现该碱基，该碱基在各种真核生物中也非常稀少可用单碱基特征序列快速将某生物置于正确的领域中，以进一步的序列分析3. 系统发育树(phylogenetic tree),通过比较生物大分子序列差异的数值构建的系统树称为 分子系统树，其特点是用一种树状分枝的图型来概括各 种(类)生物之间的亲缘关系。
图型中，分枝的末端和分枝的连结点称为结(node)， 代表生物类群，分枝末端的结代表仍生存的种类系 统树可能有时间比例，或者用两个结之间的分枝长度 的变化来表示分子序列的差异数值系统树分无根树和有根树两种形式无根树只是简单表示生物类群之间的系统发育关系，不反映进化途径而有根树不仅表示A、B、C、D的亲疏，且反映出它们有共同的起源及进化方向构建分子系统树，是在进行序列测定获得原始资料后，由计算机排序，使各分子的序列同源位点一一对应，再计算相似性或进化距离 在此基础上，使用。