微生物生態(tài)學(xué)

生態(tài)理論在微生物生態(tài)學(xué)中的作用主要內(nèi)容1.摘要2.內(nèi)容3.總結(jié)摘要生態(tài)理論微生物生態(tài)學(xué)生態(tài)學(xué)微生物生態(tài)學(xué)與生態(tài)理論1）生態(tài)理論對(duì)于微生物生態(tài)學(xué):微生物生態(tài)學(xué)的影響遍及微生物學(xué)、生態(tài)學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)，微生物生態(tài)學(xué)的發(fā)展需要理論的應(yīng)用。理論在微生物生態(tài)的應(yīng)用是嚴(yán)重缺乏的，但是確實(shí)極其重要的，理論可預(yù)測(cè)實(shí)用價(jià)值的發(fā)生。2）微生物生態(tài)學(xué)對(duì)于生態(tài)理論：已建立的大多數(shù)的生態(tài)理論必須以微生物系統(tǒng)的角度去測(cè)試。微生物生態(tài)學(xué)與生態(tài)學(xué)微生物生態(tài)學(xué)是基于微生物群體的科學(xué)。其研究在于探究微生物群體之間及微生物群體與環(huán)境之間的關(guān)系。

自然生態(tài)系統(tǒng)和減緩氣候變化的管理

廢水處理、工業(yè)化學(xué)生產(chǎn)、制藥生產(chǎn)、生物修復(fù)

更強(qiáng)調(diào)把微生物作為一個(gè)群體(物質(zhì)交換、能量流動(dòng)和信息交流),有機(jī)地組成了微生物基本研究單元，如微生物種群、群落和一系列有機(jī)集合體等

微生物生態(tài)學(xué)可以說(shuō)是當(dāng)代生態(tài)學(xué)面臨的最具說(shuō)服性的挑戰(zhàn)之一。了解控制上述過(guò)程的因素至關(guān)重要，那么最好的實(shí)現(xiàn)方法便是基于現(xiàn)有的觀察和隨后的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出的生態(tài)理論。理論的重要性

理論的基礎(chǔ)定義理論在微生物學(xué)上應(yīng)用的例子

定義：理論是用來(lái)對(duì)周?chē)氖澜邕M(jìn)行分類(lèi)、解釋和預(yù)測(cè)的。沒(méi)有它，微生物生態(tài)學(xué)只能在有限的范圍內(nèi)對(duì)相關(guān)情況進(jìn)行陳述，提供很少的見(jiàn)解。

例子：使用流行病學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)人類(lèi)和植物病原體的傳播，并使用這些預(yù)測(cè)，實(shí)施控制政策。改進(jìn)的定量理論可以提高廢水處理過(guò)程的效率。微生物群落結(jié)構(gòu)，人口動(dòng)態(tài)和活動(dòng)之間的聯(lián)系的定量信息，有助于評(píng)估微生物對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)及影響，并導(dǎo)致氣候變化對(duì)特定生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程貢獻(xiàn)的定量預(yù)測(cè)。限制了微生物生態(tài)學(xué)理論發(fā)展的兩個(gè)因素?cái)?shù)據(jù)的缺乏：在自然中觀察微生物固有的困難，往往不能在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)，缺乏必要的檢測(cè)微生物的分子技術(shù)的基本原則和機(jī)制的理論工具。文化觀念。傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)家的方法是基于理解上的生理機(jī)制，而不注重理論。微生物與植/動(dòng)物有差異：當(dāng)前的生態(tài)理論:挑戰(zhàn)微生物個(gè)體微小，增長(zhǎng)迅速，分散程度高，豐富度大，在自然界中分布的廣度和空間都不如植/動(dòng)物明確。

匹配適合的理論：接近于微生物有機(jī)體的系統(tǒng)、規(guī)模，檢驗(yàn)生態(tài)原則的真正的普遍性并創(chuàng)造一個(gè)人工合成的生態(tài)，讓它涵蓋所有生物。存在于植物和動(dòng)物生態(tài)學(xué)中的已建立的理論，與微生物和大型生物之間存在著差異，這些差異在某種程度上限制了現(xiàn)有理論應(yīng)用于微生物生態(tài)。生態(tài)物種的概念測(cè)量多樣性和物種豐富度空間尺度多樣性-能量關(guān)系時(shí)間尺度微生物活動(dòng)的多變性競(jìng)爭(zhēng)策略行為在下面的章節(jié)中，我們討論的生態(tài)理論領(lǐng)域的例子，與此同時(shí)，我們?cè)噲D確定是否微生物的特定的特性對(duì)于應(yīng)用已經(jīng)在植物和高等動(dòng)物上形成的生態(tài)理論會(huì)呈現(xiàn)困難，是否新的理論會(huì)被微生物領(lǐng)域所需要，以加強(qiáng)或取代既定的生態(tài)理論。生態(tài)理論領(lǐng)域的例子理論框架生態(tài)物種的概念:生態(tài)理論研究的是物種中的個(gè)體。物種：是生物分類(lèi)學(xué)的基本單位。生態(tài)物種：是指基于生態(tài)學(xué)的歧化選擇造成群體之間形成基因流障礙的過(guò)程，是物種形成的一種方式。生態(tài)物種形成的一個(gè)關(guān)鍵因素就是生態(tài)學(xué)差異產(chǎn)生的歧化選擇。舉例：環(huán)境差異（海拔、降水、溫度）可以導(dǎo)致在不同的群體中自然選擇產(chǎn)生不同的性狀。物種形成包括生態(tài)物種形成和突變主導(dǎo)的物種形成。

基因流

基因流又叫基因轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)）。以細(xì)菌為例，基因轉(zhuǎn)移的結(jié)果是形成細(xì)菌的基因組。細(xì)菌的基因組被認(rèn)為由兩部分組成：核心基因組和輔助基因組。核心基因組在大多數(shù)情況下是必不可少的，可能會(huì)通過(guò)基因重組形成，用來(lái)保持物種的連貫性。輔助（副）基因組編碼特殊的生態(tài)適應(yīng)性基因，很容易獲得和失去。16S核糖體RNA基因序列的調(diào)查顯示了細(xì)菌菌落的巨大多樣性，但我們對(duì)于一個(gè)涉及流動(dòng)性質(zhì)的細(xì)菌基因組與細(xì)菌群落的生態(tài)個(gè)體理論，仍有許多的事情要做。

物種多樣性和物種豐富度

1、物種豐富度是指一個(gè)群落中物種數(shù)目的多少；2、物種多樣性是物種豐富度和物種均勻度的綜合指標(biāo)。

測(cè)量多樣性和物種豐富度--群落構(gòu)建與演化

關(guān)于微生物群落生態(tài)的許多關(guān)鍵問(wèn)題需要對(duì)物種豐富度可靠的估計(jì)。

微生物生態(tài)的克隆庫(kù)是如此之?。?03），微生物的群落如此（1015），所以樣本的分布不能像群落那樣被繪制DNA的復(fù)性動(dòng)力學(xué)：變性、復(fù)性。最豐富的序列重組和復(fù)性動(dòng)力學(xué)反映相似序列的基本分布，因此，基因組多樣性得以產(chǎn)生。

生態(tài)學(xué)的空間屬性是指生態(tài)系統(tǒng)具有一定的地理空間分布范疇，包括其經(jīng)緯度和氣候帶、自然地理帶屬性及相鄰生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系位置；生態(tài)學(xué)又同時(shí)具有時(shí)間屬性，指生態(tài)系統(tǒng)在其動(dòng)態(tài)（進(jìn)化、演替、生長(zhǎng)發(fā)育等）過(guò)程中的時(shí)間尺度。微生物生態(tài)學(xué)中的尺度效應(yīng)

各種生態(tài)學(xué)問(wèn)題產(chǎn)生和形成基于不同的空間尺度、時(shí)間尺度和生態(tài)學(xué)組織尺度層面，沒(méi)有任何一種生態(tài)學(xué)現(xiàn)象可以孤立地依存于單一尺度上得以研究。目前，關(guān)于尺度效應(yīng)的研究集中于時(shí)間和空間尺度。

對(duì)硫化葉菌株的九個(gè)基因位點(diǎn)的序列進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析，菌株遠(yuǎn)離水且沉積物樣品的采集來(lái)自嵌套層次結(jié)構(gòu)的五個(gè)地理位置。分化枝對(duì)應(yīng)的五個(gè)地理區(qū)域，顯示出在一個(gè)區(qū)域內(nèi)的菌株有著共同的進(jìn)化歷史，與在其他地區(qū)發(fā)現(xiàn)不同的菌株是不同的。(相同的樣品的菌株用相同的顏色描繪)

進(jìn)化分支圖可以顯示時(shí)間和類(lèi)群間的進(jìn)化時(shí)間體現(xiàn)：相對(duì)于植物和動(dòng)物，微生物有潛在的快速增長(zhǎng)和短世代。特別是在強(qiáng)大的選擇壓力，微生物的進(jìn)化可以迅速發(fā)生，有可能導(dǎo)致生態(tài)和進(jìn)化的時(shí)間尺度縮短。應(yīng)用：這個(gè)基本屬性可以被利用來(lái)研究當(dāng)代在生態(tài)環(huán)境，如氣候變化方面的問(wèn)題，包括其中與人為方面可能有關(guān)的是進(jìn)化對(duì)生物環(huán)境關(guān)系的影響。意義：依賴(lài)于環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)條件，增長(zhǎng)率可以改變幾個(gè)數(shù)量級(jí)，物種形成依賴(lài)于生長(zhǎng)和擴(kuò)散。在微生物生態(tài)學(xué)中的許多緊迫的問(wèn)題需要考慮的空間和時(shí)間尺度。時(shí)間尺度

在連續(xù)的棲息地估計(jì)的Z值遠(yuǎn)低于那些島上的棲息地，然而一些新研究表明對(duì)于微生物種-面積關(guān)系也存在類(lèi)似于大型生物的較大的Z值。但一項(xiàng)研究表明，土壤群落組成在大陸規(guī)模內(nèi)是非隨機(jī)的，這種模式不同于植物和動(dòng)物的生物地理分布受現(xiàn)場(chǎng)溫度和緯度的影響。

空間尺度（分布格局）1、意義：空間格局的作用生態(tài)學(xué)中被廣泛認(rèn)可。許多系統(tǒng)，如支離破碎的棲息地和分散的人口，在一個(gè)不確定的空間內(nèi)研究是不能進(jìn)行的。2、方法：距離-衰減關(guān)系。遺傳/群落組成相似性與空間距離呈負(fù)相關(guān)SAR模式，即物種豐富度-區(qū)域面積-斜率，描述物種數(shù)量隨取樣面積增加而變化的規(guī)律。S=c×AZ3、經(jīng)驗(yàn)證據(jù)表明，動(dòng)物和植物在連續(xù)的棲息地內(nèi)，Z一般是在0.1到0.2的范圍內(nèi)，而在離散的區(qū)域Z是陡峭（0.2＜Z＜0.39）多樣性-能量關(guān)系微生物生態(tài)學(xué)研究通過(guò)分析營(yíng)養(yǎng)源和能量流的功能途徑，了解微生物類(lèi)群和周?chē)h(huán)境的相互作用關(guān)系，以及微生物群落的復(fù)雜性。例如，初級(jí)生產(chǎn)力被認(rèn)為是是植/動(dòng)物生物多樣性的一個(gè)關(guān)鍵因素。細(xì)菌群落也表現(xiàn)出這種多樣性-能量關(guān)系。HornerDevine和他的同事們觀察到，提高生產(chǎn)力，增加和減少在水生生物群落細(xì)菌分類(lèi)學(xué)多樣性，細(xì)菌類(lèi)群生產(chǎn)力和多樣性的關(guān)系是有差異的。表明，細(xì)菌的多樣性伴隨能源的不同可能會(huì)有所不同，在某些情況下，其多樣性與能量的關(guān)系類(lèi)似于植物和動(dòng)物。需要進(jìn)一步的研究，以確定潛在的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)（例如，與富營(yíng)養(yǎng)化）對(duì)微生物物種豐富度和多樣性的影響。早期的分子研究并沒(méi)有區(qū)分活動(dòng)性和非活動(dòng)性。在一個(gè)給定的環(huán)境中的微生物的大部分細(xì)胞是非活動(dòng)性的。幾種細(xì)菌屬的孢子形成耐藥性，非芽孢菌還可以切換到生長(zhǎng)緩慢或休眠形式，耐環(huán)境應(yīng)力。微生物群落的不活躍會(huì)影響到他們的生態(tài)系統(tǒng)的許多方面，包括種群動(dòng)態(tài)和多樣性，它的復(fù)雜性生態(tài)理論的應(yīng)用，集中在生活態(tài)和活躍的種群。不活躍的微生物細(xì)胞和種子沒(méi)有直接貢獻(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)程。但當(dāng)環(huán)境條件的變化時(shí)，其對(duì)一個(gè)群落對(duì)擾動(dòng)的應(yīng)變能力可能會(huì)是重要的。因此，無(wú)活動(dòng)性的群落成員在研究中也是需要考慮的。微生物活動(dòng)的多變性

行為

在這一領(lǐng)域的理論和實(shí)驗(yàn)與微生物生態(tài)學(xué)有著密切的聯(lián)系。1、用來(lái)提高我們對(duì)微生物的行為和對(duì)資源（或溫度變化的）反應(yīng)的理解。如細(xì)胞響應(yīng)外部信號(hào)變化的過(guò)程可以被看作是受環(huán)境的刺激而引發(fā)的，如趨化，孢子萌發(fā)和群體感應(yīng)。2、確定微生物特性的因素。如細(xì)胞的時(shí)間分配或資源分配交替生命形式，如孢子或其他持久性狀態(tài)，可以使用生命歷史理論研究，傳統(tǒng)上解決生長(zhǎng)，分化和繁殖之間的權(quán)衡。此外，現(xiàn)有的理論預(yù)測(cè)生物如何結(jié)合不同的生活史特征如性別、性變態(tài)來(lái)形成生活史策略。

3、同樣，趨化性能通過(guò)尋求更有利的資源來(lái)確定相對(duì)優(yōu)勢(shì)，利用高濃度的劣質(zhì)資源或低濃度的首選資源建立最優(yōu)覓食模型。雖然微生物趨化性的分子機(jī)制已被很好的理解，但作為一個(gè)理論框架，無(wú)疑會(huì)提高其在生態(tài)環(huán)境中的理解。4、生態(tài)博弈論的最新應(yīng)用顯著影響我們對(duì)積極的相互作用，如微生物間的合作的理解。在任何一個(gè)個(gè)體合作的系統(tǒng)中都可能有潛在的缺陷，這可能會(huì)導(dǎo)致多個(gè)行為策略的共存。可以很容易地探索在微生物種群中使用的“游戲”理論模型，來(lái)理解和預(yù)測(cè)進(jìn)化論的某些結(jié)果。結(jié)論:限制性+重要性限制性：微生物學(xué)家正在被詢(xún)問(wèn)的問(wèn)題本質(zhì)上是定量，及理論研究進(jìn)展需要與其它學(xué)科的合作。生態(tài)理論潛在的應(yīng)用領(lǐng)域在微生物生態(tài)學(xué)上被認(rèn)為是受驅(qū)動(dòng)的，但也受技術(shù)的限制。新理論的提出固然更可貴，但應(yīng)在充分利用較為成熟的理論和方法研