本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
我最近一直在与艾莉·哈蒙合作一个关于尘土的项目。艾莉去年徒步穿越了太平洋山脊步道，从美国与墨西哥的边境到加拿大边境，全程2663英里。她收集了整个加利福尼亚州的尘土样本，并将它们寄给了我在实验室，总共62个样本，代表了加利福尼亚州景观的广泛多样性。
在过去的几个月里，我们将尘土转化为数据。首先，我们使用MoBio PowerSoil DNA分离试剂盒从每个样本中分离出DNA。在程序的每个步骤中，尘土中越来越多的非DNA物质被剥离，直到最后，尘土中颜色和质地的多样性被转化为微量的清澈液体。
我们将DNA发送给一家公司，该公司可以扩增和测序样品中所有16S RNA基因。16S RNA是细菌核糖体的一部分，这是一个所有细菌共有的序列，通常用于识别密切相关的物种。该公司向我们发回了大量的原始序列数据以及每个样本中每种物种相对丰度的摘要表。
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
艾莉使用了D3 javascript库和迈克·博斯托克的集群力导向布局来表示每个样本中的每种细菌。每个圆圈的大小对应于相对丰度，颜色代表细菌门。有关数据可视化的更多信息，请查看艾莉的博客，要玩交互式可视化版本，请访问dirtmap.org并点击其中一张尘土照片。
这些图表很好地概括了不同样本中细菌的多样性和分布情况，但它们掩盖了处理和解释序列数据的大量工作。“物种”的概念本身在微生物方面提出了一些深刻的哲学问题。如果我们定义物种边界为分隔不能杂交的生物群体，那么无性繁殖的生物可以被认为是物种吗？在不同的个体细菌之间存在如此多的水平基因转移的情况下，物种识别的稳定性如何？16S序列是物种差异的良好代表吗？通常，仅查看16S序列时，研究人员会提到“操作分类单元”（OTU），即通过算法识别的相似序列簇，而不是“物种”，后者带来了更多的哲学包袱。
下面的热图显示了当我们的数据表示为OTU与物种时的一些差异。顶部部分代表我们一个样本的所有OTU，大约13,000个不同的序列簇，每个簇用一个正方形表示。然后，来自每个OTU的代表性序列可以与16S基因的数据库匹配，从而提供我们用于制作圆形图表的最终物种列表，底部图表中约有1200个物种。与数据库不匹配的OTU被着色为橙色；在第一行中，您可以看到它们分布在整个数据中，然后在物种数据中凝结成一个正方形。总的来说，定义的“物种”数量比OTU数量少10倍以上，因为存在这些“未命中”的情况，并且通常几个不同的OTU会匹配相同的物种。
总而言之，所有这些数据提供了加利福尼亚州微生物生物地理学的快照，但更重要的是，它展示了将尘土中极其多样化和异质的微生物种群转化为可以可视化和比较的数据集的过程。上周，艾莉和我将尘土、数据和过程照片整理成在加州大学洛杉矶分校艺术|科学画廊的展览。对我们来说，将这个非常简单的科学实验作为艺术品展示，让我们对实验室方法、数据可视化的美学以及我们如何创造科学知识提出了不同的问题。将这个科学过程从实验室背景中取出并放入画廊并没有削弱结果，而是为我们提供了更丰富的背景，以理解这些结果可能或可能无法告诉我们关于自然、科学以及我们脚下尘土的信息。
*本项目由加州大学艺术研究所资助。特别感谢安·赫希、卡维塔·菲利普、维多利亚·维斯纳、尼克·西弗、卢克·奥尔布里什、贝丝·雷迪、马斯基特·梅蒙-席勒、米克·洛鲁索、玛丽莎·克利福德、道恩·费尔纳尔、异世界、迈克·博斯托克、研究与测试实验室以及美国邮政服务。