>>>  讀書—連接古今充實信仰  >>>

簡體     傳統

对生命起源和演化的探讨，可能永远没有终极答案，但却吸引着无数执着聪慧的大脑。

随着时光隧道向前追溯，现在看到这段文字的你，我打赌愈会对生命的演化感到惊奇。放大尺度来看，这绝对是一不乏奇迹和精彩的长篇乐章。

第一章 演化大断层

细菌和真核细胞间的落差在生物学的范畴内是无可比拟的。就算我们勉强接受菌落是真正的多细胞生物，它们的组织也从未超过最初阶的程度。这不可能是因为它们缺乏时间和机会——细菌统治了这个世界长达二十亿年，所有你想得到的地方它们都占领过，连你想不到的地方都占领了不少，现在它们的生质量依旧超过所有多细胞生物加起来的总合。不过因为某些原因，细菌始终没有演化成大家能轻易辨识的那种多细胞生物。而根据主流看法，真核细胞的出现相形之下远比细菌来得晚，却在短短数亿年之内引发了我们身边所见的生命涌泉，而这不过是细菌可以运用的时间的一小部分而已。

诺贝尔奖得主杜维一直对生命的历史和起源感到兴趣，在他睿智的终极论述《演化中的生命》一书中，他暗示真核细胞的发端与其说是机缘凑巧，不如说是一个关键瓶颈——换句话说，真核细胞的诞生几乎是不可避免的命运，是当时环境状况相对上的突然转变（比如大气和海洋中氧浓度的上升）所造成的。当时的所有原始真核生物里，碰巧有一种对新环境适应得比较好，并且快速扩充族群，突破了瓶颈，在变动的环境里占得优势，它们繁盛兴旺的同时，较不适应新环境的竞争物种死绝了。这样的结果导致了某种错误的印象，让我们以为这一切是随机的。这样的可能性是否存在，取决于事件发生的正确顺序，以及牵涉其中的筛选压力，除非能肯定这两项因素的实际状况，否则我们都不能排除这种可能。当然，我们讨论的是二十亿年前的筛选压力，可能永远不会有肯定的一天；但正如我在引言部分说过的，就算如此，我们还是可以藉由现代分子生物学的帮助，排除一些可能性，然后专注于剩下的，最有希望的那些选项。

虽然我非常尊重杜维，但我觉得他的瓶颈论不是很有说服力。这个观念说的是一派独大，和生命几乎无所不包的绝对多元性互相抵触。世界的转变并不是一口气全面进行，许多不同的生态区位都留存了下来。或许最重要的一点是，缺氧的环境（无氧或低氧）也大规模地留存了下来，直到今日仍是如此。在这样的环境生存所需的生化技能，和含氧的新环境是相当不同的。就算已有某些真核生物存在于当时，应该也不会妨碍各式各样的「真核生物」在不同的环境里演化才对（例如海底死气沉沉的烂泥里）。可是这样的事情却没有发生。事实上，很惊人地，生活在这种地方的单细胞真核生物，全都和呼吸氧气、生活在清新空气里的生物体有所渊源。我不认为第一个真核细胞有那么勇猛，可以歼灭各种环境条件下的所有竞争者，尤其是那些生存条件不适合其本性的环境。而以细菌为例，真核生物确实也没有将这个竞争对手歼灭，而是为自己开启了新的生态区位，与细菌并肩而行。在生命的其他故事里，也找不到类似的例子，任何规模下都没有。真核生物变成呼吸氧气的能手一事，并没有造成细菌的绝迹。尽管它们一直毫不留情地竞争着相同的资源，许多细菌还是坚忍不拔地从好几十亿年前坚持到了现在，这才是普遍的状况。

让我们研究一下甲烷菌的例子。这类细菌（专业点应该要叫古细菌）以利用氢氧和二氧化碳合成甲烷的方式维生。这部分我们将会略花些篇幅，因为甲烷菌在接下来的故事里很重要。甲烷菌会遭遇一个问题：尽管二氧化碳很充足，氢氧却不是，氢氧总是会很快地和氧气作用而形成水，在含氧的环境里总是倏忽即逝。甲烷菌因而只能生存在有管道取得氢氧的环境里，这样的地方通常就是完全无氧的环境，或是火山活动频繁，氢氧的补充速度比消耗还快的地方。可是甲烷菌不是唯一使用氢氧的细菌，它们从环境中取得氢氧的效率也没有特别高。另外有一种叫做硫酸盐还原菌的细菌，靠着还原硫酸盐，使之转变为硫化氢这种带有臭蛋味的气体（实际上是臭蛋会散发硫化氢）而得到能量。它们也要使用氢氧才能实行这个作用，而在竞争这种稀有资源的场合，它们通常比甲烷菌要来得强。即便如此，甲烷菌也在适合它的生态区位存活了三十亿年，它们居住在那些其他条件不利于硫酸盐还原菌的地方——通常是缺乏硫酸盐。比方说，活水湖里的硫酸盐极其贫乏，因此硫酸盐还原菌无法在此安身；而甲烷菌就可以在湖底的淤泥或是不流动的沼地区域立命。它们散发出的甲烷气体被称为沼气，不时会燃亮神秘的蓝色火焰，在沼泽上方出没，这个现象也就是所谓的鬼火，许多鬼怪或幽浮的目击声明其实都该算到它头上。不过甲烷菌的甲烷产量可是一点也不含糊，任何人只要支持以天然气取代日渐短缺的石油，就该向甲烷菌说声谢谢，它们基本上可以负责我们所需的全部供应量。甲烷菌也出现在牛的，甚至于人的肠道里，因为后肠也是个极度缺氧的地方。甲烷菌在素食者体内格外的繁盛，因为植物的硫化物含量普遍较低。肉类富含硫，因此在肉食者体内，硫酸盐还原菌通常会取代甲烷菌。改变你的饮食习惯，在某些尴尬时刻你会发现有所不同。

关于甲烷菌我想强调的是，遇到瓶颈时它们是竞赛中的输家，尽管如此它们还是能找到适当的生态区位存活下来。在较大的规模上，输家彻底消失，或是后起之秀连摇摇摆摆的立足之地都找不到案例，也同样十分罕有。鸟类演化出飞行能力，并没有妨碍到其后演化的蝙蝠，它们还成为哺乳类中数量最丰的物种。植物的演化没有使藻类消失，维管束植物的出现也不曾消灭苔藓。就算是大灭绝也鲜少会消灭一整个生物网。恐龙虽然绝迹了，但爬虫类还在我们身边，尽管哺乳类和鸟类一直执拗地与它们竞争着。在我看来，在演化史上，能和杜维所设定的状况比拟的瓶颈只有生命的起源本身：生命可能只发源过一次，也可能是发源过许多次，但只有一种型体最终存活了下来——以后者而言，这就是一个瓶颈。或许吧，但这不是个好例子，因为我们无从证实。我们只知道，现存的所有生命都具有共同的祖先，发源自同样的始祖。连带的这也排除了某一类言论，认为侵略者一波波地轮番移居到我们的星球。地球上所有生物之间在生化上的密切关联，和这个观点是不相容的。

如果真核生物的诞生不是个瓶颈事件，那么它恐怕是一整套极为不易发生的系列事件所造成的，因为这整套事件只发生过一次。身为一个真核生物，我的发言可能有有失公允，但我不相信细菌可以登上这座顺畅的斜坡而获得知觉能力，或是升格成任何黏液之外的东西，不管是在这里，或是在宇宙他处。不，复杂生命体的奥秘在于真核细胞的嵌合本质，一个有前途的怪物，从二十亿年前一次不可能的并吞中诞生，而且至今还固定在我们最深层的构造里，支配着我们的生命。

一九四零年，高施密特首度提出了有前途的嵌合怪物这样的概念，同年，艾弗里证明了基因是由DNA构成的。高施密特被某些作者当成笑话，而被另一些人拥戴为反达尔文阵营的英雄。这两种评语都不适用于他，因为他的理论既非无稽之谈，也不违反进化论。高施密特主张，突变（基因的微小变化）的逐步累积虽然重要，但只能用来解释种内的变异。突变逐步累积的力量不够大，它所能造成的深化革新不足以解释新种的诞生。高施密特相信，物种之间巨大的遗传差异并非一连串微小的突变所能造成的，而是需要更深刻的「巨型突变」，就像是怪物的大脚一跨，越过「基因空隙」——意思是两段基因序列间的隔阂，也就是从一段序列成为另一段序列所需的变化总合。他意识到，随机的巨型突变会使基因序列突然大幅变化，极有可能会使突变种的生理机能无法运作，因而他将那百万分之一次的成功命名为「有前途的怪物」。对高施密特来说，一个有前途的怪物不是由一连串小小突变累积而来，而是遗传因子大幅遽变的幸运成果，就像典型疯狂科学家在实验室耗尽一生，历经使人发狂的失败后，创造出来的那种东西。现在我们学过了现代遗传学，知道巨型突变并不是种化的原因，至少在多细胞生物不是（虽然对细菌来说可能是，就像玛格利斯所主张的那样）。不过，在我看来，两个基因体的融合，产生了第一个真核细胞，这应该比较适合被看做是一项巨型突变，是它创造出了有前途的怪物，而不是小型基因变化的累积。

所以，第一个真核生物是个什么样的怪物？它的起源又有什么不可思议之处？想要知道这些答案，我们必须先思考真核细胞的特质，以及它们和细菌在许多方面的惊人差异。我们在引言的部分已经接触过这些主题；现在，我们应该专注于差异的规模，看看断层裂隙那大大张开的嘴巴。

真菌和真核生物的差异

与细菌相比，大部分的真核生物都很巨大。细菌的长度很少会超过一毫米的千分之几（几微米）。相形之下，虽然有一些名为真核超微藻类的真核生物和细菌一般大，但大部分真核生物的直径都比细菌大上十到一百倍，换算成体积就是细菌的一万到十万倍。

大小不是唯一的问题。真核细胞的核心特征，也是它命名的由来，就是它的「真」细胞核。这细胞核一般是球形，高密度的DNA（即遗传物质）被蛋白质包裹着封装在双层膜之中。此处就有三个地方和细菌大大不同。首先，细菌根本没有细胞核，或该说它们只有没被膜封起来的原始版本细胞核。因此细菌也被称为「原核生物」（prokaryote），希腊文的意思是「在核出现之前」。这个命名堪称先见之明，虽然有些研究人员认为，有核和没核的细胞出现的时间一样早，但大部分专家同意原核生物的名字取得很好：它们的演化确实发生在有细胞核的细胞，也就是真核细胞之前。

细菌和生物间的第二个不同之处在于基因体的大小，也就是基因的总量。普遍上，即使是和酵母菌这样简单的单细胞真核生物相比，细菌的DNA也远少于它们。它们之间的差距可以用基因的数目（通常是数百到数千个），也可以用DNA含量来表示。后都被称为C值，用以计算DNA的「字母」数量。C值不只有把基因算在内，还包括一段段所谓的非编码DNA，指的是不表现蛋白质的DNA，所以它们不能被称做基因。（目前基因的定义已不局限于蛋白质的表现与否，有些序列的表现产物是具功能性的RNA，这些序列亦属基因。）基因数目和C值的差异都很有启发性。像酵母菌这样的单细胞真核生物，基因的数目是大部分细菌的好几倍，人类则差不多是细菌的二十倍。C值，或说DNA含量的差异，则更为显着，因为真核细胞的非编码DNA比细菌多上许多。真核生物的总DNA含量超乎寻常地横跨了五个数量级。无恒变形虫这种大型变形虫的基因体，比微小的真核细胞兔脑炎微孢子菌大上二十万倍。这巨大的范围无关乎复杂度，和基因的总数也无关。事实上无恒变形虫的DNA含量是人类的两百倍，可是它的基因数目远小于人类，而且它们很明显地不像人类那么复杂。这古怪的矛盾被称为C值悖论。这些非编码DNA是否有演化上的意义？看法莫衷一是。其中一些部分确实是有意义的，但绝大部分仍旧令人费解，我们也很理解变形虫为什么会需要这么多非编码DNA（在第四部我们会回来讨论这个问题）。尽管如此，真核生物的DNA通常比原核生物多出好几个量级，这是事实 ，需要一个解释。拥有这么多的DNA不是没有代价的。复制这许多额外的DNA，还要确认它们的正确复制，这些工作耗费的能量会影响细胞分裂的速度和状况，带来的影响我们稍后会再继续探究。

第三个差别在于DNA的包装和构造。正如前言部分所说过的，大部分细菌具备的是单一环状的染色体。它们的染色体若非局部固定在细胞壁上，就是在细胞内任意漂动，随时可以快速地进行复制。细菌也有一些基因「零钱」，是自成小圈的DNA，名为质体，它的复制独立于细菌染色体，而且可以由一个细菌传递给另外一个。细菌日常交换质体的行为就像我们用零钱购物一样稀松平常，这说明了为什么抗药性的基因在细菌群体里散播得这么快——就像一天可能会经手二十个不同的的人。现在再回到细菌的基因中央银行，几乎没有细菌把主要染色体用蛋白质包裹起来，反之，它们的基因是「裸露」的，易于取用，是现金帐户而非储蓄帐户。在细菌中，目的相同的基因往往被排在一起，形成一个作用单位，被称为操纵组。反观真核生物，目的相似的基因也不会排列在一起。真核细胞具备许多彼此分离的线性染色体，它们通常是二倍体，相匹配的染色体两两成对，就像人类的二十三对染色体。真核生物基因在染色体上的排列基本上是随机的，更麻烦的是，基因还会被长段的非编码DNA分割成片段。制造蛋白质时必须先读过大量的DNA，才能将真正的基因拼接合并起来，形成可以表现蛋白质的通顺转录本。

真核生物基因不仅排列随机，支离破碎，而且还很难以触及。染色体被紧紧包裹在一种名为组蛋白的蛋白质上，这会阻挡基因的使用通路。当细胞分裂，基因要复制时，或是为了制造蛋白质而要复写转录本时，组蛋白的组态就必须改变，开放DNA的存取，而这又受到一种名为转录因子的蛋白质调控。

总结来说，真核生物基因体的构造是件复杂的事务，光是补充说明就能填满一座又一座的图书馆。第五部我们会讨论这个复杂装置的另一个层面（细菌所没有的性）。然而现在最重要的结论是：这样的复杂性有其能量成本。相较于细菌几乎永远在精简自己提升效率，大部分的真核生物既拐弯抹角又杂乱无章。

骨架和小房间

真核细胞在细胞核之外的部分，也和细菌相当不同。真核细胞一直被描述为「有内容」的细胞（图2）。它大部分的内容物由膜所构成。膜是由名为脂质的油脂分子所形成的夹心结构，薄到让你感觉不到它的存在。膜形成小囊泡、管子、盆状物和饼状物，包裹出一间一间以脂质屏障隔绝水状细胞质的封闭小房间。不同的膜系专门负责各式不同的任务，例如制造构成细胞的材料，或是分解食物产生能量，或者用于运送、储存或是降解。有趣的是，虽然尺寸形状千奇百怪，但大部分的真核细胞小房间，都是由最简单的囊泡变化而来的：有些被拉长压扁，有些被塑成管状，有些就是单纯的泡泡。最不寻常的是核膜，它看起来像是两层连续的、包住细胞核的膜，实际上却是一系列大而扁的囊泡相接而成的，而且惊人的是，它还和细胞内其他的膜隔间相连。因此核膜在构造上和细胞的表层膜不相同，这些表层的膜都是连续不中断的单层（或双层）构造。

细胞内还有一些微小的器官，例如粒线体，还有植物和藻类细胞内的叶绿体。叶绿体值得特别一提。它们负责行光合作用，将太阳能转化为携带化学能的生物性分子货币。叶绿体也跟粒线体一样，源自于某类细菌——蓝绿菌，它们也是唯一能够行真正的光合作用（会产生氧气）的一群细菌。值得注意的是，叶绿体和粒线体都曾是自由生活的细菌，还保有一些半独立的特征，包括一小群自己的基因。它们都和替宿主细胞生成能量的活动有关。这两个胞器都和真核细胞其他的膜系统胞器明显不同，而这样的不同使它们鹤立鸡群。和细胞核一样，粒线体和叶绿体都有两层膜，不同于细胞核的是，它们的双层膜形成不中断的、真正的屏障。粒线体和叶绿体的双层膜特征，连同它们自己的DNA、自己的核糖体、自己的蛋白质组装以及半自动的分裂，一同指证了它们的细菌起源。

细胞细菌（a）和真核细胞（b）的比较示意图。这两张图未依实际比例绘制；细菌大小约等同于（b）图中的粒线体。为了清晰起见，真核细胞内只零星描绘了一些膜所形成的构造，实际上两者内部的构造差异比图未更明显。即使是在电子显微镜下，也很难观察细菌。

如果我们说真核细胞有内容，那细菌就是什么都看不见。它们没有真核细胞那样缤纷的内膜系统，只有表面的一层细胞膜，它偶尔会向内折叠，赋予细胞一些纹理。即便如此，真核细胞繁盛的膜系和细菌稀疏的膜，两者的基本成分是相同的。都是由磷酸甘油构成的亲水性「头部」，接上几条脂溶性的长脂链所构成的。正如清洁剂会自然地形成微滴，脂质的化学结构会自然地促使它们愈合形成膜：亲水的头向两面突出，将脂链夹在中间。这种细菌和真核生物间的一致性，有助于说服生化学者两者有相同的遗传来源。

在我们进一步讨论这些异同之处的意义之前，先让我们完成真核细胞的参观之行。我还想提两个它们和细菌间的相异之处。首先，除了膜系构造和胞器之外，真核细胞还具有蛋白质织维所构成的致密内部支架，名为细胞骨架。第二，真核细胞不像细菌具有细胞壁，或至少可以说它们没有细菌型的细胞壁。（植物细胞和部分藻类以及真菌是有细胞壁的，但它们的细胞壁和细菌很不一样，而且演化出现的时间较迟。）

内部的细胞骨架和外部的细胞壁是截然不同的概念，然而却着同样的功能，它们都能提供结构性的支持，就像昆虫体外的几丁质和我们体内的骨骼都用来支持个体的结构。细菌细胞壁的构造和成分不一，但普遍都提供了坚硬的框架维持我细胞形状，使之在环境突然改变时不至于胀破或是塌陷。除此之外，细菌细胞壁的固体表面让染色体（还有染色体上的基因）可以定置于此，各种推进构造，像是鞭状的细丝（或称鞭毛）也可以固定于其上。相比之下，真核细胞通常只有柔软的外膜，靠内部的细胞骨架使之稳固。细胞骨架并不是一种固定不变的构造，它随时都在进行重整，这项耗能的过程使得细胞骨架拥有细胞壁所没有的机动性。这意味着真核细胞（或至少是真核细胞中的原生动物）不会像细菌细胞那么坚固，但它们可以改变自己的形状（通常相当激烈），因而得到数不清的好处。经典的例子像是变形虫，它们四处爬行，行吞噬作用将食物吞入体内。吞噬作用发生时，细胞会暂时将凸出一部分，这叫做伪足，意思是假的脚。细胞以伪足包围猎物后再次融合，将猎物包裹起来，形成细胞内的食泡。伪足的稳定靠的是细胞骨架不断地变化。它们之所以可以轻易地再次融合，是因为细胞膜是流体，就像肥皂泡一样，可以轻易地萌发小泡，然后再次融合。单细胞真核生物改变形状以及靠吞噬作用进食的能力，使它们成了真正的掠食者，和细菌产生了区别。

孤独之路——从细菌到真核生物

真核细胞和细菌大体上是以相同的材料打造出来的（核酸、蛋白质、脂质和糖类）。它们使用的遗传密码完全相同，膜脂质也是极为相似。很明显的，它们拥有共同的祖先。然而另一方面，真核生物和细菌的构造几乎没有一处相同。真核细胞体积平均是细菌的一万到十万倍，具有细胞核、膜系以及胞器。它们携带的遗传物质通常比细菌多上数百数千万倍，基因排列没有规则，还被分割得零零碎碎。它们的染色体不是环状，而是线性的，并且被包裹在组蛋白之中。它们大部分藉性行为繁殖，或至少偶尔会这么做。它们靠动态的细胞骨架从内部提供支撑不见得会有细胞壁，这使它们能够到处觅食，还能吞下整只的细菌。

粒线体只是一大串差异中的一项，看起来好像只是随意添上的一笔。然而它不是，接下来我们将会明白这一点。可是，还有一个问题没有解决：为何真核生物的演化之路如此壮盛，而细菌在将近四十亿年的时间里却几乎毫无改变？

真核细胞的起源是生物学最受瞩目的话题之一，道金斯将之称为「伟大的历史交会」。这个议题摆荡在科学和臆想间，绝妙的平衡，恰足以在理当冷静公正的科学家之间掀起狂暴的激情。实际上，有时会让人觉得好像每出现一个新证据，就会产生一项新的假说解释真核细胞的演化起源。这些假说传统上可分为两类，一类试图将真核细胞解释为许多不同细菌合并的结果；另一类则是试着在特定的分类里追溯真核细胞特征的可能起源，而不求助于那么多次的并吞。正如我们在引言部分所看到的，玛格利斯主张粒线体和叶绿体的起源都是自由生活的细菌。她也主张真核细胞一些其他的特征——包括细胞骨架，还有组织细胞骨架的中心粒——也来自细菌的的并吞，但这次她没有成功将领域中的学者拉到她这一边。问题在于，细胞结构上的相似性虽然有可能来自于演化上的直接关联性——内共生生物还没有退化得面目全非，还可以分辨它们的来源；但也有可能是趋同演化造成了结构上的相似性，类似的筛选压力无可避免地创造了类似的结构，毕竟正如先前所说，解决特定问题的招数就只有那几种而已。

像细胞骨架这样的细胞物件，不像叶绿体和粒线体拥有自己的基因体，很难确立它的出处。既然无法直接追溯家谱，就很难证明这个胞器是共生生物还是真核细胞的创作。多数的生物学家都倾向最单纯的观点，也就是真核生物大部分的特征，包括细胞核和胞器，除了叶绿体和粒线体，都纯属真核细胞的创作。

要从真核细胞起源的矛盾迷宫找到出路，我们只需要考虑两个互相竞争的理论，在我看来，这两者属实的可能性最高。它们分别是「主流」观点以及「氢假说」。主流观点替换掉了玛格利斯原始概念的许多细节，而这个新版本大半要归功于牛津的生物学家卡瓦略史密斯。没有学者像卡瓦略史蜜斯一样，对细胞的分子结构和它们的演化关系了解得那么详细，在细胞演化方面，他曾提出无数重要且引发争论的理论。氢假说则是完全不同的理论，提出这个有力说法的是美籍生化学家马丁，他任职于杜塞朵夫的海恩里希海涅大学。马丁有遗传学家的背景，他往往从生化的角度（而非构造性的观点）来切入真核生物的起源。他的看法违反直觉，引起了热烈的，在某些领域甚至是尖刻的反响，然而这些想法在生态方面的逻辑性干净利落，不容忽视，可以为他撑腰。这两个人时常在研讨会杠上彼此，他们的意见让这些会议仿佛笼罩在近似维多利亚时代通俗剧的气氛下，使人不禁联想到柯南道尔笔下的查林杰教授。伦敦皇家学会在二○○二年有场关于真核细胞起源的精采研讨会，整场会议里，卡瓦略史密斯和马丁不断争论着彼此的看法，令我印象深刻的是，会后数小时，他们还在当地的酒吧里持续着他们的辩论。

2024-07-06 16:33:29