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多数人纠缠于结果，高手改变原因，智者改变模型。

模型是错的，但却是有用的。

逻辑上允许发生的，几乎一定发生；逻辑上不允许出现的，几乎一定不出现。

复杂是一种生存能力，简单也是。

第七节 细菌为何如此单纯

伟大的法国分子生物学家贾克柏曾说过，每个细胞的梦想就是变成两个细胞。在我们的身体里，这番梦想受到层层关卡小心地控制；否则就会引发癌症。不过贾克柏受的是微生物学的训练，对细菌来说，一个细胞变成两个不只是梦想。细菌复制的速度飞快。食物充足时，大肠杆菌每二十分钟便可以分裂一次，一天分裂七十二次。一个大肠杆菌的体重约为一克的兆分之一（10-12克）。一天七十二次的细胞分裂相当于增殖272倍（=1072×log2=1021.6），也就是从10-12克增加成四千公吨。两天之内，指数倍增的细菌将会重达地球质量的两千六百六十四倍（也就是5.977×1021公吨）！

幸好这件事并不会发生，因为细菌通常都处于半饥饿状态。它们火速地消耗掉所有可得的食物，然后它们的生长便再度因缺乏营养而受限。大部分的细菌大半辈子都处于停滞的状态，静待着一顿饱餐。即便如此，细菌获得食物时投入复制的速度，生动地演示了筛选压力的压倒性力量。神奇的是，大肠杆菌细胞分裂的速度实际上比它们复制自己DNA的速度要来得快，复制DNA大约要花四十分钟（是细胞分裂所需时间的两倍）。它们能做到这点，是因为早在前一轮DNA复制结束之前，它们就开始了新一轮的复制。在细胞快速分裂的时期，每个细胞内都会同时制作好几份完整的细菌基因体。

细菌被天择毫不留情的暴政所控制。速度的重要性至高无上，细菌为何还是细菌的秘密就在这里。想像有一群细菌，它们的生长受限于养分的供应。现在，喂食它们。细菌细胞开始增殖。复制较快的细胞火速地称霸这个族群，而复制较慢的个体则被取代。当养分来源耗尽时，留下的就是一个新的，处于沉睡状态的族群（至少在下一餐出现前会是如此）。只要复制快速的个体够强壮，足以在野外存活下来，那这个新的族群中，复制速的个体必定会占多数。这个道理很简单，就像中国人在全球总人口中会愈来愈占优势，除非他们严格的生育控制法令能成功限制一个家庭只能生养一或两个小孩。

因为细胞分裂的速度比DNA复制来得快，所以细菌的最快分裂速度受限于DNA的复制能进行得多快。虽然细菌能靠着每次细胞分裂制造一组以上的基因体，好加快DNA的复制，但同时能制造的DNA套数还是有限。原则上，DNA复制的速度取决于基因体的大小，以及复制所需的可用资源有多少。对于复制来说，适当的能量储备（也就是ATP）就算称不上是一切，也是不可或缺的。产能效率较低或是资源不足的细胞，制造的ATP较少，因此复制基因体的速度往往较慢。换句话说，细菌为了繁盛生长，复制基因体的速度必须比竞争对手更快，而为了达成这个目的，基因体必须比别人小，要不然就是产能效率要比别人高。如果有两种细菌细胞，生成ATP的速度相同，那么其中基因体较小者，复制速度就会最快，并终将逐渐主宰整个族群。

如果额外的基因能提升细菌生成ATP的效率，帮助它们在资源贫瘠时超越竞争对手，那么细菌细胞也可以容忍它们的基因体变大。寇许坦尼狄斯和提亚杰曾在密西根州立大学进行过一个有趣的研究，他们检视了全部的一百一十五个完成定序的细菌基因体。他们发现，拥有最大基因体的细菌（拥有约九百万到一千万个字母，内含九千个基因）占据了那些资源含量稀少，但种类广泛的环境，特别是土壤；在这类的环境里，生长速度缓慢几乎不会造成损失。许多土壤细菌一年大约只能勉强繁衍三代，因此速度所承受的筛选压力比任何其他复制条件都来得小。在这样的状态下，善用稀少资源的能力便非常重要，而为了增加代谢的灵活性，就要有更多基因编写所需的一切。所以，多功能如果能在繁殖速度方面带来明显的优势，它便是笔好投资。像放线菌这类常见于土壤的细菌，之所以会拥有代谢上的多功能性，以及与之匹配的巨大基因体，并不是偶然。

因此，只要是在生长缓慢，而且多功能性备受重视的时候，细菌就可以容忍比较大的基因体。即便如此，在所有的全方位细菌中，天择仍会让基因体较小的种类脱颖而出，这似乎替细菌基因体的大小设定了一个最高限额，大约是一千万个字母。这是细菌所拥有的最大基因体，而大部分细菌拥有的基因数量远不及它。细菌的基因体小，是因为大基因体需要更多时间和能量才能进行复制，在筛选时会被剔除，这个说法大体而言应该是公正的。即使是最多才多艺的细菌，它的基因体都比生活在同个环境的真核细胞来得小。即使最多功能的细菌都受筛选压力所箝制，而真核细胞如何能从其中逃脱，便是这一章的主题。

基因流失的演化轨迹

为了维持基因体的小尺寸，细菌可能是消极地维持不变，手牌上永远是一样的基因，就像是胆小的赌徒；也可能是比较有机动性，持续地失掉基因然后又赢得新的，打掉手上的牌再抽其他的。说出来可能会让人吃惊（至少对于把演化想像成稳定迈向更高精细度，同时也是更多基因的人是如此），其实细菌拿基因做赌注时一点也不手软。它们输赢的机会一样多：基因的流失对细菌来说再平常不过了。

有个非常极端的例子可以用来说明基因流失，就是普氏立克次体，它会引起斑疹伤寒，这种恐怖的传染病会在老鼠虱子横行的环境下，袭击过度密集的人群。历史上，斑疹伤寒的疫情曾将军队整支整支地消灭，其中包括拿破仑在俄国的大军，一八一二年时，军队的残党带着斑疹伤寒，随着许多来自波兰和立陶宛的难民逃离了俄国。普氏立克次体这个名称取自二十世纪初的两名研究先驱，他们分别是美国人立克次以及来自捷克的普罗瓦茨。立克次、普罗瓦茨，以及法属突尼西亚的尼柯尔，这三人发现了这种疾病是透过人类体虱的粪便传播。遗憾的是，等到一九三〇年，该疾病终于发展出疫苗的时候，三名先驱中的立克次和普罗瓦茨都已死于斑疹伤寒。唯一存活下来的尼柯尔在一九二八年因其贡献而获颁诺贝尔奖。尼柯尔的发现在第一和第二次世界大战发挥了成效，当时的卫生措施如刮脸、沐浴和烧掉旧衣，都有助于抑止疾病的传播。

立克次体是种微小的细菌，几乎就和病毒一样小，它们寄生在其他的细胞体内。它们对这种生活方式适应得极为良好，以至于无法再生存于宿主细胞之外。瑞典乌普萨拉大学的安德笙和她的同事首先定序了它的基因体，定序的结果发表在一九九八年的《自然》期刊上，引起了热烈的讨论。立克次体的基因体极为精简，因为它居住在其他细胞之中，生活方式就像我们的线粒体一样——而且它所保留的基因和线粒体的序列相似性也很高，这促使安德笙及她的同事宣称，立克次体是现存和线粒体最接近的近缘物种（不过我们在第一章就已经知道，其他人并不同意这个论点）。

此处我们关心的是立克次体丢失基因的癖性。在演化的过程中，立克次体已经丢掉了大部分的基因，现在只剩下八百三十四个会表现蛋白质的基因。虽然这个数字比大部分物种的线粒体还要多上数十倍，但若拿立克次体和亲源关系最近的野外物种相比，它的基因数目几乎不及后者的四分之一。它之所以能这样抛弃自己的基因，单纯就是因为不需要：生活在其他细胞内，只要能够存活下来，剩下的就是饭来张口。这些寄生虫住在阔气大厨的厨房里，几乎不需自行谋生。然而它们没有变胖，反而减轻了体重，因为它们丢弃了多余的基因。

在此且让我们暂停一下，想想造成基因流失的压力。基因损坏是随机的，可能在任何时间发生在任何基因上；但基因流失不是随机的。任何细胞或生物体若是失去了重要的基因（或是受损导致其功能丧失）便会死亡——它再也无法在野外生存，因此会被天择所淘汰。相反的，如果某个基因并不重要，那么按照定义，就算它消失或是损坏也不会造成灾难。以我们自身来说，我们的灵长类祖先在数百万年前丢失了制造维生素C的基因，但它们并没有灭亡，因为它们的饮食中包括大量的水果，能为它们提供丰富的维生素C。它们存活了下来，并且兴旺了起来。我们会知道这个故事，是因为这些基因大部分都还留在我们的「垃圾」DNA里，它们就像船底有洞的船只残骸一样，深具说服力。这些残存的序列和其他物种中有功能的基因，彼此是密切呼应的。

在生化层级上，立克次体就是我们灵长类祖先的写照。许多用来制造细胞内重要化学物质（例如胺基酸和核酸）的基因，它都不需要，就像我们不需要制造维生素C的基因。立克次体只要从宿主细胞把这些化学物质输入体内就好了。如果用来制造这些物质的基因刚好坏掉了，那又怎样？失去它们也无所谓，不痛不痒。立克次体具有一个在细菌间很不寻常的特征：它的基因体有四分之一是由「垃圾」DNA所构成。这些「垃圾」是新近沉没的基因所遗留下来的可辨认遗迹。这些被击沉的基因虽然坏掉了，但关于它们的记忆还未被消除，它们的残骸还留在基因体里，渐渐腐朽。假以时日，这样的垃圾DNA几乎肯定会完全消失，因为它们会拖慢立克次体复制的速度。当有突变把多余的DNA删除掉，这样的突变就会被筛选出来，因为这会加快复制的速度。因此损坏是第一步，接着基因完全消失。透过这种方式，立克次体已经失去了基因体中五分之四的内容物，而这个过程今天仍在持续进行着。正如安德笙所说：「基因体定序只是演化过程中某个特定时间及空间的快照。」而此处，这张快照拍摄的就是一只在丢弃非必要基因的寄生细菌，它退化过程中的一个瞬间。

细菌基因的收支平衡

当然，绝大多数的细菌都不是细胞内的寄生菌，而是生活在外头的世界。它们需要的基因比立克次体更多。尽管如此，他们仍面对着类似的筛选压力，迫使它们丢弃多余的基因，只是它们没办法丢得那么豪迈罢了。自由生活的细菌丢失基因的倾向可以在实验室中检验出来。一九九八年，匈牙利的学者赖维、塔卡珂丝和威达，报告了他们在布达佩斯的罗兰大学所进行的一些单纯（或许技术并不单纯，不过概念上是），但有启发作用的实验。他们设计了三个细菌「基因环」，也就是质体（我们在第一章看过的基因「零钱」）。每个质体都包含一个基因，能使细菌耐抗生素，它们之间唯一的差别在于尺寸——每个质体含有数量不同的非编码DNA。他们将这些质体加进大肠杆菌的培养菌液内。细菌吸收了质体，也就是被转染了，而当细菌有需要的时候便可以召唤这些基因。

在第一组实验中，这些匈牙利研究员将三种转染菌养在有抗生素的培养基中。细菌只要失去了质体，就会失去对抗生素的耐受性，并被抗生素杀死。在这样的筛选压力之下，含有最大质体的菌落长得最慢，因为它们必须花更多的时间精力复制DNA。在短短十二个小时的培养后，拥有最小质体的细胞，数量已经增殖为它笨重表哥的十倍。在第二组实验，则以不含抗生素的条件培养细菌。这时三种培养菌不论质体大小为何，生长的速度都很接近。怎么会这样呢？他们再次检查培养菌液确定质体是否存在，结果发现那些多余的质体全被丢掉了。三种培养菌能以相似的速率生长，是因为它们都抛弃了那些赋予它们抗生素耐受性的基因，当细菌被培养在不含抗生素的环境时，这些基因便无关紧要了。这些细菌只顾赶着加快复制的速度，于是丢掉了不需要的基因——标准的「不用则废」！

这项研究显示，细菌可在数小时或数天内丢掉冗余的基因。如此快速的基因流失，代表细菌只要能兼顾当下的生存，它们倾向于只在体内保留最少的基因。天择就像一只把头埋进沙子里的鸵鸟，不管长远看来这个行为有多么愚蠢，只要它能提供一时的喘息空间就好了。以这个实验为例，如果负责抗生素耐受性的基因不被需要，它便会从族群中大部分细胞的身上消失，即使未来可能还会有需要它的一天，也是如此。细菌丢失了抗生素耐受性的相关基因，同样也会在某些特定时刻丢掉当下不被需要的基因。位于移动式的染色体（例如质体）上的基因比较易于被丢弃，不过细菌也有办法丢掉主染色体上的基因，只是速度比较慢。不常被使用的基因，往往会因为随机突变加上针对复制速度的筛选，就这么流失掉。相对于真核生物，细菌主染色体上的「垃圾」DNA量很低，基因数目很少，从这些地方都可以看出这类机制在它们身上的运作效率。细菌小而精简，是因为它们一有机会就扔掉多余的行李。

不过，扔掉基因这回事其实没有听起来那么鲁莽，因为细菌能够再次捡回同样的基因，也可捡回其他的基因。水平基因转移，指的是细菌从环境（如死细胞），或是透过细菌接合作用（某种形式的交配），从其他细菌身上获得DNA。这种机制的存在表示细菌能够，并且也会筹集新的基因。主动取得基因可以抵销基因的流失。在变动的环境中，全部的冗赘基因都在条件再次改变（比方季节转换）之前从所有细菌的身上消失，是不太可能的，毕竟基因的流失是项随机的作业。族群中至少会有一部分的细菌可能保有完好的「冗赘」基因，当环境条件再度改变，它们可以透过水平基因转移，将这些基因传送给整个族群。它们对基因的慷慨态度，说明了为何抗生素耐受性能火速地在整个细菌族群中传播开来。

虽然学者早在七〇年代就明白了水平基因转移的重要性，但直到最近我们才开始重视它对演化树可能造成的干扰。在某些细菌物种中，我们观察到的变异有百分之九十以上都来自水平基因转移，而不是如传统认知那般，从细胞株或是菌落的细胞，经过筛选淘汰而留下来的。基因能在不同种、不同属，甚至不同域之间转移，这代表细菌不会像我们交棒给我们的子女那样，透过垂直遗传把一贯的核心基因交棒下去。因此谈论细菌时，要为「种」这个字下定义变得很让人为难。在讨论植物和动物时，种的定义是其族群中的个体能交配产生有繁殖力的后代。这种定义不适用于细菌，因为细菌是行无性分裂，复制出理当完全一样的细胞。理论上，这些复制体会因为突变而渐行渐远，在基因和形态方面造成足以被称为「种化」的差异。但水平基因转移常会混淆这结果。基因的转变可以这么快，这么全面，以至于所有来自祖先的痕迹都会被杂讯洗掉。传给子细胞的基因顶多只能传个几代，就会被来自不同祖先，其他细胞的等效基因取代。目前的纪录保持者是淋病双球菌，它重组基因的速度如此之快，要检测它们来自哪一个菌株是完全不可能的事；即使是据称能代表细菌真正谱系（血统）的核糖体RNA基因，也常常被调换，无法代表其祖先的身份。

时间一长，这样的基因转移会造成很大的不同。举例来说，基因转移已经制造出品系不同的两「种」大肠杆菌，两者基因组成的差异如此彻底（占它们基因体的三分之一，含有将近两千个不同的基因），就算把所有哺乳类放在一起比较，或甚至所有的脊椎动物，都没有这么夸张。在垂直遗传（遗传给子代，但经过少许修改）的情况中，基因只会在细胞分裂期间配送给子细胞，而垂直遗传的重要性在细菌之间常常是令人犹豫的。譬若我们想借着检视家族里的传家宝追寻自己的出身，却发现我们的老祖宗都是无可救药的窃盗癖患者，永远在偷摸别人的家当。而正因「生命演化树」完全是依据垂直遗传开枝散叶（而这是个错误的假设，以为传家宝只会从父母传到子女手上），它的真实性便令人质疑。至少以细菌来说，互联网会是比较好的比喻。正如一名绝望的专家所说：「只有上帝能够造出一棵树」，这充分反映了建构生命演化树的困难。

所以细菌为什么对它们的基因如此大方？为了整体族群而分享出遗传资源，听起来像是件无私之举，但其实不；这仍是某种形式的自私，梅纳德史密斯称之为一种「稳定的演化策略」。比较一下水平转移和传统的「垂直」遗传。对后者而言，如果一个族群的细菌面临了抗生素的威胁，而只有少数细胞身上留着救命的基因，那族群中其他没有防备的个体就会死亡，只剩下饱受摧残的幸存者继续繁衍，补满整个族群。如果接下来环境条件又改变了，而且这次是有利于别种基因，一度存活下来的族群仍会惨遭屠杀。在瞬息万变的环境中，只有十八般武艺样样精通的细胞能撑过大部分的紧急状况，而这样的细胞又大又笨重，在平和的过渡时期竞争不过快速繁殖的细菌。这些精简的细菌当然也会受各种紧急状况所威胁——但如果它们能从环境里捡基因来用就不会；这样一来它们就可以结合快速的复制能力以及基因的灵活性，几乎没有应付不了的事。以这种方式抛弃又获得基因的细菌，会取代笨重的基因大巨人，或是完全不捡新基因的细菌，并且蓬勃地生长。透过接合作用获取新基因，想必会比从死细菌身上捡些可能受损的基因要来得有效率，因此，分享基因这项看似利他，实为利己的行为，便被保留了下来。于是整体而言，我们可以看到细菌身上两股趋势间的动态平衡——一股倾向丢弃基因.，视现有状况将细菌基因体尽可能删减至最小尺寸；另一股是根据需求，靠着水平基因转移累积新的基因。

我曾援引立克次体和实验室里的例子来说明细菌的基因流失，但说到「野生」的细菌，能够证明基因流失对它们很重要的证据，顶多只有它们基因体轻薄这一点而已（基因数目少而且缺乏垃圾DNA）。不过，水平基因转移在细菌间的重要性，也有助于证明迫使细菌丢弃多余基因的筛选压力很强大，而且具有普遍性——否则它们不会沦落到非得事后再把这些基因捡回来。尽管细菌会获得新的基因，但基因体的编制不会扩大，所以它们想必会以同样的速率丢弃基因。而它们之所以用这样的速度丢弃基因，是因为种内细胞之间（以及种外细胞之间）的竞争会不断地削减基因体，在现有条件下使其尺寸缩减至最小。

所有已知细菌的基因体尺寸上限大约是九百万到一千万个字母，编写约九千个基因。任何细菌获得的基因只要超过这个数目，想必都会倾向于再度失去它们，因为复制额外的基因会拖慢复制的速度，它们又无法提供与之相称的好处。在这一点上，细菌和真核生物便完全相反。愈是了解细菌，便愈难将它们一概而论。这几年来，我们发现有些细菌具有线性的染色体，有些有细胞核，有些有细胞骨架，还有些有内膜系统，这些特征都曾被认为是专属于真核生物的。那些所谓的决定性差异，在经过更详细的检验后几乎都被推翻了。极少数屹立不摇的差异之一就是基因的数目。为什么没有细菌拥有超过一千万个DNA字母，而（如我们第一章所说）无恒变形菌这种单细胞的真核生物却能够累积六千七百亿个字母——多达最大细菌的六万七千倍，人类的两百倍？真核生物如何能从约束着细菌的繁衍枷锁逃脱出来？我认为维赖与威达在一九九九年提出的解答直击问题核心，而且单纯到让人无从怀疑。他们说，细菌之所以在实体大小、基因组成和复杂度方面受到限制，是因为细菌被迫利用细胞的外膜进行呼吸。我们且看这会构成什么问题。

几何绊脚石

回想一下第二部中，呼吸作用的运行方式。氧化还原反应造就了膜内外的质子梯度，用来催动ATP合成。完好的膜对能量生产是必要的。真核细胞利用细胞内部的线粒体膜生产ATP，而没有胞器的细菌，则必须利用表层的细胞膜。

细菌受到的限制是个几何问题。为了单纯起见，请把细菌想像成一个正立方体，然后把它的边长变成两倍。一个立方体有六个面，所以，如果我们的立方体细菌每边长千分之一毫米（一微米），边长加倍表面积就会变成四倍，从六平方微米（1×1×6）变成二十四平方微米（2×2×6）。而正立方体的体积是长乘以宽乘以高，因而提升了八倍，从一立方微米（1×1×1）变成八立方微米（2×2×2）。当正立方体每边长一微米，其表面积对体积比为六比一，比值为六；边长为二微米时，表面积对体积比为二十四比八，比值为三。现在这个立方体细菌的表面积对体积比值只剩下一半。当边长再度倍增，同样的情形会再次发生。现在表面积对体积的比值变成九十六比六十四，只剩一点五。细菌的呼吸效率取决于表面积（可用来产能的细胞外膜）对体积（消耗能量的细胞质量）的比值，这表示每当细菌变大，它的呼吸效率便会急遽下滑（或说得专业一点，和质量的三分之二次方成正比，在第四节我们会再详谈）。

呼吸效率下滑和一个相关的营养吸收问题密不可分：相对于体积，表面积的比例下降，代表相对于需求，食物吸收的速度受到了限制。改变细胞形状（例如杆状体的表面积对体积比就比球体大），或是把细胞膜折叠成许多薄片或是绒毛（就像我们的肠壁，它也需要尽其所能地吸收）某种程度上可以缓解这个问题。然而可以想见，复杂形状的发展到达某个极限就会被淘汰，因为这样的细菌太易碎，也太难复制了。有空间障碍的人都知道，在捏黏土模型时，（不完美的）球体是最坚固又最好复制的形状。而吾道不孤——大部分的细菌都是球形（球菌）或是杆状的（杆菌）。

谈到能量，细菌的每个维度变成「正常」的两倍时，每单位体积制造的ATP会变成原本的一半，但却必须挪用更多的能量，去制作那些充塞细胞新增体积的细胞内容物，如蛋白质、脂质和糖类。小尺寸的变种基因体较小，几乎是毫无例外地受到天择青睐。因此，尺寸可和真核生物相提并论的细菌屈指可数，并不是件让人意外的事情，而少数的几个例外，也只是更加证实了这条规则。举例来说，一种九〇年代晚期发现的巨型嗜硫细菌——纳米比亚嗜硫珠菌（即「纳米比亚的硫磺珍珠」），它在尺寸方面和真核生物相当，直径大约在一百到三百微米之间。虽然这项发现确实引起了相当的骚动，但事实上，它几乎全由一个大型囊泡所构成。这个囊泡里堆积着它们呼吸作用所需的素材（这些素材会被纳米比亚海岸外的涌流不断地冲来又洗去）。它们巨大的尺寸只是假象，它们的本体其实仅有包覆在球形囊泡表面那薄薄的一层，就像灌饱的水球的外面那层橡皮。

几何问题不是细菌唯一的绊脚石。我们再来想想质子泵吧。细菌为了产能，必须泵送质子穿过表面的细胞膜，送到细胞外的空间。这个空间被称为细胞周质，它的外侧边界是由细胞壁界定的。细胞壁应该有助于留住质子，使它们不至于完全消散。米歇尔本人曾观察到，细菌在呼吸作用旺盛时会使培养基酸化，可以想见要是细胞壁消失了，就会有更多质子逸散出来。这样的考量或许有助于解释失去细胞壁的细菌为什么会变得脆弱——它们不只是失去了结构上的支持，同时它们的细胞周质也失去了外侧的边界（当然内侧边界，也就是细胞膜本身还保留着）。失去外侧边界，质子梯度更容易消散（至少就一定程度而言会如此），虽然有些质子似乎会被静电作用力给「拴」在膜上。只要质子梯度发生逸散，就有可能会干扰化学渗透的能量生成，产能变得没有效率。当能量生成逐步停止，其他方面的所有细胞常务也会被迫停止。脆弱不脆弱的问题根本就还在考虑之外；光是裸露的细胞居然还能存活，就已经够让人惊讶了。

失去细胞壁要如何存活？

许多种类的细菌确实会在生活史的某些阶段失去细胞壁，但仅有两群原核生物成功地永久摆脱细胞壁，并且还能存活下来诉说它们的故事。是什么样的环境让它们做到这一点？这实在是一个有趣的问题。

霉浆菌是其中的一群，它们大部分是寄生菌，许多成员都生活在其他细胞体内。霉浆菌细胞极小，基因体也小。于一九八一年被发现的生殖道霉浆菌，其基因体是所有已知的细菌细胞中最小的一个，只编写了不到五百个基因。尽管简单，但说到最常见的性病它也是榜上有名，它会引起类似披衣菌感染的症状。它是这么地小（直径小于三分之一微米，比大部分细菌小上数十倍），一般必须要用电子显微镜才能看得见；而且它很难培养，因此一直等到九〇年代初期，基因定序技术有了重大的进步，众人才意识到它的重要性。霉浆菌就像立克次体，几乎失去了所有用来制造核酸、胺基酸等等物质的基因。然而跟立克次体不同的是，霉浆菌也丢弃了所有用来行有氧呼吸，或是任何形式的膜呼吸所需的基因。它们没有细胞色素，因而必须仰赖发酵作用取得能量。如同我们在上一章所看到的，发酵作用没有涉及泵送质子穿过膜的行为，这或许能解释为何霉浆菌没有细胞壁却仍能存活。但每分子的葡萄糖透过发酵作用产生的ATP，只有有氧呼吸的十九分之一，这有助于解释霉浆菌退化的特性——尺寸小，基因体组成稀少。它们活得像个隐士，几乎什么都没有。

第二群没有细胞壁仍能旺盛生长的原核生物是热原体属，它们是嗜极端性的古细菌，生活在摄氏六十度的温泉里，对它们来说最好的酸碱度是pH值等于二。它们在英国的炸鱼薯条店应该会住得很开心，因为它们热爱的生活环境等同于一盆热腾腾的醋。玛格利斯曾主张，热原体属可能是真核生物的远古祖先，立论根据是因为它们没有细胞壁却能在「野外」生存；不过，正如我们在第一部所见，更强而有力的证据支持甲烷菌才是传说中的原始宿主。二〇〇〇年时，嗜酸热原体完整的基因体定序结果被发表在《自然》期刊上，而没有证据显示它和真核生物关系密切。

热原体如何能在没有细胞壁的状况存活下来？很简单，它们生活的酸性环境完美扮演了细胞周质的角色，所以它们根本不需自备细胞周质。一般而言，细菌会泵送质子穿过细胞膜，送到位于细胞之外，细胞壁内的细胞周质中。因此细胞周质这小小的空间是酸性的，而它的酸性状态对化学渗透很重要。换句话说，细菌通常是浸泡在他们随身携带的酸水浴中的。相形之下，热原体原本就居住在酸水浴池，其功能就像是一个巨大的，公共澡堂式的细胞周质，因此它们大可放弃个人用的携带式酸水浴。只要细胞内能维持中性，它们便能利用膜内外天然的化学渗透梯度。那么它们要怎么维持内部的中性条件呢？答案依旧很简单：它们就像其他细菌一样，借由细胞的呼吸作用，将质子主动运输到细胞之外。换言之，就像大部分的原核生物一样，从食物中释放出的能量被用来对抗浓度梯度，泵送质子到细胞之外；而进入细胞内的质子回流则被用来催动ATP酶，驱使ATP合成。

就原理来看，缺乏细胞壁对于热原体的能量效率或基因体大小不会有什么影响，然而实际上这些细胞却略有退化。虽然它们的直径可长达五微米，但它们的基因体只有一到两百万个字母，编写一千五百个基因，跻身最小细菌基因体之列；实际上，它的基因体是非寄生生物中已知最小的。或许，持续将高浓度质子摒于门外所需的额外努力，耗尽了热原体原本能用来复制基因体的能量预算。

内线交易稳赚不赔

线粒体的优势就是它们位于宿主细胞的体内。请回想一下，线粒体有两层膜，一层外膜，一层内膜，它们分别围出了两个不同的空间：线粒体基质以及膜间隙。呼吸链的复合体和ATP酶都镶在线粒体内膜上，它们将质子从最内侧的基质泵送到膜间隙。如此一来，化学渗透所需的酸性环境便被包藏在线粒体内部，而不会影响细胞其他方面的功能。（严格说来它并不真的是酸性的，因为质子会受到缓冲，但这并不会影响此一论点的可信度。）

将生产能量的工作内化于细胞之内，代表细胞不再需要外部的细胞壁了。细胞壁的消失解放了细胞表面的细胞膜，使其能够特化进行一些其他的任务，如讯息传导、运动，以及吞噬作用。最重要的是，产能工作的内化，将真核生物从限制细菌的几何问题中解放了出来。真核生物的体积平均是细菌的一万到十万倍，不过它们的呼吸效率并没有随着体积的增加而像细菌那样下滑。要增加能量效率，真核生物只需要增加细胞内线粒体膜的表面积；要达成这个目标只要多拥有一些线粒体就够了。因此产能任务的内化不只使细胞壁的消失化为可能，也使得细胞能够增大它们的体积。在化石纪录中，真核生物的尺寸一目了然地将它们和细菌区别开来，而以地质学的角度来看，这样的大尺寸（以及产能系统的内化）出现得相当突然。二十亿年前左右，大型真核细胞突然就出现在化石纪录中；以这个现象来论定线粒体的起源年代应该颇为准确，虽说从化石上无法看出线粒体本身是否存在。

因此，细菌的尺寸承受着强大的筛选压力，而真核生物则否。当真核细胞长得更大，它们只要在体内养更多的线粒体（就像圈养更多的猪只一样）就能维持能量收支平衡。只要能找到足够的食物进行氧化（足以喂饱这些猪只），它们就不会受到几何性质的限制。尺寸大会使细菌处于不利的地位，但却会为真核生物带来好处。举例来说，大尺寸有助于改变行为或生活型态。一个大型的、能量充沛的细胞不需要把所有的时间花在复制DNA，而是可以把时间和精力用来发展一座生产蛋白质武器的兵工厂。它可以像真菌细胞一样，向周围的细胞喷洒致命的酶，分解它们，然后吸收它们的汁液。或者它也可以成为掠食者，把较小的细胞整团吞下并在体内消化它们，以此为生。不管是哪一种生活方式，都不需要快速复制DNA以求领先竞争者——只要把竞争者吃掉就好了。原始真核生物这种掠食性的生活型态，是大型尺寸下的产物，细胞要能克服能量的障壁，变得更大，才会有这样的生活方式。以人类社会做比喻的话，就像是农业实现了大型的社群：有更多的人力，才有可能在满足粮食生产的需求之外，还剩下足够的人组成军队，或是研发致命的武器。狩猎采集的谋生方式无法养活如此大量的人口，在竞争中注定会输给人口众多又分工精良的对手。

有趣的是，掠食和寄生的细胞往往会朝相反的方向发展。根据经验法则，退化是寄生生物的特征，在这方面，寄生型真核生物也不例外。「寄生」这个字眼本身就传达某种可鄙的味道。相反地，「掠食」这个字眼则让人脊骨发凉。掠食行为往往会挑起演化上的军武竞赛，掠食者和猎物争先长得愈来愈大：这就是红皇后效应，为此双方都必须不停歇地奔跑，才能（相对于彼此）维持地位不变。我不知道有哪个细菌拥有真核生物一般的掠食型态，会将猎物整只吞进肚内。或许我们不该感到意外。掠食的生活型态在捉到并吃下任何东西之前，就需要投资可观的能量。特别是行吞噬作用吞入食物的步骤，从细胞的层级来看，这需要动态的细胞骨架以及猛然改变形状的能力，而两者都会消耗大量的ATP。因此，吞噬作用需要有三个因素才能达成：改变形状的能力（细胞壁必须消失，然后要有更具机动性的细胞骨架）；足以将猎物吞入的大尺寸；还有供应充足的能量。

细菌可能会失去细胞壁，但从未发展出吞噬作用。之前我们见过的维赖和威达主张，吞噬作用的另外两个条件——体型大和充足的ATP——阻碍了细菌，使它们无法成为像真核生物一样有效率的掠食者。利用外侧的膜呼吸意味着细菌只要体型变大，生产的能量（相对于尺寸）绝对就会减少。等到它们的体型大到能吞食其他细菌，它们更不可能会拥有足以完成这项工作的能量。更糟的是，如果细胞膜是专门用来生产能量的，那么吞噬作用就是有害的，因为吞噬作用会使质子梯度瓦解。如果细菌不呼吸，改靠发酵作用，就能避开这个问题了，因为发酵作用并不需要膜。然而发酵作用生成的能量远低于呼吸作用，这可能会使细胞的吞噬能力受限而无法借此谋生。维赖及威达注意到，真核细胞中，只有寄生生物能搭配发酵作用和吞噬作用谋生，或许是因为它们可以在其他方面省下能量（例如不用自己合成核酸和胺基酸；它们分别是DNA和蛋白质的原料）。牺牲某些方面的能量开销后，它们或许就能负担吞噬作用所需的能量。不过我不曾看到任何研究就这个假说进行有系统的调查，而且很可惜的，维赖已经转换研究领域了。

这些想法相当有趣，而且或许多少能解释细菌和真核生物为什么会走上不同的道路，然而它们在我脑海深处留下了一个疑问：为何细菌毫无例外地会因为变大而受到惩罚？细菌是如此善于创造，然而它们之中竟然没有谁曾克服过同时提升体型并且提升能量状态的挑战，实在是件不寻常的事情。这个问题听起来不难解决，它们只消长出一些内膜来生产能量就好了。如果说产能工作的内化帮助真核生物在尺寸和行为特性方面跨出了一大步，那是什么因素妨碍了细菌拥有自己的内膜？有些细菌（如亚硝化单胞菌和亚硝化球菌）确实拥有相当复杂的内膜系统用来生成能量。它们长得一副「真核细胞脸」。它们的细胞膜大范围地向内折叠，形成了很大的细胞周质空间。从这里走到彻底分出隔间的真核细胞，似乎只需要小小的一步；那这一步为何就是从不发生？

一种亚硝化单胞菌内部的生物能膜，这让它看起来有点像真核生物。

在下一章，我们将着手处理第一章结尾时被我们置于一旁的故事，看看那不具核的第一个嵌合真核生物，接下来会怎么变化。我们在第二章探索过能量生成的法则，那将引导我们去了解，两个细胞间的共生为什么成功，为什么细菌不可能光靠天择的力量，在细胞内分隔出像真核生物一样的隔间。我们将看见，在细菌主宰的世界里，为何只有真核生物能成为巨大的掠食者，永久地逆转了原有的细菌世界。

2024-07-06 16:36:31