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如果我们不知道为什么细胞如此运作，那我们如何能够期望自己了解疾病呢？

到底是哪些科学定律，规范了宇宙、恒星、太阳、地球，以及生命的诞生呢？

这次的答案，与其说是另类，不如说让人振奋。

这是一个精神动物，一个偏执狂。一个蝼蛄掘地求长生的探索者，掘一阵就要抬头看看天上的星辰；一位怀着赤子之心的熊状大汉，相信读者对生物化学反应原理和他有同样炽烈的好奇心。

相信很多读者是跟着比尔·盖茨的年度推荐找到了这本书。然而盖茨在此的意义不是他有钱或者视野高妙。意义在于，盖茨有世上罕见的条件和心境，可以客观真诚地道出：如果困在荒岛上过一年，只能带五本书，那么什么书才能和他的大脑party至高潮。大脑这个东西很奇怪，就需要受折磨，才会分泌让你欣快的物质。大脑喜欢两种“毒品”：新的信息；严整的逻辑与秩序。莱恩的作品从不缺乏这两者。在《复杂生命的起源》中，两者都呼啸而来。

继续为各位朋友奉上生物学奇才Nick Lane作品：《The Vital Question: Energy, Evolution, and the Origins of Complex Life》。

在《至关重要的问题》这本书中，作者尼克•莱恩从根本上重组了人类进化的历史，在书中回答了几十年来一直困扰无数科学家们的难题。而他所给出的答案就是“能量”：所有地球上的生物都依靠着电能，而这电能就来自于闪电的力量。把科学上的谜题一一解开，我们就理解了生命的这些特性。尼克•莱恩的解释回答了关于生命的这一至关重要的问题：我们为什么如此？我们为什么会在这儿？

中文版来自《生命之源：能量、演化与复杂生命的起源》

作者： 尼克·连恩

原文作者： Nick Lane

译者： 梅苃芢

出版社：猫头鹰

原版语言：繁体中文

序论 为何生命会是这样地存在？

在生物学的核心议题，有一个黑洞。直白地说吧，我们其实不知道，为什么生命，是以今日这样的形态，存于世上。今天地球上所有的复杂生命，都来自一个共同的祖先；那是一颗从简单细菌祖先所演变出来的细胞；在整整四十亿年的时光中，只有过这么一次偶然的机缘。这只是某个疯狂的意外？抑或是大自然其实还做过其他复杂生命的演化实验，但全都以失败告终？我们不得而知。但是我们知道，这个所有生命的共祖，已经是一个非常复杂的细胞了。它有着跟你的细胞差不多一样的复杂性，而且它把这个复杂性，不只传给了你跟我的细胞，还传给了其他所有后代，从树木到蜜蜂都是。你可以在显微镜下面，试着分辨自己的细胞跟香菇的细胞。你会发现，它们长得几乎一模一样。但是我们长得一点也不像香菇呀，那为什么我们的细胞却如此相似呢？而这，不只是外形相似的问题。所有复杂生物的细胞，都共享着数种非常精巧、令人咋舌的特征，诸如有性生殖、细胞自杀以及老化。然而这些特征，在细菌身上，却完全没有可以相比拟的行为。关于「为什么这些独一无二的特征，会全部聚集在我们那个祖先细胞身上？」或是「为什么这些特征，并没有在细菌身上，独自演化出来？」这些问题，学界并没有统一的答案。如果说，这些特征，都是透过天择所筛选出来，而天择的原则，就是每一代都略有差异，而且每代都比上一代更优秀一点，那么为什么类似的特征，却没有在其他的机缘下，在各种不同的细菌族群中演化出来呢？

这些问题，其实凸显出了，生命的演化在地球上，所遵循的是一条极为独特的轨迹。生命在地球诞生约五亿年之后出现，大概是四十亿年以前，但是之后它的复杂程度，就卡在细菌等级，卡了超过二十亿年，这已经差不多是我们地球年龄的一半了呢。细菌的外形，在这整整四十亿年里面，都跟刚开始出现时一样简单（但是它们的生化反应，可一点也不简单）。相反的，所有外形复杂的生物，包括所有的植物、所有的动物、真菌、海藻，以及我们称为「原生生物」的单细胞生物，像是变形虫之流，全部都是从约十五到二十亿年前，同一个祖先所繁衍出来的。这个祖先，很明显是个「现代化」的细胞，它有极为精巧的内部结构、前所未见的分子机动性；这些，全部都是由许多复杂的纳米机器所驱动，而这些纳米机器，是由数千个基因所制造。这些基因，大部分都不曾在细菌身上见过。然而，在细菌跟这个细胞祖先之间，没有残存的演化中间形态；没有所谓的「失落的环节」，可以用来解释这些复杂的特征，是如何以及为何出现。在形态简单的细菌，跟叹为观止的各种复杂生物中间，是一片难以解释的空白鸿沟。这是演化学上的黑洞。

我们每年都要花上几十亿美金，做生医研究，极力寻求诸如「为何我们会生病」这种复杂问题的答案。对于基因跟蛋白质如何互动、调控它们的分子路径为何？它们又是如何互相影响？我们不但所知甚多，而且非常详细。我们也建立了精巧的数学模型、设计了电脑模拟程式，去验证我们的预测。但是，我们却不知道这些细节，如何演化出来！如果我们不知道为什么细胞如此运作，那我们如何能够期望自己了解疾病呢？就像如果我们不知道一个社会的历史变迁，就不可能理解这个社会一般；如果我们不知道细胞如何演化出来，就不可能理解它的运作原理。而这还不只为了实用的理由而重要，这也是关乎于人类的问题，关于为何我们会出现的问题。到底是哪些科学定律，规范了宇宙、恒星、太阳、地球，以及生命的诞生呢？同样的定律，是否也统御了宇宙其他地方的生命？外星人的生命形态，跟我们的一样吗？这些形而上的问题，也正是我们何以为人的核心问题。在我们发现了细胞约三百五十年以后，我们却仍然不知道，为何地球上的生命是如此运作。

或许你没注意到我们其实不知道答案，不过这不是你的错。今天教科书跟期刊上提供了各种资讯，但是绝大多数，都不是在研究这类「童稚的」问题。而网路上，又充斥着各种杂乱无章的论据，其中还混入程度不一的胡言乱语，让我们晕头转向。不过，不知道答案的原因，不仅仅只是因为资讯过多的缘故，事实上，只有很少的生物学家稍微意识到，在他们的研究的主题中心，有个大黑洞。大部分的科学家，都忙于研究其他的问题。他们研究的材料，绝大多数都是较大型生物，或是几种特定的动物或植物；相较之下，只有很少数的人在研究微生物，而只有更少的人，才在研究细胞的早期演化。这其中还要担心创生论者与「智能设计论者」的搅局：承认我们其实无法回答所有问题，很可能会帮否定论者，也就是那些全盘否认我们对于演化论，有任何扎实知识的人，开了一扇大门。事实上，我们对演化论的知识，当然非常扎实，而且我们知道非常多。关于生命起源以及早期细胞的演化，所做的假设，除了必须要能解释一箩筐的现象、要局限于现有知识的框架下，同时还要能预测意料之外、但是可以透过实证来验证的交互作用。我们对于天择所知甚详，对于某些会改变基因体的随机意外，也了解不少。这些现象都跟细胞的演化相吻合。但是，也正是这些现象，造成我们的疑问：为什么生命的演化，是循着这样一条轨迹呢？

科学家都是充满好奇之人，如果这个问题是如此明显的话，它应该会家喻户晓才对。然而事实上，它其实一点也不显眼。众多争相出头的解答，往往仅局限于圈内人流传而已，更糟的是，它们还常让问题显得更加隐晦。另一个问题是，这些解谜的线索，需要来自各个不同领域，从生物化学、地质学、谱系发生学、生态学、化学以及宇宙学等等。没几个人，能敢自称是所有领域的专家。尤有什者，今日我们正处于基因组革命（genomic revolution）的潮流中，科学家已经扫描出数千段完整的基因体序列，全部伸展开来的话，大概有几百万到几十亿个字母之多，而且常常带着跟远古时代完全相反的讯息。要解读这些讯息，需要非常严谨的逻辑能力，同时要熟稔资讯学跟统计学，如果还懂一点生物学，则更有加分之效。所有的论证，常常像是走在五里雾中一般；每次我们打开一个缺口，眼前所展开的，就是一幅更超现实的景象。过去曾让我们感到满足的论点，瞬间消失殆尽。眼前所面对的，是一幅全新的图像，既真实，又棘手。不过从研究者的观点来看，能找到新颖且重要的新问题，可是极其兴奋的一件事呢！现在，生物学界最大的问题尚待解答，而本书，就是我试着去解答它的起点。

细菌如何跟复杂的生命产生连结？关于这个问题，要追溯回到一六七○年代，荷兰的显微镜学家雷文霍克（Antony van Leeuwenhoek ）发现微生物的那个时代。他在显微镜下面所展示的活泼「小动物们」，刚开始少有人信，不过很快地，就被另外一位天才虎克（Robert Hooke ）所证实。雷文霍克那时也观察到了细菌，并在他一六七七年所发表的着名论文里写道：「在我的视野下面，它们是难以置信的小，小到这样的程度，让我觉得即使有一百个这种小东西，一个接着一个排起来，也不会超过一粒沙的宽度；假使真的是这样的话，那么一百万个这种小生物在一起，大概勉强跟一粒沙的体积一样大吧。」。以前很多人怀疑过，雷文霍克真的可以用他那台简陋的单眼显微镜，看到细菌吗？不过现在这点应该是毋庸置疑的。他发现两件事，第一，他发现细菌无处不在──不仅仅只是在自己的牙齿上，也在雨水中、在海水中。第二，根据微生物各种引人注意的行为，以及「小脚」构造（纤毛），雷文霍克直觉地将「非常非常小的动物」（细菌），跟「大怪兽」（也就是细小的原生生物）两者区分开来。他甚至注意到了有些较大的细胞，体内带有许许多多的「小泡」，他把这些小泡拿来跟细菌相比，当然，那时候他用的不是「细菌」这个名称。在这些小泡之中，雷文霍克应该已经观察到了细胞核，也就是所有复杂细胞体内的基因储存所。不过除此之外，这些结果就这样被静静地搁置了好几世纪之久。在雷文霍克发表他的结果五十年之后，着名的分类学家林奈（Carl Linnaeus），也仅仅只是把所有的微生物，全部归类到「蠕虫门」（phylum Vermes）下面的「变形虫属」（genus Chaos）而已。十九世纪时，与达尔文同时代的德国科学家海克尔（Ernst Haeckel ），同时也是一位伟大的演化学家，曾再次将细菌与其他微生物区分开来，将它们之间巨大的差异正式化。不过从概念上来说，直到二十世纪中叶以前，这方面的研究没有太大的进展。

生物化学知识上的统合，是这个问题的转捩点。细菌在代谢反应上面所展现的多才多艺，让它们非常难以被分门别类。它们几乎可以生长在任何一种环境下，从水泥、电池酸液到玻璃表面都可以。如果这各种各样的维生方式，没有什么共通点，那我们要怎么将细菌归类呢？而如果无法分门别类，又怎么有办法了解它们呢？幸好，就像化学周期表统合了化学一般，生物化学也为细胞演化，带来了可循的规则。另外一个荷兰科学家克莱佛（Albert Kluyver ）曾经指出，所有生命虽然看似复杂多样，其实都是根基于类似的生物化学反应过程。呼吸反应、发酵反应以及光合作用，外表差异极大，但其实都有一样的基础；而这种概念上的完整性，正好见证了所有的生命，都是源自一个共同祖先。会发生在细菌身上的，也会发生在大象身上。因此，如果从生物化学的等级来看，那细菌跟复杂生命的界线，就几乎不存在。细菌诚然比复杂生命要多才多艺，但是维系它们生存的基本反应，是非常相似的。克莱佛的学生凡尼尔（Cornelis van Niel ）跟史坦尼尔（Roger Stanier ），或许是对细菌与复杂生命之间的差异，描述得最透彻的人了：他们说，细菌是最小的功能单位。意思是说，从功能的角度来说，细菌就像原子，不可再被分割。比如很多细菌，都能行跟我们一样的呼吸作用，但是它们必须要用完整的个体来处理，而无法像人类的细胞一样，里面有一小部分构造，专门用来处理呼吸作用。随着细菌长大，它们会分裂成两半，但是它们的功能却不会分成两半。

接着，有三场最关键的革命，颠覆了我们在二十世纪上半叶，所建立起来对生命的看法。第一场，是由美国微生物学家马古利斯（Lynn Margulis ）所挑起的，在一九六七年那个有嬉皮革命而着名的「爱之夏」。马古利斯认为，复杂的细胞，并非遵循「标准」的天择规则演化出来，而是经由一种狂乱的合作方式所产生：细菌彼此合作之紧密，让一个细菌甚至进入另一个体内。一般所谓「共生」，指的是两个或多个物种之间，长期的互动，通常都是彼此交换代谢物质，或是互相服务。在细菌的例子里，这些被交换的物质，是生命之源，是代谢所需的受质，也是支持细胞活下去的动力。马古利斯用了内共生作用（endosymbiosis）来描述这现象：它跟共生一样是交换，但是这种交换是如此亲密，以至于某些合作伙伴，干脆直接住在宿主细胞体内；就像圣经里面说的：「商人干脆直接在圣殿里面做起生意了。」其实这种想法的根源，可以追溯回二十世纪早期，而它的遭遇，让人联想起古老的板块理论。板块理论指出，非洲跟南美洲两块大陆，「看起来」很像是曾经连在一起，然后被拉开来；但是这个天真的论点，长久以来都被斥为无稽。细胞也是一样，有些复杂细胞体内的构造，看起来就像是细菌，而且似乎也会独立生长跟分裂。或许，最简单的解释就是，它们本来就是细菌。

也如同板块理论一般，这些想法，都遥遥领先它们的时代太多。一直要到了一九六○年代，分子生物学的时代兴起后，才有可能提供强而有力地实例证明。马古利斯提出了细胞内两个特化的构造为例：第一个是线粒体，也就是呼吸作用的基地，在这里，食物会和氧气燃烧，转换成生命所需要的能量；另一个例子则是叶绿体，也就是植物体内的光合作用引擎，可以将太阳能转换成化学能。这两个「胞器」（意思是细胞的微小器官），仍然保有自己非常独特的基因体，带有一小撮基因，可以转译出几十个参与呼吸作用或是光合作用的蛋白质。这些基因的序列，泄漏了它们的身世：很明显地，线粒体跟叶绿体，都是从细菌变来的。注意，我是说「变来的」，因为它们已经不再是细菌，也没有任何独立性了，大部分维持它们生活所需的基因（至少需要一千五百个基因左右），都已经跑到细胞核，也就是细胞的基因控制中心里了。

关于线粒体跟叶绿体，马古利斯是对的。到了一九八○年代，已经没什么人再质疑这项论点。不过马古利斯的野心远大于此。她认为，复杂的细胞，也就是我们所熟知的真核细胞（eukaryotic cell ，这个字源自希腊文，意思是「有真正的核」），其实就是共生作用的拼贴作品。对她而言，细胞的其他部分，特别是纤毛（也就是雷文霍克称之为「小脚」的构造），也都是从细菌演变来的（她认为纤毛来自螺旋体）。她的理论后来渐渐合并了各家论点，最后马古利斯将其正名为「连续内共生学说」。她认为，不只细胞是细菌的合作成果，其实整个世界，都是细菌们互相合作的网络，也就是所谓的「盖娅」；这是她跟英国科学家洛夫洛克（James E. Lovelock ）一起提出来的先进想法。虽然「盖娅」这个概念，在除去了洛夫洛克原本非常目的论的内容之后，最近几年转化成比较正式的面貌，也就是所谓的「地球系统科学」（earth systems science）重生，也较被大众接受。但是另外一个概念，关于复杂的「真核细胞」，是由细菌拼装而成，则只有很少的证据支持。事实上，大部分细胞里面的构造，看起来都不像是来自细菌，同时，基因上面也没什么证据支持这种看法。因此，马古利斯说对了一半，但是对另一些部分，则几乎是错定了。不过她的奋斗精神、坚强的女性特质、不畏与达尔文主义者互争锋头，以及倾向去相信一些带有目的性的理论，混在一起，注定了她在二○一一年，因为中风而英年早逝后，留下颇具争议的形象。对某些人来说，她是女性主义的英雄，在另一些人眼中，她却像个失控的大炮。不幸地，这些都让人忽略了她的科学成就。

第二场革命，是一场「谱系发生学」的革命，这是一门探寻我们祖先基因的学问。早在一九五八年，克里克（Francis HC Crick ）就已经预测了这场革命会出现。他用一贯冷静的文笔写道：「生物学家应该体认到，很快地就会出现一个新的研究主题，或许可以称作『蛋白质分类学』（protein taxonomy ）──我们可以研究各种生物的蛋白质胺基酸序列，然后比较各物种之间的差异。这些序列，可能代表了生物表征里最细微的部分，同时可能有大量的演化资讯隐藏于其中。」结果，它真的实现了。现代的生物学，几乎就是在研究蛋白质跟基因序列里面隐藏的资讯。现在，我们已经不再直接比对胺基酸序列，而是比对DNA里面的字母顺序（因为DNA负责转译出蛋白质），这样做的敏感性更高。不过尽管如克里克般有远见，在当时也没有人能想像到，我们会从基因里面，挖掘出怎样的秘密。

这次伤痕累累的革命先锋，是微生物学家渥易斯（Carl R. Woese ）。他大约从一九六○年代开始，就默默地着手进行研究，但一直要到约十年之后才获得成果。渥易斯选择了一个基因，做为各物种之间比较的标准。当然啦，这个基因，必须是所有生物都拥有，而且在大家身上，它还必须做着一模一样的工作才行。同时这项工作，必须是非常重要而基本，基本到如果有一丝丝功能上的改变，都会导致细胞被天择淘汰。如果大部分的变动都被淘汰了，那剩下的，就是改变很少的基因──也可以说这是从亘古以来，改变极为缓慢的基因。如果说，我们想要比对各物种之间，几十亿年以来基因所累积的差异，然后借此画出一棵、可以一直追溯到物种诞生之初的生命树，那么变异缓慢这点，就绝对必要。而这也正是渥易斯宏远的野心所在。为了要符合这一切的要求，渥易斯回头把重心放在一个所有细胞都有、而且是最基本的工作上，那就是制造蛋白质这件事。

细胞的蛋白质，是由一种叫做「核糖体」的超小纳米机器所制造；所有的细胞，都有这种优秀的机器。在进入资讯时代后的生物学里，最具代表性的东西，大概除了那图腾般的双螺旋DNA以外，就属核糖体了。从各种尺度上来讲，它的构造都正好体现了一种，人类智慧难以想像的矛盾。细胞已经很小了，小到在人类历史大部分的时间里，完全没有人知道它们的存在。但是从数量级上来看，核糖体更是小到不可思议的地步：光是你的一颗肝细胞里，就可以塞下一千三百万个核糖体。不过，核糖体不是只有体积小让人难以理解，若从原子的尺度来看，它们还是复杂到难以想像的超级机器。它们由许多次单元组合而成，是一台会移动的机器；而它们工作起来精确的程度，远远胜过自动化工厂的生产线。这一点也不夸张：核糖体的工作，有如读着一条发报机的纸带，每条纸带上，都写好了制造一条蛋白质所需的密码。核糖体一边精确地依序翻译它们，一个字接着一个字地，同时一边把所有所需的蛋白质零件（胺基酸），连成一串长链，组装出一条蛋白质；而每个胺基酸的顺序，都根据纸带上的密码顺序。核糖体工作的出错率，大概是每一万个字会错一个，这数字，远低于世上任何高精度工业的制造程序。而它们工作的速率，大概是每一秒钟可以串起十个胺基酸，一条由数百个胺基酸接起来的蛋白质，只要不到一分钟就可以做出来。渥易斯选择了核糖体的一个次单元，或者说这台机器的一个零件，去比较在不同物种之间，从大肠菌、酵母菌，到人类体内，这个零件的基因序列，有什么不同。

这个比较的结果非常惊人，完全颠覆了我们对这个世界的看法。渥易斯可以清楚的区分细菌与复杂的真核生物，这部分没有问题。在这一棵根据物种基因相似程度所画出来的树上，细菌跟真核生物这两大家族，分开在不同枝干上；而各家族内的不同生物，也可以区分开来。这部分结果唯一让人意外的是，动物、植物与真菌，这三群让大部分生物学家，耗费毕生心力研究的对象，竟然是如此亲近。而真正让人跌破眼镜的结果，则是他分出了另外一群新的生物「域」（domain ）。我们其实已经认识这些单细胞生物很久了，但是过去一直都把它们当成细菌，因为它们看起来，真的就跟细菌一模一样：一样的小、一样的缺乏值得注意的内部构造。但是它们的核糖体，却像《爱丽丝梦游仙境》里面那只微笑的猫一样，泄漏了看似不存在、却留在那里的秘密。新分出来的这群生物，或许一样没有真核生物的复杂性，但是它们的基因跟蛋白质，却跟细菌的完全不同。现在这群单细胞生物，我们称为古菌（archaea ），因为原本科学家直觉地认为，它们可能比细菌还古老，不过这种看法可能有误。新的观点认为，它们两者应该一样古老。但是令人费解的是，从基因跟它们的生化反应来看，古菌跟细菌之间的鸿沟，跟细菌与真核生物（我们）之间的差异，一样巨大。根据渥易斯那棵着名的「三域」生命树，古菌与真核生物反而是「姐妹群」，两者分家比较晚。

从某些方面来看，古菌与真核生物，确实有很多地方很像，特别是它们处理资讯的方式（也就是说它们读取基因的资讯，然后转译成蛋白质的方式）。古菌有少许跟真核生物很相似的复杂机器，而这少数相似之处，就是真核细胞复杂化的种子。渥易斯并不认同细菌与真核生物之间，是因为在形态上有巨大鸿沟而不同；相反地，他主张将生物分成三个地位相等的域，每一域在演化上，都各自发展出一片天，没有哪一域可以算是其他域的祖先。渥易斯最强调的，就是拒绝使用老旧的「原核生物」（prokaryote ）这个名词。「原核」这两个字，是「在有细胞核以前」的意思，古菌跟细菌都符合原核生物的定义。渥易斯反对的理由，是因为他认为，并没有任何基因上的证据，支持古菌与细菌的出现，早于真核生物。相反的，渥易斯认为这三域生物，都可以直接回溯到最古老的年代，它们共享一个祖先，但不知何故分道扬镳。在他晚年，渥易斯对于演化最早期阶段的看法，却变得神秘难解。他认为我们对生命，需要有一个更全面、更整体的看法。这是很讽刺的一件事，因为由渥易斯自己所写下的革命史，本身却是根据非常化约的、单一基因的分析。渥易斯所掀起的革命，当然是货真价实的；而细菌、古菌跟真核生物，也毫无疑问分属于完全不同的族群。但是他的整体论主张，也就是必须把所有生物的所有基因体，都纳入分析，正带领了我们进入第三场细胞革命，而这场革命，又颠覆了渥易斯自己的结果。

这第三场革命正方兴未艾，它的推论其实有点微妙，但是影响层面却非常广。这场革命的起因，正是根基于前两场革命，它的问题是：前两场革命之间的关联是什么？要知道，渥易斯的生命树所描绘的，是一个非常重要而基本的基因，在三个生物域中分歧的情况。而马古利斯则完全相反；她主张的，是不同物种的基因，会透过内共生作用互相取得、融合，然后合而为一。如果要画成树状图的话，会是一棵融合的树，而不是分岔的枝干，这跟渥易斯的主张完全相反。他们不可能都对！但是其实他们也都没有全错。在科学里面常常就是这样，事实总是介于两者之间。不过，你可别以为这是两者妥协后的成果。其实，这次的答案，与其说是另类，不如说让人振奋。

我们现在知道，线粒体跟叶绿体确实是从细菌，透过内共生作用演化而来。但是细胞的其他部分，则很可能是透过传统的方式演化出来。问题是，这些事件在何时发生？叶绿体只存在于藻类跟植物体内，因此最可能是由藻类跟植物的共祖获得，这应该发生在比较晚的时间点。相反地，所有真核生物都有线粒体，所以线粒体的取得，应该比较早（这里有一些背景故事，我们将在第一章详谈）。但是有多早呢？或者换个方式问，哪一种细胞，可以获得线粒体？教科书上面的标准答案常常是：一个比较复杂的细胞，像变形虫一般，是一个掠食者，可以改变形状、匍匐前进，可以透过一种叫做「吞噬作用」的动作，吞掉其他细胞。换言之，可以吞掉线粒体的细胞，应该是一个即将完备、相当资深的真核生物细胞了。不过我们现在知道这是错的。过去几年，针对更多较具代表性的物种，大量分析它们的基因之后，科学家得到了一个非常明确的结论，那就是：获得线粒体的宿主细胞，应该是个古菌，是一个来自古菌域的细菌！所有的古菌，都是原核生物。根据这个定义，它们没有细胞核、没有性生活，也没有任何复杂细胞的行为特征，当然也没有吞噬作用。根据形态学对「复杂」的定义来看，这颗宿主细胞可说是一无所有。但是，不知道怎么着，有天它得到了一个细菌，然后细菌变成了线粒体。而只有从那时候开始，它才渐渐演化出其他复杂的特征。如果是这样的话，那么关于「所有复杂的生命，均来自同一个祖先」这件事，很可能取决于它有没有获得线粒体，是这件事引发了复杂生命。

这个激进的观点：「复杂的生命，源于一个古菌宿主，与一个变成线粒体的细菌之间的内共生作用。」早在一九九八年，就由一位拥有过人直觉的演化生物学家，马丁（William F. Martin ）预测过了。马丁是一位思想奔放的人，他的猜测，是根基于我们观察到，真核生物的基因，呈现了一种惊人的拼贴式排列法，这其中大部分都是他本人发现的。举个生化反应的例子好了，比如发酵作用：古菌会进行一种发酵反应，而细菌的发酵反应则很不一样，控制这两种发酵作用的基因，非常不一样。但是真核生物呢，则是从古菌那里拿一点基因，再从细菌那里拿一点基因，然后把两者编在一起，形成另一套配合紧密的发酵反应步骤。这种错综复杂的基因混合现象，不只出现在发酵反应上，几乎所有复杂细胞的生化反应皆如此，这真的是非常夸张的事情。

为什么宿主细胞，要从内共生者那里，拿来这么多基因？又为什么它要把这些基因，紧紧镶嵌到自己的基因里面，把原本就有的基因换掉呢？对这些问题，马丁想得非常透彻。他跟谬勒（Mikl ó s M ü ller ）一起提出了一个答案，称之为「氢气假说」（hydrogen hypothesis）。他们认为这个宿主细胞是一个古菌，而古菌可以靠两种简单气体为生，一个是氢气，另一个是二氧化碳。这个内共生者（也就是未来的线粒体），则是一个多才多艺的细菌（就细菌来说，这很正常），它可以提供宿主细胞生长所需要的氢气。当我们一步一步靠着推理，慢慢揭开两种细菌之间相处的详细情形后，才知道为何一个原本靠着简单气体，就可以过活的细菌，后来会变成一个到处搜刮有机物（食物），来供养内共生者的细菌。不过，这不是这里的重点。真正值得注意的是，根据马丁的预测，复杂的生命，兴起于两个细胞间的单一共生事件。他预测「宿主细胞」就是一个古菌，缺乏真核细胞的复杂构造。马丁认为，根本就没有什么较简单的、中间型的、缺少线粒体的真核细胞；取得线粒体，跟复杂生命的诞生，是一体两面，是同一件事情。同时马丁认为，所有复杂细胞的精巧特征，包括细胞核、性行为，以及吞噬作用，都是在经过了这个独特的内共生事件，在取得线粒体以后，才会演化出来。他的预测，是演化史上最棒的洞见之一，值得广为传播。很可惜的，如果这理论，不是因为跟「连续内共生学说」混淆在一起的话（但是两者预测出的结果，完全不同），它应该会更有名。马丁理论中的各项具体预测，在最近二十年里，都已经透过基因研究，被细细检视过。这理论，就像是个纪念碑一样，见证了生化推理的威力。如果诺贝尔奖有生物学奖项的话，应该没有人比马丁更有资格拿。

然而，绕了一圈，我们又回到了原点。我们已经知道了非常多事情，但是，却仍然不知道为何生命会变成今天这样的形式。我们知道复杂的细胞，在这四十亿年的演化史中，只有一次机会，透过一次古菌跟细菌之间的内共生作用诞生。我们也知道，复杂细胞的种种特征，都出现在这次融合之后；但是我们仍不知道，为什么这些独特的特征，会出现在真核生物身上，却从不出现在细菌，或是古菌身上？我们依然不明了是哪些力量，限制了细菌跟古菌？为什么它们的形态一直是如此简单？尽管它们能执行的生化反应，已经远远不同于以往；尽管它们的基因，已经变化甚多；尽管它们如此多才多艺，可以从气体跟岩石中活出生命？我们现在所有的，是一个非常前卫的理论架构，可以让我们在追寻答案时遵循。

我相信答案的线索，就藏在那古怪的生物能量产生机制里面。这个奇怪的机制，在细胞身上施加了一种非常普遍、却甚少被察觉的限制。基本上，所有的生命，都是靠着「质子流」在维持生命（质子，是一颗带正电的氢原子。译注：一颗质子跟一颗电子结合在一起就会变成一个氢原子）。它有点像是电力，不过要把电子代换成质子，所以可以称为质子力（proticity）。当我们透过呼吸作用燃烧食物后，所产生的能量，都会用来把质子运输过一张膜，让这张膜的一侧像水库一样，充满质子。当这些质子穿过膜流回另一侧时，它们的作用方式，就像是水库大坝的水流一样，会推动水力发电厂的涡轮发电。这种在膜的两侧，制造出质子的浓度梯度，来帮细胞发电的方式，完全出乎我们意料。这个理论最早在一九六一年被提出，在随后的三十年间，由二十世纪一位最有创意的科学家，米契尔（Peter D. Mitchell）逐渐发展完成；它被称为是在生物学史上「自达尔文以降，最反直觉的想法了」。它也是生物界中，唯一可以跟物理界的爱因斯坦、海森堡（Werner K. Heisenberg ）、薛丁格（Erwin Schrödinger ）等人的理论齐名的想法。我们现在已经可以从蛋白质的层级，知道质子梯度作用的详细情形。我们也知道，地球上所有生命，都使用一样的质子梯度：质子发电，内建在所有生命之中，如同普世通用的遗传密码一样。但是，我们对于这种反直觉的能量生成方式，如何演化出来，却一无所知。所以，我认为在今日生物学核心里，有两大未解的问题：一个是为何生命用这种令人费解的方式演化出来；另一个则是，为何细胞用这样独特的方式发电。

显示复杂细胞嵌合起源的生命树

这是马丁于1998年绘制的复合生命树，依据的是对整个基因组的比较。细菌、古菌和真核生物三个域的关系如图所示。真核生物的起源是嵌合式的，古菌宿主和细菌内共生体的基因混合，宿主最终演化成了形态复杂的真核细胞，内共生体最终演化成了线粒体。某一类真核生物后来又获取了第二种细菌内共生体，最终演化成了藻类和植物的叶绿体。

我相信，这两个问题，其实紧密相关，互相缠绕着彼此，而本书正试图去回答它们。我想要说服你们一件事，那就是：能量才是演化的核心。只有当我们把能量的观点带进来，去思考这些问题，才有可能了解生命的本质。我想告诉你们，生命跟能量两者的关系，可以一直追溯回到太古之初──只有在一个生生不息的星球上、一个不稳定的状态中，才有可能产生所有生命所需最根本的机能。我也想带你们去看，生命的起源，是由能量的流动所驱使，而质子梯度，就是演化出细胞的关键；如何使用它，则限制了细菌与古菌的结构。我会解释给你们听，这样的限制，如何主宰往后细胞的演化，让细菌跟古菌，永远只能维持简单的外形，尽管它们的生化反应能力，早已变化多端。我也想证明，是一场稀有的事件，一次内共生事件，让一个细菌跑到一个古菌体内，才突破了这层限制，让极度复杂的细胞，可以演化出来。我想告诉你们，一个细胞，亲密地生存在另一个细胞体内这种情况，绝非易事，因此形态复杂的生命体，总共只诞生过一次。我还希望能够多说服你们一些，像是这种亲密的共生关系，基本上已经可以去预测复杂生命的某些特征。这些特征包括了细胞核、有性生殖、两种性别，甚至将永生不朽的生殖细胞，与终归一死的体细胞区分开来；而最后这个特征，正是「有限生命」与「命中注定死亡」现象的起源。我最后要说服你们的就是，从能量的观点去思考，有助于让我们预测自己生命的样子，特别是演化中最深远的「交易」：用疾病伴随着老死，去交换充满生殖力与适应力的青春。我认为，如果能洞悉这一切，或许能够帮助我们改善自身的健康，或至少多了解一些。

若你是科学逻辑支持者，那你大可皱眉质疑我的论点，在生物学界里，这算是行之有年的优良传统，可以一直追溯到达尔文自己：他称自己的《物种起源》是「一帖漫长的论证」。时至今日，想要细细陈述这千丝万缕的科学世界中，各项证据如何彼此关联；或是想要提出一个假说，有条理地解释万物之形，用一本书，恐怕仍然是最好的办法。免疫学家梅达瓦（Peter B. Medawar ）曾经这样形容科学假说：就是凭想像力，跃入未知中。一旦纵身跃入，假说就变成了「企图用让人能够理解的方式，去讲一个故事」。符合科学原理的假说，必须是要能够被检验的预测。在科学里面，恐怕没有一种侮辱，比称呼一个假说是「连错的资格都没有」要更严重了（译注：这句话传说是诺贝尔物理奖得主包立，在评论一项糟糕的科学理论时的用语），也就是说，无法被反证。因此，在本书中，我将要展示一个，可以把能量与演化联结在一起的假说，说一个前后连贯的故事。我会极尽所能的，把它讲得高潮迭起又老妪能解；同时内容足够详细到可以被反证。这个故事，一部分是根据我自己的研究（你们可以在后面的延伸阅读里面找到原始论文），其他则是根据别人的研究。我有许多研究，都是跟在德国杜塞尔多夫的马丁一起进行，他对「正确」的敏锐度，总是让人惊讶。此外我也跟波明安可夫斯基（Andrew Pomiankowski ）合作。他是一位具有数学头脑的演化遗传学家，也是我在伦敦大学学院最好的同事之一。同时，还有几位能力卓越的博士班学生一起参与。这真是非常令人愉快的经验，而我们才在这段旅程的起点而已呢！

我已经试着让本书的内容精简，专注于重点，删除了许多有趣但离题的故事。这本书，是一次论证，可以随时依需要而详细或精简。它有许多隐喻性以及趣味十足（我希望是）的细节，对于想将一本以生物化学为基础的书本，讲到对一般读者而言，也活灵活现，这可是相当重要的呢。毕竟我们之中只有很少数人，能够轻易地看穿那显微世界里，如外星球般的各种巨大分子彼此交互作用，但那些才是货真价实的生命。然而重点还是科学本身，这也是我写作的风格。直言不讳的方式虽然老套，却是美德，它让文章简洁，而且直指核心。假设我要提到铲子，却每几页就提醒你：所谓铲子就是一种挖土的工具，用来埋葬人；你一定马上就会大感不快。虽然线粒体可能没铲子那么好懂，但是如果我每次都写：「所有大而复杂的细胞，比如人类的，都有一种迷你发电厂；它是很久以前，由本来独立生活的细菌所变成，今天则可以提供我们的细胞生存所需的能量」，那未免也太冗长了；我会说「所有真核生物，都有线粒体」，后面这句子，明显要强而有力多了。当你习惯了少数几个专有名词后，你会发现它们可以在简洁中，传达丰富的意义；而且在这个例子里，问题立刻浮现：线粒体是怎么来的？如此我们马上就来到未知的边缘，同时也是科学中最有趣的事。我会尽量避开不必要的术语，偶尔再稍微解释一次，除此之外，我希望你们可以慢慢熟悉重复出现的术语。为了安全起见，我还在书末加入主要术语的名词解释表。我重复检查了几次，希望本书可以对任何有兴趣的人来说，都浅显易懂。

而我真心希望你们会觉得有趣！我们即将要面对的新世界，是如此令人兴奋；这世界包含了新的构想、可能性，以及即将让我们了解自身在宇宙中的地位，都是我们陌生的。我要为这个新而未开发的世界，描绘轮廓；像是展望一幅从生命源头，一直延伸到我们的生与死的远景。多亏了跨越生物膜两侧的质子梯度，以及与它有关的几个简单想法，将如此大规模的尺度联结在一起。对我来说，从达尔文以降，生物界中最好的几本书，都是论证集。这本书也将遵循这个传统。我将论证，是能量规范了地球上生命的演化；同样的力量，也应适用于宇宙其他任何一处。而合成能量与演化这两个原则，将让生物学变得比较容易预测，可以帮助我们了解，为何生命是如此运作；不只是在地球上，同时也在宇宙其他可能有生命的地方。

2024-07-06 16:45:11