![]() |
相關閱讀 |
![]() |
>>> 讀書—連接古今充實信仰 >>> | 簡體 傳統 |
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
稱謂:
内容: