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在威尔斯（G. Orson Welles）的黑色电影《第三人》里面，有一句着名的台词：「在意大利，波吉亚家族（Borgias）三十年的统治下，他们充满战争、恐惧、谋杀，跟各种流血事件；但是也诞生了米开朗基罗、有达文西，还有文艺复兴。在瑞士，他们有手足之爱、有五百年的民主与和平，但是他们有什么？就咕咕钟而已。」有人说，这句台词是威尔斯自己亲手写的。传说瑞士政府为此，寄了一封愤怒的抗议信，信上说：「我们不生产咕咕钟。」我对瑞士，或是对威尔斯，都没有什么成见。讲这个故事只是因为，对我来说它十足地反映了演化。自从第一个复杂的真核细胞，在约莫十五到二十亿年前诞生后，生命界域中也有了战争、恐惧、谋杀，跟各式各样的流血事件：大自然是沾满鲜血的獠牙跟利爪。而在此之前的亘古年代，我们有二十亿年和平时光、有共生、有细菌之爱（可不只是单纯的爱而已），但是这些无穷无尽的原核生物，又为我们带来了什么？绝对没有什么像咕咕钟这种看起来又大又复杂的东西。从形态上面来看，不论细菌还是古菌，都难以跟真核生物相比，连单细胞的真核生物，都胜过任何原核细胞。

这一点非常值得强调。原核生物的两大域，不论是细菌域或是古菌域的生物，都有着令人叹为观止的遗传机制或是生化反应。它们的代谢反应，让真核生物难以望其项背：一只简单细菌体内代谢反应的灵活性，就胜过整个真核生物域的所有生物了。但是基于某种未知的原因，不论是细菌还是古菌，在结构上，都没有完全地达到如真核细胞一般的复杂程度。从体积来看，原核生物一般都比真核生物小了约一万五千倍（除了某些例外以外，我们等一下会谈到）。至于基因的大小，两者，容或有些重叠。目前已知基因尺寸最大的细菌的DNA，有大约一千两百万对碱基。如果跟人类比的话，我们有大概有三十亿对碱基；不过有些真核生物的基因尺寸，甚至可以大到超过一千亿对碱基。比较令人讶异的事情是，经过四十亿年的演化，细菌跟古菌几乎没有什么改变。在这四十亿年的时光中，细菌生存的环境，已经发生了各式各样的巨变。大气与海洋中氧气浓度的上升，改变了生存条件，细菌与古菌不为所动。全球化的冰河现象（雪球地球事件），必定曾经把整个生态系统推往崩溃的边缘，但是细菌跟古菌仍然不为所动。寒武纪大爆发，为世界带来了动物；对细菌来说，这就像是出现了新的牧场一般，亟待开发。从人类的眼光来看，我们总爱把细菌看成病原菌，但其实会致病的微生物，仅仅只是众多原核生物的冰山一角而已。尽管如此，细菌仍然顽固地维持着细菌的外表。它们从来没有变成像跳蚤这样又大又复杂的东西。大概没有什么东西比细菌还要保守的吧？

在第一章中，关于这个现象，我说过最好的解释，就是结构上的限制。真核生物在物理结构上，确实跟细菌与古菌有一些非常基本的差异。真核生物克服了这些限制，因此可以在型态上大变特变。广义的来讲，大概就是原核生物开始往代谢机制上面探索，然后它们发现了各种聪明绝顶的解决办法，来面对各式各样艰困的化学反应挑战。相对的，真核生物则完全往另一个方向发展，它们弃化学多样性于不顾，转而往大尺寸与结构复杂度的各种可能性上面发展。

认为细菌受到结构的限制，其实不是什么新点子。但是关于这些限制到底是什么？学界却没有共识。过去有许多假设，从「发生失去细胞壁的惨剧」到「发明了线状染色体」都曾被提出过。失去细胞壁当然是惨剧：一旦少了外面那层坚硬的框架，细胞很容易就会涨大爆裂。但是呢，穿上一层拘束服，却也让细胞无法随意改变形状，无法匍匐前进，无法用吞噬作用吃掉其他细胞。英国牛津大学的生物学家卡瓦里尔史密斯，一直都主张，演化出真核生物的关键新发现，就是某个细菌，曾经成功地抛弃了细胞壁，结果演化出吞噬作用。虽说要演化出吞噬作用，一定要抛弃细胞壁没错，但是有许多细菌丢掉了它们的细胞壁，却什么事也没发生。比如像L型细菌（L-form bacteria）就没有细胞壁，却也活得自由自在，而且完全没有想要变成吞噬细胞的样子。此外还有一些古菌也没有细胞壁，也没有变成吞噬细胞。认为笨重的细胞壁就是那个限制，让古菌跟细菌无法演化成更复杂的样子，这样的说法其实站不住脚。只要看看四周就知道，有太多反例。已经有许多细菌跟古菌，都没有细胞壁，但是也没有因此变得更复杂；还有很多真核生物都有细胞壁，特别是像植物跟真菌细胞（当然它们的细胞壁跟原核细胞的不同），而它们的复杂程度，还是远远超越了任何原核生物。有个很好的例子就是真核的藻类跟原核的蓝绿菌：两者都有类似的生存模式，也就是靠行光合作用维生；两者也都有细胞壁；但是一般来说，藻类基因体的尺寸，比细菌大了好几个数量级，同时被又大又复杂的细胞结构围绕着。

线状染色体也有类似的问题。原核细胞的染色体通常是环状的，DNA复制时，会从一个特定的起点开始（就是复制子，replicon）。但是，DNA复制的过程，常常慢于细胞分裂；而没有完整复制好DNA，细菌就不能分裂成两个细胞。这也就是说，如果只有一个复制子的话，细菌染色体的尺寸就受到了限制，因为带有比较小染色体的细菌，会分裂得比较快。如果细菌丢掉非必要的基因，它们就可以分裂的比较快。经年累月下来，带有小尺寸染色体的细菌，就会成为流行趋势，特别是当它们随时可以透过水平基因转移，捡回以前丢掉、但是现在想用的基因时，这种趋势更明显。相反地，真核生物通常都有好几条棒状（线状）染色体，每个染色体上都有好几个复制子。因此，在真核生物体内，DNA复制过程常常是好几处同时进行，而在细菌体内，则必须一条从头走到尾。但是，这个限制却无法解释，那为什么原核细胞，不想办法演化成好几条直线染色体？事实上，有些细菌跟古菌确实有线状染色体，在复制的时候也可以「同时进行」，但是尽管如此，它们却没有把自己的基因体，扩充到真核生物的大小。一定还有其他的原因阻止了它们。

基本上，任何企图从结构的限制上面去解释，「为何细菌无法继续发展到跟真核生物一样复杂」时，都会遭遇类似的问题：每一次有人宣称发现了某个「规则」，就会遇到一堆例外。着名的演化生物学家梅纳德史密斯（John Maynard Smith）常说：请容我无礼，但你的解释根本行不通。

所以怎样的解释才行得通呢？我们刚刚也看过了，谱系发生学的研究，常常无法给我们一个简单的答案。真核生物的共祖，已经是一颗很复杂的细胞了，它已经有棒状的染色体、有被膜包住的细胞核、有线粒体、有许多专业化的「胞器」，及其他众多膜状构造、有机动性的细胞骨架，还有像有性生殖这种特征。基本上，它看起来已经相当的「现代化」了。在细菌族群里，完全找不到任何这种「像真核生物」的特征。这是谱系发生学的「事件视界」（event horizon）（译注：事件视界是一种天文物理现象，指在黑洞周围有一圈界线，物体进入这个界线以后，就完全无法从外面观察到了），也就是说这些真核生物的特征，在追溯到真核生物共祖出现的那个时间点后，它们的演化轨迹就消失了。打个比方来说，这就好像我们想研究今日社会上各种新发明，是如何演变出来的，像是房子、卫生系统、道路、各行各业、农业、法院、军队、学校、政府……等族繁不及备载的系统，然后我们一直追溯到古罗马时代，但是，在这之前，就只剩下原始的狩猎／采集部落社会。我们找不到古希腊、古中国、古埃及、古黎凡特、古波斯，或是任何一个古文明社会；所见之处，只有大量的狩猎／采集部落。这就是症结所在。想想看，这就好像所有的专家，花了几十年的时间，大量爬梳世界各地的考古资料，挖掘出最古老的城市或是文明遗迹。原本希望可以在其中找到一些「前罗马」时代的遗迹，给我们一些暗示，去推测当初罗马发展的过程。我们找到了几百个这样的线索，但是细看之后才发现，这每一个遗迹，其实都出现在罗马时代之后。所有这些外表看起来极为原始的城市，事实上都是在「黑暗时代」所建造的。我们本想追寻它们的祖先，现在却又回到古老的罗马。结果，条条大路都通往罗马，而罗马确实是一天就造成的。

这故事听起来很荒谬，但是这差不多就是现代生物学所面临的窘境。在细菌跟真核生物之间，确实找不到处于中间型的「文明遗迹」。有一些看起来像是中间型的生物（在第一章中曾经提过的「古原虫」），曾经一度辉煌，就像拜占庭帝国的空壳，在最后几百年的时光内，仍在城墙之上闪闪发亮。我们该如何去理解当今的窘境呢？事实上，谱系发生学确实有提供一个线索，而这条线索，必然要避开单一基因的研究方法，只能透过「全基因体」（full genome）比较的现代研究法去揭露。

复杂性的奇想式起源

由单一基因去重建整个演化过程，会遇到一个瓶颈。就算是用一个被高度良好保存、万物通用的基因，像核糖体RNA这样的基因，仍无法幸免。那就是根据定义，从单一基因出发，一定会画出一棵分枝的树。理论上在同一个有机体身上，一个基因不可能有两种不同的历史，也就是说，这个基因不可能是嵌合的。在谱系发生学的美好世界中，根据每一个基因，都应该画出一棵类似的树，它们都应该带有相似的历史。但是，深远的演化历史却告诉我们，完全不是这么一回事。所以使用传统的研究方法，最后只会陷在少数具有相似历史的基因中（最多几十个吧），然后宣称只有根据它们，画出来的才是「真正的亲缘关系树」。如果事实就是如此，那么真核生物将会非常接近古菌，这正是标准的「教科书版」生命树型。它们唯一的争论点是，真核生物跟古菌，到底有多像？因为根据不同的基因、不同的研究方法，会得到不同的结果，但是长久以来大家仍一致宣称，真核生物是古菌的「姐妹」群。在上课堂上的时候，我也喜欢展示这一棵树。树枝的长度，代表着遗传距离。从树上可以看出，细菌域跟古菌域的生物，跟真核生物一样，基因都已经有了极大的变异跟分化。但是，从古菌到真核生物之间，有一段长长的空白枝干，这之间发生了什么事呢？这棵树并没有给我们任何暗示。

但是如果从整个基因体的角度来看，我们就会看到完全不一样的模式。真核生物有非常非常多基因，在细菌跟古菌身上都找不到相等物。这些基因，就是所谓的真核生物「识别」基因（“signature” genes）。随着研究方法愈来愈有威力，愈来愈精准，这样的基因的比例也随之减少。用标准的研究法，科学家发现，大约有多达三分之一的真核生物基因，可以在原核生物体内找到相等物。这些基因，必定来自两者的共祖，我们称这些基因是「同源的」（homologous）。有趣的地方就在这里：在一个真核生物体内，并非所有的同源基因，都来自同样的祖先。大约有四分之三的同源基因，看起来是来自细菌；剩下的四分之一，看起来是来自古菌。人类基因并不是唯一有这种情形的特例，酵母菌的情况也差不多，果蝇也是，海胆、苏铁也都是。从基因体的角度来看，似乎所有的真核生物，都是嵌合体怪物。

这个现象本身并没有什么可争论的。但是它代表的意义，却备受争议。举个例子来说，这些真核生物「识别」基因，跟原核生物的基因，在序列上完全没有相似性。为什么呢？有人认为，这是因为它们实在太古老了，老到从生命诞生之初就出现了，或许我们可以称之为「古老的真核假说」（venerable eukaryote hypothesis）。或许这些基因从那时候开始，就从共祖基因分歧开来，而经过了这么久的时间后，任何一丝丝的相似性，都早消失殆尽在时间之雾中。如果情形真是如此，那么真核生物必定在后来，比如说获得线粒体时，才又取得一堆原核的基因，所以两者才会有相似的基因。

这个古意盎然的假设，对于那些崇敬真核生物的研究者来说，一直都让他们感动万分。其实，在科学研究里面，感情跟个人特质所占的分量，意外的重。有些研究人员，天生就喜欢突如其来的巨变这类想法，有些研究人员则特别强调渐进式的改变。就像一个老笑话所嘲讽的，这是「奴才演化论」对上「笨蛋演化论」。但是其实演化是两者兼具的。在刚刚真核生物的例子里，这关乎人类中心论的尊严：我们都是真核生物，要说我们自己是新来乍到的基因杂种狗，实在有损人类的尊严。有些科学家就喜欢主张，真核生物来自生命树最底层的分支，就我看来，这种坚持，纯粹是个人情感使然。我们很难证明这个假设是错的，但是，如果它是真的，那为什么隔了这么久，真核生物才「一飞冲天」，变成又大又复杂？这至少迟了二十五亿年呢！为什么我们在化石中可以看到许多原核生物的痕迹，却找不到任何真核生物的蛛丝马迹？而且，既然真核生物在获得线粒体以前，曾经活得这么成功又这么久，那为何这些早期的真核生物，却都没有存活下来？之前我们已经解释过了，它们不可能因为竞争失败而灭绝，因为许多古原虫活得好好的（请见第一章）；这可以证明，即使是型态简单的真核生物，也可以跟简单的细菌与复杂的真核生物，并存好几亿年。

另外一个解释则是，所谓的真核生物识别基因，不过是因为它们演化的速度，比其他基因要快得多，因此在序列上，失去了跟祖先基因的相似性。为什么它们会演化的如此之快呢？这很可能是因为，它们后来所执行的任务，跟原本在原核生物祖先体内不一样。对我来说，这个解释合理多了。我们知道真核生物有许多所谓的「基因家族」，同一家族中，有许多自我复制的基因，每个都专门执行着不同的任务。既然真核生物需要去探索一个原核生物不得其门而入（但不知道为何）的复杂世界；那么它们的基因，为了要适应全新的工作而开始演化，结果失去了跟原核细胞基因的相似性，也就不足为奇了。根据这个假设，这些基因其实还是来自细菌或古菌体内某些祖先基因，只是为了要适应新工作，完全抛弃了过往历史。稍晚一点我会回头来证明这一点。现在只要先记住，所谓的真核生物「识别」基因，并不否认真核生物本质上是一种嵌合体，也就是说，是原核生物透过某种融合而出现。

那么，关于那些，可以在原核生物体内找到相等物的同源基因呢？为什么它们一部分来自细菌，一部分来自古菌呢？显然，这现象跟嵌合体起源假设，完全一致。真正的问题在于来源的数量。以所谓「来自细菌」的基因为例好了，根据谱系发生学的先锋，麦金纳尼的研究显示，真核生物体内的细菌基因，来自许许多多不同群的细菌。若把它们画在亲缘关系树上，会发现不同的基因，来自不同的细菌分支。因为α变形菌（α-proteobacteria）被公认是线粒体的祖先，因此原本大家以为，这些细菌基因都会来自现代α变形菌。但是事实并非如此。相反地，至少有二十五群不同的现代细菌，都曾经提供基因给真核生物。古菌也贡献很多，不过比细菌要少一些。比较令人好奇的是，所有细菌跟古菌的基因，一如马丁的研究显示，在真核生物的生命树上，都是一同演化分出一样的支干。很明显地，真核生物应该是在演化早期，就获得它们，所以从那时候开始，这些基因就有了共同的历史。这现象也排除了在真核生物的演化途中，持续性水平基因转移的影响。看起来，在真核生物起源之时，发生了一件奇怪的事：第一个真核生物，似乎一下子就从原核生物那里，拿了好几千个基因，然后就停止跟原核细胞之间的任何基因交流活动。关于这张图，最简单的解释，不是细菌式的水平基因转移，而是真核细胞式的内共生作用。

说到这个，内共生作用确实可能发生过好几次，就如序列内共生理论所预测的那样。但是，若要说曾经有二十五种不同的细菌，以及七到八种不同的古菌，全部都在演化早期参与了仅仅一场爆满的内共生作用派对，像一次细菌间的爱情狂欢节一样，然后在其余的真核生物史中，却又什么事都没发生，实在让人难以置信。可是如果不是这样，那又要如何来解释这种现象呢？其实有一个很简单的解释，就是「水平基因转移」。我这可不是在自相矛盾。在真核生物诞生之初，可能曾经发生过一次内共生作用，然后在往后的时光里，细菌跟真核生物之间，就不再有什么基因交换了；但是与此同时，在各群细菌之间，却不断地有水平基因转移。为何真核生物的基因，会跟多达二十五群细菌的基因一起演化？有一种可能，那就是真核生物在最早的时候，从某一群细菌中一次取得了大量的基因。而这群细菌，在往后的时光中，开始慢慢分化成二十五群细菌。假设今天我们从这二十五群细菌中，每群都随机拿走一些基因，然后放入其中一群细菌体内。假设这群细菌，后来会成为线粒体的祖先，然后它们生活在十五亿年以前。这群细菌跟今日所有的细菌都不一样，不过既然水平基因转移的盛行率如此之高，那会发生什么事呢？这群细菌的其中一些，可能会被其他细菌攫获，进入内共生作用；剩下的呢，还是自由自在的生活，跟今日的细菌一样，在十五亿年的时光中，透过水平基因转移，四处散播它们的基因。这样一来，一部分最原始的祖先基因，就会四散在好几群现代细菌中。

同样的现象也发生在宿主细胞身上。假设我们从七到八群可能变成真核生物的古菌身上，拿走一些基因，然后把它们放到某一群十五亿年前的古菌中。接着，这群细菌中的某些成员，攫获了内共生者（最后就变成了线粒体）；而其他的，则继续过着古菌原本的生活，四处透过水平基因转移，散布基因。上面描述的情节，只不过是透过反向工程（reverse engineering），不过就是基于一些我们已知的事实，所推论出的假设：水平基因转移，在细菌跟古菌之间非常常见，在真核生物之间则相对少见。此外，它也假设，一个原核生物（一只古菌，而根据定义，它无法进行吞噬作用），可以透过某种机制，吞掉另一只细菌，来进行内共生作用。晚一点我们再回来谈这件事。

这也是所有真核生物起源故事中，最可能而最简单的一种说法。这是真核生物起源于一个古菌宿主、跟一个细菌内共生者之间的故事。当然，我并不指望你们现在就相信它；我只是说，这个故事，一如许多其他的故事一样，跟许多真核生物的谱系发生学研究结果，非常吻合。我个人比较倾向这个假说的原因，是因为它符合奥坎简化论的原则（它是所有解释里面最简单的）。同时，在英国新堡的演化生物学家恩布利（T. Martin Embley）跟他的团队，也提出了更有利的谱系发生学证据，证明真核生物确实如此而来。不过真核生物的种系发生研究里面，仍有许多矛盾的现象，还有没有其他的证据呢？我觉得有。如果说，真核生物是透过两个原核生物（一个细菌跟一个古菌），彼此发生内共生作用而出现，然后其中一个后来变成线粒体，那么我们就可以从另外一个比较概念上的角度，来探索它的起源问题。为什么当一个细菌进入另一个细菌体内，会造成这个原核生物外形上彻头彻尾的改变，然后将它的真核生物潜力，完全释放出来呢？有什么好的解释吗？有的！有一个很恰当的解释，那是跟能量有关。

为什么细菌还是细菌

回答这个问题的关键，在于细菌（不管细菌还是古菌）都是靠化学渗透维生的。在上一章我们已经解释了，史上第一个细菌，如何可以在热液喷发孔的岩石薄壁中诞生；而那里天然的质子梯度，又如何可以驱动这些细菌的碳代谢与能量代谢；还有，这种对质子梯度的依赖性，如何可以迫使细菌跟古菌彻底分家。从这些观点出发去探讨，确实可以解释化学渗透耦合如何出现；但是它们没有解释，为何这机制就这样永远地留在所有细菌、古菌跟真核生物身上。难道没有任何一群生物，不小心丢掉化学渗透耦合？或是用其他更好的方法，取代这个机制吗？

确实有些生物做到了。比如说酵母菌，还有一些细菌，它们大部分的时间都在发酵。发酵作用可以直接产生ATP，不过纵然速度比较快，对原料的使用却不是很有效率。单纯的发酵作用，很快地就会把环境污染殆尽，结果让自己无法生长。发酵作用所产生的废物，像是酒精跟乳酸盐，会被其他的细菌利用。使用化学渗透机制的细菌，可以把这些废物拿去跟氧气，或是硝酸盐之类的化合物燃烧，然后产生更大的能量，这让细菌可以活得很久很久。如果有其他细菌可以把废弃物烧掉的话，那发酵作用还满好用的，但是它自身的局限性却很大。很多证据显示，发酵作用是在演化后期才出现的，如果从热力学限制的角度来看，这非常合理。

比较令人讶异的应该是，发酵作用是目前唯一已知不同于化学渗透耦合的产能方式。各种形式的光合作用也好、呼吸作用也好，不管任何一种形式的自营作用，只要是利用简单的无机分子让细胞生长的，都完完全全地依赖化学渗透作用。在第二章中我们已经解释过，这是有原因的。最重要的是，化学渗透耦合非常灵活，配件随插即用，它允许各式各样的电子供应者，加入这套公用的作业系统；只要小小的改装，就可以适应各种不同环境。而且，配件的基因，可以利用水平基因转移来散布，安装到其他相容的系统中，就像应用程式一样。因此，化学渗透耦合让生物的代谢反应，可以随时适应任何一种环境。难怪它会独霸于世。

这还不是全部的好处。化学渗透耦合可以从任何环境中，压榨出最后一滴能量。以产甲烷菌为例，它们利用 H2跟 CO2，去驱动碳代谢跟能量代谢。之前我们提过，H2跟 CO2本身并不容易发生反应，在一开始你必须注入一些能量，去打破那道能量障壁；产甲烷菌很巧妙地利用了电子分歧作用，来迫使它们反应。这反应能产生多少能量？我想先讲一下兴登堡号飞船事件。兴登堡号是一艘德国的飞船，里面灌满了氢气，在横跨大西洋之后，发生了一场意外。飞船像一颗燃烧弹一样的爆炸，从此也让氢气蒙上污名。但是 H2跟 O2放在一起时，若是没有火花这类额外的能量，它们其实非常稳定，根本不会反应。可是只要一点小火花，它们会马上释放出巨大的能量。而在H2跟CO2的例子里，情况是反过来的。要让它们反应，需要的火花相对比较大，反应释放出来的能量却少得多。

但是对细胞来说，如果这个反应释放出来的可用能量，没有大于当初注入能量的两倍以上，就没有用。这是细胞必须面对的尴尬限制。为什么呢？还记得以前在学校练习平衡化学反应式吗？你必须让两个完整的分子反应，而不可以用半个分子跟另外四分之三个分子反应。对细胞来说，让 H2跟 CO2反应，就像是用掉一个ATP分子，却只能生产少于两个ATP分子。但是，因为没有一．五个ATP分子这种东西，ATP分子要嘛是一个，要嘛是两个。所以，如果细胞花掉一个ATP分子，最后只能获得一个ATP分子，那一点赚头也没有。根据普通化学，要用 H2跟 CO2之间的反应去生长，是不可能的。这不只对 H2跟 CO2来说是如此，对所有的「氧化还原偶」（所谓的「偶」（couples），就是一个电子供应者配上一个接受者）来说，比如甲烷或是硫酸盐，也是如此。但是，细胞却完全无视这种化学定律的限制，仍然可以生长得好好的。它们可以生长，是因为隔着细胞膜的质子「梯度」，形成了一条渐进的阶梯。化学渗透耦合漂亮的地方就在于，它完全超越了化学。它让细胞可以把「零钱」存起来。假设要十个质子才能够合成一个ATP分子，而某个化学反应一次只够做出四个质子，那也没有关系，这个反应只要重复三次，就可以制造出十二个质子，其中十个就可以用来合成ATP分子。这个机制不只对某些呼吸作用来说，绝对必要；对所有的生物包括我们来说，都有极大的好处，因为它让细胞从此可以把微小的能量存起来。没有这个作用，这些微小的能量，只能变成热量浪费掉。如此，质子梯度永远比平凡无奇的化学占尽优势，两者差之毫厘，威力却差之千里。

化学渗透耦合在热力学上所占的优势，足以解释为何这套机制，可以历时四十亿年而不衰。不过质子梯度在其他方面，也融入了细胞的功能。一种机制一旦历久不衰，它就有可能变成另一套毫不相干机制的基础。因此，质子梯度，也被广泛使用在细胞各种功能上，像是营养摄取、排泄废物；它也被用来推动细菌的螺旋桨，也就是让细菌可以跑来跑去的鞭毛系统；它也被褐色脂肪细胞小心翼翼排出，用来产生热量。最有趣的是，这套系统一旦崩解，会引发细菌族群突然的「计画性死亡」。这是因为基本上，当细菌被病毒感染的时候，它几乎注定活不下去。但是它如果可以死得够快，可以在病毒自我复制以前就死亡的话，那它附近的亲族（周围带有一样基因的细菌），就有存活的机会。因此，指挥细菌自杀的基因，会普遍散布在整个族群中。但是，这些基因必须作用得够快才有用，而刺穿细胞膜，正是最快的几种机制之一。因此，许多细菌就采用这套方法：一旦被感染了，它们就会在自己的细胞膜上打洞。这样一来，质子驱动力就会瓦解，也会启动沉睡中的死亡机器。质子梯度，因此成为感应细菌健康与否的最后一道感应器，也是生与死的裁判。在本章后面我们会看到，这个功能牵连甚广。

总而言之，这套化学渗透耦合机制，之所以会变得极为普遍，绝非偶然。它的起源，很可能与生命的起源息息相关，也与细胞如何从碱性温泉喷口处诞生有关（迄今，这是最有可能孕育生命的机器）。因此，几乎所有的细胞，都使用这套系统，也就理所当然。这套系统乍看之下，或许十分诡异，但是实际上，这仅仅只是表面上看起来反直觉而已。根据我们的分析，化学渗透耦合不只是在地球上，也应是宇宙中万物共有的生命特征。这意思也就是说，其他星球上的生命，也会面临着与地球上的细菌和古菌一样的问题，所有的问题都来自「原核生物必须把质子泵过一层细胞膜」这件事。这机制其实并没有真的阻止原核生物什么事，但是它确实限制了某些可能性。我认为，那些被排除的可能性，正好就是我们看不到的部分，被排除的，刚好就是变成带有大尺寸基因体、型态复杂的原核生物的可能性。

这问题，其实跟每一个基因能分配到的能量有关。我自己曾经跌跌撞撞地思索着这个概念好几年了，不过在与马丁的一番唇枪舌剑后，才算真正开始研究它。在经过好几个礼拜的对谈与交换意见之后，我们忽然明了，演化出真核生物最重要的关键，其实在于「每个基因所能分配到的能量多寡」这样简单的原则。因为很兴奋，所以我马上在一个信封背面（结果后来一直增多变成很多信封），开始起草计算。我花了一个礼拜的时间，最后算出的答案，让我们两人都大吃一惊，从各种文献资料开始，最后算出了一个数字，也就是将原核生物与真核生物两者区分开来的能量差距。根据我们的计算，真核生物每个基因能够分配到的能量，是原核生物的二十万倍之多。二十万倍的能量差距呢！最终，原来这两者之间，隔了一道鸿沟；这个巨大的差距很清楚地解释了，为何细菌跟古菌永远也不可能演化成复杂如真核生物。同理，我们多半也不会遇见一位由细菌所组成的外星人。想像一下如果我们身处于能量构成的地景世界，山峰部分代表高能量，沟壑代表低能量。细菌全部都挤在最低的沟壑里，这些沟壑是如此之深，以至于四周的山壁对它们来说，都高耸如天，不可攀爬。难怪原核生物只能留在那里，永世不得翻身。让我好好解释一下。

每个基因可以分配到的能量

一般来说，科学家在做比较分析时，会去比较类似的事物。如果是谈到能量的话，比较公平的办法，是去比较平均每一公克物质的能量。我们可以去比较一公克重的细菌，跟一公克的真核细胞的代谢速率（用氧气的消耗速率来代表）。我想，如果说，细菌通常呼吸得比单细胞真核生物还要快，应该不会太让你惊讶吧？它们通常快了三倍左右。这结果平淡无奇，大部分的科学家就会停在这里，然后去比较像是苹果跟水梨之类比较有挑战性的生物。但是我们则继续研究下去。如果我们去比较单一细胞的代谢速率，结果会怎样呢？这样的比较，看起来好像很不公平。我们选了五十种细菌，跟二十种单细胞真核生物，这些真核生物平均体积，大概是细菌的一万五千倍大。既然它们的呼吸速率只有细菌的三分之一，那真核生物每秒大概会比细菌多消耗掉五千倍的氧气。这数据只是反映出，真核细胞的体积比细菌大得多，同时也有比较多DNA。但是即使如此，真核细胞还是比细菌多制造了五千倍的能量，它们都用到哪里去了？

这些能量，直接用在DNA身上的并不多；单细胞生物，大概只用了百分之二的能量预算，去复制DNA。相反地，根据杰出的英国微生物能量学家哈洛德（Franklin M. Harold）的研究（虽然我们并不总是同意彼此，但哈洛德仍是我心目中的英雄），细胞大概把百分之八十的能量，用在合成蛋白质上面。主要的原因当然是因为蛋白质是细胞最主要的组成成分。脱水后的细菌，大概有一半的重量是蛋白质。制造蛋白质所费不赀。蛋白质就是长链的胺基酸，一个蛋白质通常有好几百个胺基酸，透过所谓的「肽键」连起来。每合成一个肽键，细胞就要花掉至少五个ATP分子，这是把DNA分子连起来所需能量的五倍！通常，每一个蛋白质，细胞都要制作好几千份拷贝，才足以应付日常生活所需的耗损。所以大致上来说，细胞所消耗的能量，几乎都是用来制造蛋白质。每一个蛋白质，都由一个基因负责。假设细胞所有的基因，都用来转译蛋白质（事实上通常也是如此，差别只在每个基因的表现量不同），那么基因体愈大的生物，合成蛋白质所需的能量也就愈多。因为核糖体是制造蛋白质的小工厂，所以核糖体的数量，跟合成蛋白质所需的花费，就有直接的关系；因此，也可以透过计算核糖体的数量，来估算能量消耗。像大肠菌这样的细菌，平均起来大概有一万三千个核糖体，而一颗肝脏细胞则至少有一千三百万个核糖体，两者之间的差距大概从一千到一万倍之多。

平均起来，细菌大概有五千个基因，而像池塘中随处可见草履虫类（Paramecium）的大型原虫，这样的真核生物，大概有两万到四万个基因（比人类的基因数还多了两倍之多）。平均起来，真核生物的每个基因，可以分配到比原核生物多了一千两百倍的能量。假设我们把细菌的基因（五千个）「校正」到跟真核生物一样多（两万个），但是制造的能量不变的话，那么细菌的每个基因所能分配到的能量，平均起来就比真核生物少了五千倍。或者呢，真核生物可以花比细菌多五千倍的ATP分子，去表现每个基因，比如说制造更多的蛋白质拷贝；或者比较常见的其实是：两者皆是。

你也许会说：「这很重要吗？」真核生物细胞，比细菌体积大了一万五千倍，它总要用些什么，把这么大的体积塞满吧？所以它大部分就用了蛋白质。因此，要比较它们，还要把体积也校正成一样才公平吧？好吧，就让我们的细菌体积也增大好了，现在来算算它们能分给每个基因多少能量。你或许会想，比较大的细菌，可以制造比较多ATP分子，确实没错；但是比较大的体积，也要合成比较多蛋白质，所以也会消耗较多的ATP分子。结果如何，端视这些参数如何消长。根据我们计算的结果，细菌要变大，会付出惨痛的代价：尺寸确实有差，而对细菌来说，愈大未必愈好。巨大的细菌所能分配给每个基因的能量，比起同体积的真核生物细胞来说，少了二十万倍。让我来告诉你为什么。

细菌体积放大之后，马上会面临的窘局，就是表面积与体积比的问题。真核生物细胞的平均尺寸，比细菌大了一万五千倍。为了简单起见，先假设细胞都是球形的好了。要把细菌涨大到细胞的尺寸，它的半径会增为二十五倍，表面积则会增为原本的六百二十五倍。这件事之所以重要，是因为ATP必须在细胞膜附近合成。简单地来说，ATP分子会多合成六百二十五倍，跟表面积的增加成正比。

但是合成ATP需要蛋白质：我们需要可以把质子泵过细胞膜的呼吸链蛋白，也需要ATP合成酶这种分子涡轮机：它可以被质子流推动，来合成ATP分子。如果细胞的表面积增加了六百二十五倍，那即使所有的呼吸链分子跟ATP合成酶，也随着等比例增加，并且均匀分布在各处（所以每单位面积仍有一样多的蛋白质），那ATP分子的合成，也只能增加六百二十五倍。这些计算都没错，但是想一想就知道，这只有百害而无一利。所有这些额外的蛋白质，都需要先被制造出来，然后再被插入细胞膜中。要制造它们，就要有足够的核糖体以及各种辅助工具，而这些东西，也要先制造出来才行。胺基酸必须伴随着RNA，被运到核糖体去，不消说，你要先把这些材料生产出来才行；喔，还要先有能处理它们的基因跟蛋白质。为了要让这些额外的工作顺利进行，更多的养分必须从膜外被运进来，这也需要特殊的运输蛋白。与此同时，我们也要合成新的细胞膜才行，这就需要能合成脂质的酶了。以此类推。这一切暴增的生产需求，不可能光靠一个基因体就足以应付。你想想看，这个小小的基因体，坐在细胞中间，负责生产比原来多六百二十五倍的核糖体、蛋白质、RNA，还有脂质，还要负责把它们运过涨大后的细胞空间，仅仅是为了让ATP能跟以前一样，用相同的速率，每个单位生产一样多的分子？想也知道这办不到。这就像是一座城市的面积增大六百二十五倍，有了新的学校、新的医院、商店、游乐场、垃圾处理场，诸如此类；地方政府一定无法用原来的预算，去运作这一切设施，是一样的道理。

从细菌生长的速度之快，以及它们把基因体极简化之后所能享有的好处来看，细菌基因体所能负担的蛋白质合成任务，应该已经被压榨到极限了。要让整体蛋白质的生产量，增加六百二十五倍，合理的推断，细菌至少需要六百二十五份一模一样的基因体，而且每个基因体必须运作得跟原来的一样好。

这样听起来好像很夸张，但是其实一点也不。等一下我们再回来讨论这一点。现在，让我们想一想关于能量花费的事。我们多了六百二十五倍的ATP分子，却也多了六百二十五份基因体，而每个基因体要消耗一样多的能量。暂且不管细胞里面，那些复杂的运输系统，因为那要好几代的时间，跟花费好多能量，才可能演化出来。每一份基因体，可以管理一部分细胞质跟细胞膜，区域跟原本细菌大小相仿。或许，讨论细菌体积增大最好的方式，不是将一个细菌体积涨大，而是将它看成六百二十五个一模一样的细菌融合在一起。这样一来很明显地，对每个细菌来说，基因体能获得的能量，就跟原来一模一样。因此，增加表面积，在能量上一点好处也没有。涨大后的细菌，跟真核生物细胞比起来，仍然屈居下风。还记得前面讲过，真核生物每个基因，都比基因数量校正后的「标准」细菌，可以获得多五千倍的能量吗？如果让细菌的表面积，增为原本的六百二十五倍，但是却没有增加每个基因可获得的能量，那么它们还是比真核生物少了五千倍的能量。

更糟的是，我们是借着让能量的生产跟消耗，都增为六百二十五倍，才让这颗细菌的表面积增为六百二十五倍，那么里面的空间呢？它里面的空间现在可是增为一万五千倍了呢！我们让这颗细菌像一颗巨大的泡泡一样涨起来，但是在还没有决定，要在里面放入什么代谢活动，到目前为止，里面的能量需求都是零。但是这种前提，只有当这个泡泡里面，塞满了毫无代谢活动的液泡时，才会成立。但这样一来，这颗巨大的细菌，就无法跟真核细胞相提并论；因为真核细胞不只是体积大了一万五千倍，它里面还挤满了各种复杂的生化机器。这些生化机器，大部分是由蛋白质所组成，把这些蛋白质也纳入考虑的话，它们也都要消耗能量。因此如果体积增为一万五千倍的话，基因体多半也要增为这么多倍。但是ATP的合成已经无法再等比例增加了，因为ATP一定要在贴近膜旁边才能合成，而我们刚刚已经考虑过这点了。所以让细菌涨到跟真核生物一样大小，虽然让ATP合成增为六百二十五倍，但是却让能量需求增为一万五千倍。每一个基因所能分配到的能量，结果反而掉了二十五倍。把这个数字，乘上刚刚说的，每个基因有五千倍的差距（在让细菌基因数，变得跟真核生物有一样多之后），就是十二万五千倍。也就是说当细菌的基因体跟体积，都跟真核生物一样大之后，每个基因能分配到的能量，只有真核生物的十二万五千分之一。这还只是在谈平均的真核生物，大型的真核生物像是变形虫，将会比涨大后的细菌，多分配二十万倍的能量给每个基因。二十万倍这个数字就是这样计算出来的。

你也许会说，这只不过是在玩数字游戏，并没有实质的意义吧？确实，这也是我所担心的事情：这些数字，看起来真的很夸张。但是，这些根据计算得来的数字，至少可以让我们做一些假设。首先，巨大的细菌必须要把自己的基因体，至少复制好几千份。这个假设很容易验证。世上确实有一些巨大的细菌，不多，但还是有。其中有两个属，已经被研究得很透彻了。刺骨鱼菌（Epulopiscium）是一种厌氧细菌，目前只在刺尾鲷（surgeonfish）的后肠里面找到过。它长得像一艘细胞战舰一样，狭长而流线的身躯，大概有半公厘这么长，肉眼可见。这比大部分的真核生物细胞，包括草履虫都还要长。我们还不知道，为何刺骨鱼菌会长到这样大。另一种细菌叫做嗜硫珠菌（Thiomargarita），它的尺寸又更大了。它们是直径约一公厘的球菌，体内大部分都是巨大的液泡。一颗嗜硫珠菌，可以长到跟果蝇的头差不多大呢！嗜硫珠菌住在海水中，它们喜欢上升海流带来间歇性的硝酸盐，嗜硫珠菌会利用硝酸盐当作呼吸链的电子接受者，并把它们存在体内的液泡中。有时候数天甚至数个星期，都没有硝酸盐时，它们就使用自己体内的库存。不过这不是重点，重点是，刺骨鱼菌跟嗜硫珠菌，都是「极度多倍体」（extreme polyploidy），也就是说，它们的基因体都有好多好多份拷贝。刺骨鱼菌有二十万份基因体拷贝，嗜硫珠菌的体内虽然大部分都是液泡，但也有个一万八千份基因体。

霎时，刚刚随口说的一万五千份基因体，变得没那么夸张了。这些基因体不只在数量上符合前面的假设，它们分布的方式也符合。这两种细菌的基因体，都很靠近细胞膜，分布在细胞膜内壁附近。细菌的中心，则几乎没有什么代谢活动。嗜硫珠菌的中心是大液泡，刺骨鱼菌的中心，则是产生子代细菌的产卵场。细菌体内没有代谢活动这件事，代表的正是，它们不用花费能量去合成蛋白质，因此在这里也不需要有基因体。理论上，它们分配给每个基因的能量，应该跟普通的细菌一样：这些多出来的基因体，每一个都分配到一部分生物能量膜；应该刚好可以生产这些多出的基因体所需要的能量。

事实似乎确实也是如此。我们非常小心地测量了这些细菌的代谢速率，而我们也知道这些细菌的基因体拷贝数目，因此我们可以去计算每个基因所需要的能量。结果不出所料，这个数字跟大肠菌的，非常接近，都在同一个数量级里。在巨大的细菌体内，不管成本跟获利如何增加，从能量上看来，没有增加什么好处。这些细菌比起真核生物来说，每一个基因还是少了五千倍的能量。注意算出的数字，并不是二十万倍的差距，这是因为这些巨大的细菌，只有在细胞膜旁边增加基因体而已，细菌中间部分（inner volume）并没有什么东西。在细菌中间部分，几乎没有任何代谢活动，而这样会严重影响细菌分裂的能力。或许这是为什么，这种巨大的细菌很少见。

细菌跟古菌，很满足它们目前的状态。当小体积的细菌带着小尺寸的基因体时，它们并不缺乏能量。只有当我们试着把它们涨大到真核细胞的尺寸时，问题才会出现。把细菌涨大，并不会让它们开始拥有跟真核生物相仿的大型基因体，以及能量代谢模式；相反地，它们能分配给每个基因的能量会大幅降低。这个差距非常巨大。因此，细菌无法扩充它们的基因体，没有办法累积出一个，带着几千个新功能的基因家族，这些都是真核生物才能干的事。因此，大的细菌并不会演化出一个巨大的核心基因体，它只能复制出数千个原本的小基因体。

真核生物如何逃出藩篱？

那么为何同样尺度的问题，并没有办法阻止真核生物往复杂之路前进呢？差别就在线粒体。还记得吗？真核生物一开始，应该是由一个古菌宿主，跟一个细菌内共生者，所组成的基因嵌合体。我曾说过，谱系发生学上的证据，跟这个版本的故事非常吻合，但是这样并不足以证明这个故事是真的。在细菌身上所看到严峻的能量限制，倒是一个非常强力的证据，说明了嵌合式的起源，是复杂生物诞生的条件之一。我认为，只有原核生物彼此之间的内共生作用，才可能打破细菌跟古菌身上的能量枷锁。而原核生物之间的内共生作用，本身又是演化上极为罕见的事件。

细菌，是一个可以独立运作自我复制的个体，也就是所谓的细胞。但是基因体不是。巨大的细菌所会面临的问题就是，要成为巨人，它们必须复制自己的基因体好几千次。每一个基因体都必须完美复制，或至少接近完美才行；但是复制完之后，基因体本身是什么事也不会做的。蛋白质可以在基因上工作，用它们来转录或是转译；细胞本身也可以借着蛋白质跟各种代谢反应，自我分裂；但是基因体本身则是完全的无活性的，什么事不做，就像电脑硬碟一样，本身无法自我备份。

差别在哪里呢？这个意思就是说，细菌体内所有的基因体，从这个角度来看，其实是一模一样的拷贝。这些基因体彼此之间差异，对天择作用来说毫无差别，因为它们本身并不是会自我复制的个体。同一个细菌体内的众多基因体，若有什么变异，在数代之后就会跟杂音一样，消失不见。但是如果是细菌之间彼此竞争的话，会怎样呢？如果有一族细菌，碰巧可以复制得比别人快两倍，那么它的数量就会以指数递增，每一代都会让自己的优势增加一倍。不消几代之后，这一族细菌就会成为整群里面最大的一支。当然，这么巨大的生长优势，其实并不常见，不过因为细菌生长的速率实在很快，即使只在生长速度上面稍占优势，在几代之后，对整个族群所造成的影响也不容小觑。对细菌而言，一天就增益有七十代之多。若以人类的生命来比喻，同一天的黎明，就已经久远到像耶稣诞生之日般了。如果从基因体上面删掉一些DNA，也可以赢到一点生长上面的优势，比如说把一个目前不用的基因剔除。不管这个基因日后会不会需要，至少现在先丢掉的话，就可以复制得快一些；在几天之内，这个细菌就会成为族群里面的多数。保有无用基因的细菌，则会渐渐地被淘汰。

假设环境改变了，刚刚那个暂时无用的基因，现在变得有用了，而缺少它的细菌，会变得再也无法生长；除非它们有办法透过水平基因转移，再拿回这个基因。这样的情况不断轮回，这种不断丢掉又拾回基因的把戏，决定了谁可以主宰细菌族群。随着时间过去，所有的基因体大小，都会慢慢趋向一个「最小可用尺寸」；而对单一细菌来说，它仍可以随意从一个大得多的「原基因体」（metagenome，也就是自己细菌种群，以及邻居种群，所有的基因体总和）里面获得基因。一只大肠菌大概有四千个基因，但是全部大肠菌的原基因体，大概有一万八千个基因。依赖这个原基因体，当然有其风险：万一拿回来的不是想要的基因、或是拿到一个突变的基因、或是拿到一个基因寄生虫怎么办？不过从长远的眼光来看，这套系统还是成功了。天择最后会剔除了比较不适合的个体，而幸运的赢家则通吃。

现在，想想细菌体内的内共生者种群好了。上面讲到的汰选原则也大致适用于此，因为毕竟它们还是一群细菌，只不过是比较小群的细菌，然后住在比较局限的范围内。丢弃无用基因的细菌，跟以前一样，会生长得快一些，渐渐成为主流。最大的差异在于环境的稳定性。外界的环境时时在变动，但是细菌体内的细胞质，却是个很稳定的环境。当然要进入这里或许不容易，要生存恐怕也非易事；然而一旦有细菌立足了，它就有了源源不绝的养分供应。在外面自由生活的细菌，靠的是永无止境的得／失基因，在细菌体内生存的细菌，则会渐渐走向抛弃大部分基因、让基因体极简化的生活方式。在这里，不需要的基因，就永远都不需要了，细菌可以永远丢掉它们，然后基因体会变得非常小。

前面说过，因为原核生物无法用吞噬作用，吃掉其他的细菌，所以它们的内共生作用很罕见。但是我们也确知，有些现成的例子在眼前，所以很明显的，这现象在没有吞噬作用的情况下，诚然罕见，却也并非不可能。有一些真菌，也有内共生者，但它们也跟细菌一样，几乎称不上会什么吞噬作用。不过会行吞噬作用的真核生物，通常都有内共生者，至少我们已经知道好几百个这样的例子了。这些细菌最后都走向一样的命运，就是丢掉自己的基因。在细菌的世界里，最小的基因体，通当都显现于那些内共生者身上。比如说让拿破仑大军受尽折磨的斑疹伤寒病原，立克次体（Rickettsia），它的基因体大小只有一百万对碱基，大概只有大肠菌的四分之一而已。另外一种细菌 Candidatus，它的内共生宿主，是一种在植物身上跳来跳去的木虱；它有目前已知细菌中最小的基因体，大概只有二十万对碱基，比某些植物的线粒体基因体还要小。虽然我们不知道，原核生物体内的内共生者，基因是不是也都丢失了，但是它们的情况，没有理由跟真核生物体内的不一样。毕竟，线粒体以前就是住在古菌体内的内共生者，不是吗？

「基因的丢失」会造成很大的不同。丢掉的基因对于内共生者来说，有很多好处；它们可以复制地比较快，还可以节省ATP分子。让我们用想像力来做个简单的实验看看。假设有一只宿主细菌，体内有一百个内共生者，每一个内共生细菌，一开始都是正常的细菌，之后才开始丢失基因。假设每只细菌，一开始有四千个基因好了，这是普通细菌的基因数。如果它们先丢掉两百个负责细胞壁的基因（百分之五），因为对于内共生细菌来说，这些基因以后也用不到了。这两百个基因，都可以转译出蛋白质，所以会消耗能量。如果不去制造这些蛋白质，可以节省多少能量呢？细菌的蛋白质，平均有两百五十个胺基酸；然后每个蛋白质，都会做两千份左右。每一个肽键（把胺基酸连起来的化学键）要花掉大概五个ATP分子。这样一来，一百个内共生细菌的两百个蛋白质的两千份拷贝，就要花掉五百亿个ATP分子。假设这个宿主细菌大概每二十四小时分裂一次，而每个生命周期都要制造这些蛋白质，那每秒要花五十八万个ATP分子，才有办法应付。相反的，如果不需要去合成这些蛋白质的话，这么多ATP分子也就可以省下来了。

当然，细菌也没有什么特别的理由，一定要把这些ATP分子省下来（其实还是有一些可能的理由，我们等一下再回来谈），不过就让我们先来看看，如果细菌把这些能量花在其他地方，会有什么不同？在真核生物跟原核生物之间，有一个相对简单的差异，就是「机动性的内部骨架」。这些细胞骨架可以自由重组，改变形状，让细胞可以自由移动，同时也负责在细胞里面运输物质。细胞骨架的主成分之一，叫做肌动蛋白（actin），那每秒花五十八万个ATP分子，可以做出多少条肌动蛋白呢？肌动蛋白是一条由许多单体（monomer）连接成的长链，两条这样的长链，再互相缠绕而成一条纤维。每一个单体，都有三百七十四个胺基酸，一微米长的肌动蛋白纤维，就是由两条各含二十九个单体的长链绞成。如果要花一样的ATP分子去连接肽键，那一微米长的肌动蛋白纤维，要花十三万一千个ATP分子。所以，原则上用五十八万个ATP，我们每秒可以做出四．五微米长的肌动蛋白。如果你对这个数字没什么概念的话，那么请记住，平均来讲，一只细菌的长度大概只有几个微米而已。所以透过内共生作用造成的基因丢失，所累积下来的能量（只要丢掉百分之五的基因即可），就可以让机动性细胞骨架，轻易地演化出来，事实上它确实也演化出来了。另外，一百个内共生者，其实还算是非常保守的估计。有些大型的变形虫，体内可以有多达三十万个线粒体呢。

而它们还可以丢掉远多于百分之五的基因。线粒体几乎把自己的基因都给丢光了。我们跟大部分动物的线粒体，都只能做出十三个蛋白质而已。如果线粒体来自跟现代α变形菌很像的细菌的话，那它们原本应该也有约四千个基因左右。经过漫长的演化，它们丢掉了百分之九十九的基因。根据我们上面的计算，如果一百个内共生者，都丢掉百分之九十九的基因的话，那细胞在它二十四小时的生命周期中，可以省下一万亿个ATP分子呢！或者约每秒一千两百万个分子。但是其实线粒体并不节能，它们会生产ATP分子。线粒体跟它们独立生活的祖先一样，都会制造ATP分子，同时又可以大量减少一般细菌生活所需的经常性开支。其实，真核生物细胞，可以说是拥有大量的细菌能量，同时又节省了制造细菌蛋白质所需的能量。或者也可以说，它们把这些能量移作他用。

线粒体丢掉了大部分基因，其中一部分则被转移到细胞核里（关于这一点，下一章会讲的比较详细）。这些基因有一部分，一直做着一样的工作，生产一样的蛋白质，因此并没有节省什么能量。但是也有许多基因，不管对宿主还是对内共生者来说，都已经完全不需要了。它们到了细胞核里，就像是基因界的冒险者，会任意改变功能，直到被天择的选择力量限制住为止。这些多余的、延长的DNA，其实就是真核生物用来演化的遗传材料。有些基因会衍生出一整个基因家族，各自处理独特而专门的工作。我们现在知道，最早的真核生物，比起细菌来说，多了大概三千多个新的基因家族。线粒体把基因丢掉，可以让细胞核在不增加能量消耗的情况下，就获得许多新的基因。原则上，如果带有一百个内共生者的细胞，每个细菌都丢掉两百个基因（百分之五的基因），那么这个宿主，就可能在细胞核里累积两万个新基因，这数量已经是人类基因体的数字了呢！这些新基因，都可以马上执行新的工作，而且不需增加能量支出。拥有线粒体的好处，让人瞠目结舌。

这里还有两个彼此息息相关的问题。上面的论述，完全是基于原核细胞表面积跟体积比值，而推论出来的。但是有一些细菌，像是蓝绿菌，会内化自己的生物能量膜，把细胞膜向内折叠成复杂的「巴洛克花纹」，这样可以大大地增加这个膜的面积。为何细菌无法借着将膜「内在化」，逃离化学渗透耦合上的限制呢？第二个问题则是，既然丢掉基因是如此地重要，那为何线粒体不干脆丢掉全部的基因体？这样不是能将基因丢失所带来的好处，发挥得淋漓尽致吗？这两个问题的答案，碰巧清楚地解释了，为何细菌在过往四十亿年间，一直被卡在细菌的位置上。

线粒体：通往复杂化之路的关键

为何线粒体始终要保有一小撮基因？原因并不容易阐明。在真核生物演化的早期过程中，线粒体已经把好几百个、可以编码出蛋白质的基因，送到细胞核里了。这些蛋白质，现在都先在细胞质里生产，之后才运到线粒体里面。但是，仍然有一小撮跟呼吸链蛋白质有关的基因，一直都保存在线粒体里面。为什么呢？经典教科书《细胞分子生物学》里面说：「我们想不出有什么不得不然的理由，让线粒体跟叶绿体的蛋白质，一定要在它们里面生产，而不能在细胞质中生产。 」不论是在二○○八年、二○○二年、一九九二年或是一九八三年版本的书，都讲同一句话，让人实在好奇，作者这几年来真的有认真思考过这个问题吗？

从真核生物的起源的立场来看这个问题，我认为有两种可能的答案：一种是「无关紧要的」，一种是「必须的」。当我说「无关紧要」的时候，并不是说「无足轻重」的意思。我只是说，在生物物理上面，并没有什么不可改变的原因，让这些基因非要留在线粒体里不可。它们没有搬家到细胞核里，并非因为不能搬家，纯粹只是因为从以前到现在，它们还没搬就是了。 「无关紧要」的说法，是这样解释为何基因留在线粒体里面：它们本来可以搬家的，但是在机率跟天择筛选力量的平衡下，就留下来了。可能影响的因素有：蛋白质大小、疏水性等等特性，或是遗传密码上面有少许改变。根据这个假设，原则上所有留下来的基因，其实都可以搬到细胞核里，不过可能要先稍稍改变一下它们的序列，然后就能够完美运作。现在有一些学者，正在积极地研究，如何把这些基因送到细胞核里面去；他们认为，这样做有可能阻止细胞老化（在第七章会谈的详细一点）。这是一个充满挑战性的问题，不过不是我们口语中「无关紧要」所代表的意义，而是这些学者认为这些基因，没有非留在线粒体里不可的理由，所以可以搬走。而他们认为把基因搬到细胞核里，有很大的好处。我祝他们最终有好运！

但是我并不同意他们的看法。相对于此另外一种偏向「必然的」假设认为，线粒体之所以保留这些基因，就是因为需要这些基因：没有这些基因，就没有线粒体。这个原因是不可改变的，这些基因不能被送到细胞核里，连「原则上来说」都不可以。为什么呢？我认为英国的生化学家艾伦（John Allen），同时也是位共事很久的同事，提供了一个很好的答案。我倾向相信艾伦的答案，并不是因为他是朋友；恰恰相反，我是因为相信他的答案之后，我们才变成朋友的。艾伦永远有源源不绝的想法，而且勇于提出诸多有原创性的假设。其中许多他正在验证，还有一些假设，我们已经争论了好多年。关于线粒体的问题，他有一些很强的证据，说明线粒体（叶绿体也一样，基于同样的原因）必须要保留这些基因，因为这样才能够控制化学渗透耦合。他的假设认为，将剩余的基因送进细胞核的话，不管你怎样巧妙的更动这些基因，让它们适应新居，细胞都免不了一死。这些线粒体基因，一定留守在生物能量膜、也就是它们的工作岗位旁边才行。有人说，这有一个政治学术语，叫做「青铜控制」。在战争中，黄金控制就是中央政府，负责制订长远的战略目标；白银控制就是军队的指挥阶层，负责分配人力跟火力的调度；但是战争的输赢，决定在战场上，也就是掌握在铜级控制的命令下；他们就是那些真正与敌人正面交锋、勇敢的男人或女人。他们做出战术上的决定，激励手下的军队，同时也是会被我们永远记住的伟大士兵。线粒体基因就属于铜级控制，是阵地中的决策者。

为什么会需要有这样的控制呢？在第二章中，我们曾经谈过质子驱动力的威力。线粒体内膜的两侧，有大约一百五十到两百毫伏特的电压差距，而这层膜只有五奈米厚。我们提过，用同样的电场强度来换算的话，这等于每公尺有三千万伏特的电压，跟一道闪电的威力一样。如果这样的电力失控的话，它会好好的「对付」你的！会出现的问题，可不只有ATP无法合成而已，虽然这个问题也够严重了。如果呼吸链没有办法好好地把电子传递给氧气（或其他任何电子接受者），会造成电子短路，也就是说电子会逃跑，直接跟去氧气或氮气分子反应，结果形成所谓的「自由基」。 「ATP数量减少」「生物能量膜去极化」还有「释出自由基」这三件事，是启动「计划性细胞死亡」最常见的原因。这种死亡现象我们之前提过，在单细胞的细菌界里，也非常常见。基本上，线粒体基因，可以视需要即时反应，在局部变化酿成灾难以前，把膜电压调整在一定的范围里面。根据这类假设，如果线粒体基因被移到细胞核里的话，那么当氧气压力改变、反应受质缺乏，或是自由基外泄时，线粒体都将无法立刻反应，去调整膜电压，细胞就会死亡。

我们必须持续呼吸才能维持生命运作，也才能精细地控制横膈膜、胸腔跟咽喉的肌肉。线粒体也是利用自己的基因，精细地调整呼吸链，确保供给永远可以配合需求。应该没有其他更重要的原因，可以解释为何所有生物，都需要保有一部分线粒体基因。

不过这个「必然的」假设，真正的意义，并不是基因要留在线粒体里。真正的重点是，这些基因必须位于生物能量膜附近，不论这张膜在什么地方。所有会呼吸的真核生物，它们的线粒体，都毫无例外地保留了一小撮基因，这现象相当令人惊讶。有少数细胞，丢掉了全部的线粒体基因，但也同时失去了呼吸能力。比如说氢化酶跟残留纺锤体（它们是在古原虫体内所找到，由线粒体特化而来的胞器），一般都没有保留任何基因，同时也失去了化学渗透耦合的能力。反过来说，之前所提到的巨大细菌，一直也还都在生物能量膜的旁边，保有一份基因（其实应该说整套基因体）。对我来说最有说服力的例子，莫过于蓝绿菌了，因为它的细胞膜，会向内延伸如波浪状。如果说这些基因，对于控制呼吸作用来说是必要的，那么就算蓝绿菌体积相对较小，还是应该要跟大细菌一样，复制好几份基因体，放在膜旁边才对吧？而它们真的有这样做。比较复杂的蓝绿菌，常常都复制了好几百份完整的基因体。这么多的基因体，也限制了蓝绿菌每个基因所能分配到的能量。所以最后跟大细菌一样，因为必须累积好多小型的细菌基因体，结果就是，无法让基因体扩充到跟真核生物一样大。

以上这些，就是为何细菌无法长到跟真核生物细胞一样大的原因。光靠让生物能量膜内在化，或是涨大体积，都行不通。它们还必须把一些基因，配置在膜旁边才行，而在没有内共生作用的情况下，现实的因素让它们只好配置整套基因体。从每个基因所能分配的能量来看，除非可以获得内共生作用的支持，否则变大并没有任何好处。当有内共生作用时，它们才可能丢掉基因，缩小线粒体的基因体尺寸，用多出的能量，把细胞核基因体扩充好几个数量级，直到真核生物的尺寸。

或许你会想到另一个可能性：利用细菌的质体（plasmids）。这种短小的半独立环状DNA，可以携带一小撮基因。为何细菌不把负责呼吸链的基因，放在一个大一点的质体里面，然后在生物能量膜旁边配置许多这种质体呢？虽然在逻辑上，这样做有相当程度的困难，但是原则上可行吗？我觉得不可能。对于原核生物自身来说，变大或是生产过剩的ATP分子，都没有好处。事实上，小细菌并不缺ATP，它们有足以过活的ATP。稍微变大一点，然后生产多一点ATP分子并没有什么好处。能够维持小体积以及足够的ATP分子，还比较有用，这样还可以复制地快一点。变大后的另一个缺点，就是细菌开始需要补给线来支援远端。大型的细胞，必须要能把货物运输到细胞四处，这正是真核生物每天都在做的事。但是这样的运输系统，不会在一夜之间演化出来。它需要很多很多代的时间，而在这段时间内，细菌必须要能够享受到变大的其他好处才行。所以，质体没有办法解决问题。这样的想法是本末倒置。对细菌来说，面对如何分配资源的问题，最简单的解决办法，就是「避而不谈」，也就是干脆复制整套基因体，让每一套基因体去负责细胞质里面一个「细菌单位」的空间，这就是大型细菌的策略。

那么，真核生物是如何突破体积的藩篱，演化出复杂的运输系统呢？巨大的真核生物细胞带有众多线粒体，每个线粒体都有质体大小的基因体，跟巨大的细菌带有众多质体，分散下去控制呼吸链，这两者差异到底在哪里？答案在于，真核生物的出现，其实跟制造ATP一点关系也没有，这是马丁跟谬勒，在谈到真核生物如何出现的假设时，所持的看法。他们认为，宿主细胞跟内共生者之间的共生关系，在于彼此交换生长所需的物质，而不只是能量而已。他们的「氢气假说」指出，第一个内共生者提供给宿主（产甲烷菌）的，是生长所需的氢气。我们可以暂且忽略细节。这个假说的重点在于，没有内共生者提供这些受质（在这个例子里，是氢气）的话，宿主细胞是无法存活的。内共生者可以提供所有生长所需的反应受质。体内有愈多内共生者，就可以获得愈多的受质，宿主就可以生长得愈快，当然，内共生者也蒙受其利。在这样的系统中，细胞愈大愈有好处，因为它们可以装更多的内共生细菌，也就有更多的燃料。当它们为内共生者发展出运输网路之后，又可以再更上一层楼。这才是把本（能量）置于末（运输系统）之前。

当内共生者开始抛弃基因时，它们对ATP分子的需求也随着降低。这会产生一个尴尬的现象。细胞透过呼吸作用，利用ADP分子来生产ATP分子。而当ATP裂解回ADP时，会释放出能量供细胞利用。如果细胞不消耗ATP分子的话，那当所有的ADP都被转换成ATP分子后，呼吸作用就会停止。在这种情况下，呼吸链也会开始累积电子，就变成高度还原态（我们在第七章会讨论的比较详细）。这样一来它们会直接跟氧气发生反应，释放出自由基，伤害周围的蛋白质跟DNA，甚至启动自杀程序。这时候，有一个叫做「ADP–ATP 运输蛋白」的关键酵素出现了，它原本的作用，是把内共生者制造的ATP，流出来给宿主细胞利用，刚好也可以用来解决内共生者的困境。借着把ATP分子运出来，交换把ADP分子运进内共生者，宿主细胞就可以控制内共生者的自由基外泄，同时也让细胞免于受损甚至死亡。这也可以解释，为何对宿主细菌跟内共生细菌而言，去执行建造机动细胞骨骼这种需要大量「燃烧」ATP分子的挥霍计划，其实对两者都有利。这里的重点是，在内共生关系里面，每一步都对彼此有好处，这不像是帮细菌加装质体，让细菌变大或是提供更多的ATP分子，对细菌本身来说，这些并没有任何好处。

真核生物的出现是一个奇妙的单一演化事件，在地球四十亿年的演化时光中，只出现了一次。这条极为独特的演化之路，如果从基因跟资讯的角度来切入，会完全无法理解。但是如果从能量跟细胞的物理结构限制的角度来看，则一切都变得有意义多了。我们已经解释过，碱性热液喷发孔的环境，如何可以创造出化学渗透耦合机制，以及为何它会从古至今，一直跟着所有的细菌跟古菌。我也说明了，化学渗透耦合，能为原核生物带来无限的可能跟适应性。在其他星球上，当生命从一些岩石、水跟二氧化碳开始出现之时，也应该会受到同样参数的影响。现在我们也看到了，即使天择作用筛选了数不尽的细菌，经过了数不尽的时间，却仍然无法让它们变成更复杂的细胞，除非透过罕见而嵌合式的内共生作用，否则无法变成真核生物细胞。

通往复杂的生命，并没有什么注定而不变的演化之路。宇宙跟我们想的不一样。复杂的生命当然有可能出现于其他星球上，但是这绝非常见的事；基于同样的原因，它在地球上也只发生了一次。要解释这件事，可以分成两部分。第一部分很简单，那就是原核生物之间的内共生现象，十分罕见（但我们确实在今日的细菌身上，看过少数例子，因此我们知道它会发生）。第二部分则比较难解释，而且相当吻合哲学家沙特所谓「他人即是地狱」（译注：沙特是存在主义论者，这句话主要用来表达，影响一个人最大的问题，就是他人的存在与选择这样的概念）。亲密的内共生关系，或许解开了细菌的束缚，但是在下一章中，我们要解释一下，这样一个新的共存体，也就是真核生物，如何历经千辛万苦而诞生，以及为何这事件如此罕见，而它们又为何全部都有难解的特征，也就是性与死亡。

2024-07-06 16:49:22