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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
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