>>>  讀書—連接古今充實信仰  >>>

簡體     傳統

「大自然不容真空」，亚里斯多德如是说。两千年后，牛顿回应了他这句话。他们两个人都很关心，到底是什么物质填满了太空呢？牛顿认为，那是一种叫做以太（aether）的神秘物质。这个物理学观念，在进入二十世纪后，在声名狼藉中崩解。相反地，空虚恐惧（horror vacui）这样的观念，却仍在生态学上大鸣大放。有一个古老的童谣，满贴切地描述了「占满所有生态区位」这样的感觉：「大跳蚤背上有小跳蚤咬着，小跳蚤背上有更小的跳蚤咬着，一直这样下去。」每一个可占据的生态区位，都被占据；每一种生物，都优雅地适应自己的环境。每个植物、动物、细菌，同时既是住民，也是别人的住所；对于各式各样的跳跃基因、病毒跟寄生虫而言，这是充满机会的野生丛林；更不用说，对于大型掠食者来说也是。

但其实不是，那只是看起来像而已；这些无所不在无缝接轨的生物，只是表面的假象而已；在它们的中心，有一个黑洞。现在我们应该要来面对这个生物学中，最大的悖论。为何地球上所有的生物，只能被区分成型态简单的原核生物，以及有众多共同特征的真核生物两种。这些共同特征，在原核生物身上，完全找不到。在这两群生物之间，是一条鸿沟、空无一物，是一片真空。大自然应该要厌恶这片真空的。所有的真核生物，几乎都拥有一切型态上的特征，而细菌呢，从外形上来看，什么都没有。 《圣经》里面有句话，非常贴切的形容了这样的现象：「凡有的，还要给他，还要加给他必有余。」

上一章中我们说到，在两个原核生物之间发生的内共生作用，打破了永无止境的简单构造。对于细菌来说，要能在另外一个细菌体内存活，不只一代，而且还是世世代代，绝非易事。但是我们确实也有发现实际的例子，可以证明这种现象即便罕见，也不是不可能。但是，一个细菌住在另一个细菌体内，只是个开始。它只是生命诞生历史中的怀孕期而已。我们还必须从这里，找到通往真正复杂细胞的演化之路，也就是还要诞生出一个带有「所有真核生物特征」的复杂细胞。我们必须从一个一无所有的细菌开始，直到一个完整、有细胞核、有众多内膜以及细胞隔间、有机动的细胞骨架，还演化出有性生殖这种复杂行为的细胞为止。真核生物的最后共祖，就有这一切；但是在起点的细菌，除了有一个住在体内的细菌外，什么都没有。在这两者之间没有任何中间型，所以没有人可以告诉我们，是如何，以及为什么这些复杂真核生物特征会演化出来。

有人会说，内共生作用造成真核生物出现，这过程不符合达尔文式演化，因为达尔文主张「略有差异，代代相传」的渐变式序列；但是这过程却是，突然跳入一个未知的环境中，然后创生出一只「期望的怪兽」。就某方面来说，这种说法并没有错。之前我曾说过，即使天择作用在无数的原核生物身上，经过了无尽的时间，也无法变成复杂的真核生物，除非透过内共生作用才可能。这种事件，没有办法用传统的树状图来表达。内共生作用是反向的树状图，它的树枝不分叉，却反而合并。但是内共生作用也是一个单一特例，它出现在演化无法创造出细胞核、无法创造任何真核生物结构特征的情况下。它所做的，只是触发一系列事件，而这一系列事件的发展，其实都遵循着达尔文式演化理论。

所以我并不是说，真核生物的诞生不符合达尔文式演化理论；我认为，演化的世界，被某次发生在两个原核生物之间的内共生作用改变了。在这之后，一切仍都遵循着达尔文式演化理论的轨迹。问题是，获得内共生者这件事，会如何影响天择的轨迹？我们可以预测之后发生的事情吗？或者这么说，在宇宙其他星球上，演化也可能遵循类似的路径？还是在打破了能量藩篱之后，演化就如猛虎出柙，不受控制了？我认为，至少某一部分的真核生物特征，是因宿主跟内共生者之间亲密的关系而生，因此可以根据第一原理来预测。这些特征，包括细胞核、有性生殖、两种性别，同时也包括了不朽的生殖细胞，伴随着生命有限的身躯。

在内共生作用发生后，马上就限制了各种事件发生的顺序；比如细胞核跟内膜系统，必定发生在内共生作用之后。而它同时也会对演化的速度做出限制。一般人很容易把「达尔文式演化」跟「渐变论」（gradualism）混为一谈，但是，所谓「渐变」，到底是什么意思呢？渐变的意思其实是说，演化并不会突然跳出一个未知的情况，而所有适应性的改变，都应是细小而隐晦的。但是如果从基因体的角度来看，这个说法其实不正确。基因体可能会发生大量缺失、重复、易位等等变异，结果造成某些调控基因不正常的关闭或开启。这些突变跟内共生作用一样，都跟适应性无关，它们只是改变了天择作用的施力点。举例来说，认为细胞核会这样突然出现，就像是把基因突变与适应混为一谈。细胞核是一个适应得恰到好处的构造，它的出现，可不像基因易位这么简单的事一样。细胞核里面有许多结构，像是核仁，会大量制造新的核糖体RNA；核外面包着双层核膜，膜上钉满了令人叹为观止的核孔复合体。核孔复合体由数种蛋白质组合而成，而这些蛋白质，所有的真核生物都有。细胞核里还有「核蛋白片层」（nuclear lamina），这是一种充满弹性的网状结构，贴在核膜内层，保护里面的染色体不受到伤害。

这里的重点在于，这样的构造，必定是天择在经过相当时间的筛选，加上众多蛋白质细腻的协同合作，才可能出现；而这种过程，是百分之百的达尔文式演化。不过呢，这并不表示从地质时间尺度来看，这过程一定也要发生得很慢。在化石纪录中，我们常常可以发现，很长一段时间的稳定平衡停滞期（stasis），偶尔被一些快速的改变中断，这种现象。从地质时间尺度来看，这些改变发生得很快；但是从世代更迭的角度来看则未必。这单纯只是因为，在以前稳定的情况下阻碍改变的条件，现在改变了。因为其实一般来说，天择非常讨厌改变，在以适应性为第一考量的世界中，它会削平各个变异高峰。只有在偶然的情况下，天择作用力才可能鼓励变化。比如当这个世界发生了翻天覆地的改变时，天择会变得鼓励变异而非稳定；而这个变异的速率，可以快到让人吃惊。眼睛是一个很好的例子。眼睛出现于寒武纪大爆发，大约在几百万年之内蹦出来。相较于之前，那段看似永无止境的前寒武时期，持续了好几亿年的冗长单调时光，两百万年显得十分匆忙。为什么世界会持续这么久一段稳定时光，然后忽然发生电光火石的变动呢？或许因为那是第一次出现氧气浓度上升的现象，世界忽然变得对大型而机动性高的动物有利，因此出现掠食者与猎物、出现了眼睛跟甲壳。有一个很有名的数学模型曾经计算过，从某些昆虫身上的简单感光眼点，演化成眼睛，需要多少时间呢？它假设生物的生命周期是一年，然后每一代型态改变都不超过百分之一，结果答案算出来，只要五十万年就可以。

那么细胞核需要多久时间，才能演化出来？有性生殖呢？吞噬作用呢？它们为何需要花费比眼睛更长的演化时间。要去计算从原核生物演化成真核生物，最少需要多少时间，是一个未来要执行的计划。在启动这个计画以前，我们需要知道多一点，关于这些事件发生顺序先后的资讯。我们或许先入为主地认为，这些东西的演化一定需要好几亿年，其实并没有什么道理。为什么两百万年不行呢？就假设细胞每天只分裂一次，两百万年就几乎是十亿个世代了。演化出这些特征需要几个世代呢？一旦打破那道阻止原核生物演化出复杂构造的能量限制，为何真核生物不会加快演化出来呢？虽然相较于三十亿年细菌所过的平静日子，真核生物的出现，就像是突然跨了一大步，但是这中间的过程，却是百分之百的达尔文式演化。

虽说，理论上演化可以快马加鞭，不代表它们真的就会快速进行。但是基于大自然对于真空的厌恶，我们有足够的理由相信，演化可以进展神速。不过问题是，真核生物什么都有，而原核生物却什么都没有。这代表了某种不稳定性。在第一章中我们讨论过「古原虫」，它们是相对简单的单细胞真核生物，过去一度被误认为是演化过程中，介于原核生物跟真核生物之间的中间型。后来才我们知道，这些怪异的生物，其实都是来自原本五脏俱全的复杂真核生物祖先。但是不管怎么说，这些生物是不折不扣的生态上的中间型：它们占据了介于真核生物跟原核生物之间，型态中等复杂的生态区位。它们可以说是填补了真空，因此乍看之下，在生物的型态上面就没有鸿沟了，它们的复杂度呈现一连串由简而繁，从寄生性的遗传物质、巨大的病毒、细菌、简单的真核生物、复杂的真核生物，一直到多细胞生物，一系列毫不间断。然而当古原虫直到最近被证明全是假货之后，那个对真空的恐惧感，又再度出现。

古原虫并没有因为跟其他生物竞争落败而灭绝，这证明了这种「中间型」的生物，有其生存的空间。因此，相同的生态区位，没有理由无法被原生的中间型生物占据；像是缺少线粒体、缺少细胞核、缺少过氧小体，或是缺少如高基氏体、内质网之类内膜系统的中间型细胞。如果真核生物出现得很慢，需时数千万甚至数亿年的时间，那应该会有很多稳定的中间型细胞，带着一部分的真核生物特征。它们可以占据古原虫的生态区位，而其中至少有一部分，应该可以存活至今。但是一个也没有！尽管科学家费尽心力四处寻找，却从来没有见过。如果它们不是因为竞争落败而灭绝，那为什么它们无法存活下来呢？我认为，那是因为在遗传上，这些生物极不稳定。要横跨原核生物跟真核生物之间的鸿沟，方法有限，而大部分都失败了。

这也暗示了，早期的种种群应该很小。这也很合理。愈大的种种群，代表在演化上很成功。如果早期的真核生物活得很成功，那么它们应该为数众多、开枝散叶，占满各个新的生态区位，分化开来。它们的基因应该很稳定，所以至少其中一部分，应该可以存活至今。但是实际上的情况却非如此。从目前的情况看来，早期的真核生物基因都不稳定，而且只在一个小种种群中快速演化。

还有另一个原因，让我们不得不相信事实就是如此：至今所有的真核生物，都有着一模一样的特征。请想一想，这现象未免也太特别了。所有人类都有一样的特征，像是直立的姿势、无毛的身躯、对称的手掌、硕大的头脑，以及语言能力。这是因为人类都来自同样的祖先，互相交配而来。这就是有性生殖，同时也是「物种」最简单的定义。同「种」的生物，就是一群可以彼此交配的生物。无法彼此交配的生物，会分道扬镳，各自演化出独立的特征，它们就会变成新的物种。不过在真核生物诞生之初，情况似乎并非如此。因为所有的真核生物，都有一样的基本特征，它们看起来比较像是一群可以彼此交配的物种，能行有性生殖。

还有任何其他的生殖策略，可以造成这样的结果吗？我想没有。无性生殖，也就是科学家说的克隆（cloning），导致深远的趋异演化，因为各群内的突变，都会被累积下来。这些突变借着天择作用，在迥然不同的环境中，会各自展现其优劣。克隆虽然会不断复制一模一样的个体，但是讽刺的是，因为突变也会被累积下来，克隆最终反而会造成种种群分异。相反地，有性生殖才会将相同的特征，收集到同一个种种群中，不断地将它们混合配对，结果反而不会分异。真核生物全部都有一模一样的特征，表示它们当初应该是来自一群，互相交配的有性生殖种种群。而这又再次暗示了它们的种种群大小应该不会太大，所以才能互相交配。在这个种种群里的任何细胞，如果不会有性生殖的话，就无法存活。 《圣经》是对的：「引到永生，那门是窄的，路是小的，找着的人也少。」

那么在细菌跟在古菌之间，十分流行的水平基因转移呢？跟有性生殖一样，水平基因转移也有基因重组，也会造成所谓「流动」的染色体，会搬移不同的基因组合。但是它跟有性生殖的不同处在于，水平基因转移并不互相交换基因，同时也没有细胞融合跟全基因体重组。水平基因转移是零碎且单向的：它无法将种种群中个体的特色结合在一起，相反地，它会造成个体之间的差异。以大肠菌为例，每一只细菌都带有大概四千个基因，但是它的原基因体（在所有大肠菌菌株体内找到的基因总和。这里的不同菌株，是用核糖体RNA来定义），则差不多有一万八千个基因之多。水平基因转移盛行的结果，是同一种细菌的不同菌株之间，可能有一半以上的基因都不一样：这种差异的程度，比所有脊椎动物之间的差异还要大。简而言之，在细菌跟古菌之间盛行的遗传模式，不管是水平基因转移或是克隆，都无法解释真核生物间谜样的同一性。

如果我是在十年前写下这些文字，提到有性生殖，应该出现在真核生物演化的早期这种论点，那大概没有什么证据可以支持。甚至还有不少物种，包括许多种变形虫，以及被认为出现在演化早期的古原虫，像是梨形鞭毛虫属（Giardia）的生物，还一度被认为是无性生殖的生物。其实直到今日，还没有人抓到梨形鞭毛虫的把柄，看见过它们缠绵。不过在自然史里面所匮乏的，可以用技术来补足。我们已经知道梨形鞭毛虫的基因体序列，知道它们有减数分裂所需的基因（减数分裂，就是形成生殖细胞的细胞分裂），而且这些基因完全处于可使用的状态。还有它们基因体的结构，也见证了曾有过规律性的有性生殖基因重组现象。几乎每一种我们研究过的物种，都或多或少有类似的现象。虽然有些比较次要的真核生物，只靠无性生殖繁殖，但是它们大部分都很快就灭绝了，所有已知的真核生物，都行有性生殖。我们可以据此认为，它们的祖先理应也是如此。简而言之，有性生殖出现在真核生物演化非常早期，而只有当有性生殖，是在一群小而不稳定的种种群中演化出来时，才能够解释，为何今日所有的真核生物，都有性生活。

如此，就带入本章的问题了。两个原核生物之间的内共生作用，跟有性生殖的演化之间，是不是有什么关联呢？

我们基因结构的秘密

真核生物有着「支离破碎的基因」。二十世纪生物学中，很少有崭新发现会让人大吃一惊。我们一直被早期的细菌基因研究误导，认为人类染色体上的基因，也应该像是一串珍珠般，照着有意义的顺序排列。但是不然。就像纽西兰遗传学家潘尼（David Penny）说的：「如果有一个委员会，专门负责设计大肠菌的基因，那我会很骄傲的承认，自己曾经在里面工作过。但是我绝不会承认，自己曾经在人类基因体设计委员会里面工作过。因为没有任何单位，即便是大学里的委员会，都不会把这工作做得这么乱七八糟。」

到底是哪里有问题呢？真核生物的基因看起来根本一团乱，它们的结构是这样的：有少数几段短短的区域，每一段都负责蛋白质的一部分；然后在这些区域中间，都穿插了非常长段的「非编码DNA」，我们称之为「内含子」（introns）。每一段基因里面，通常都插了好几段内含子（所谓基因的定义，就是能够编码出一个完整蛋白质的DNA序列）。这些片段的长短差异非常大，但是通常非编码区，都比真正编码出蛋白质的片段要长。 DNA会转录成RNA，RNA是制造蛋白质的模板，它会被送到核糖体，也就是那些位于细胞质的重要工厂里。当转录成RNA时，内含子也会跟着转录出来，不过在抵达核糖体之前，它们就统统都被切掉了。这可不是一件轻松的工作，它要靠另外一部无比精巧的纳米小机器，我们称为剪接体（spliceosome）的蛋白质来执行。等一下我再来解释剪接体的重要性。现在，你只要注意这整个程序执行过程，有多么奇怪迂回。如果在剪接掉这些内含子的过程中稍有失误，那么一大串毫无意义的RNA，就会被送到核糖体里，接着就会制造出一长串毫无意义的蛋白质。核糖体，就像是卡夫卡小说中的官僚一样，忠实地执行任何命令，不管这命令是什么。

为什么真核生物的基因，是如此支离破碎的呢？其实这倒是有几个已知好处。首先，同一个基因，可以把片段，用不同的剪接方式，接出许多不同的蛋白质。举例来说，免疫系统就借此发挥蛋白质重组的威力；它们把蛋白质片段，用各式各样的方式连接起来，形成数十亿种不同的抗体。这样抗体可以黏着在任何细菌或是病毒身上，让免疫系统的杀手机器去追杀它们。不过免疫系统是大型复杂动物身上才有的晚期发明，在演化早期，重组有什么好处吗？在一九七○年代，二十世纪的演化生物学大师杜立德（Ford Doolittle），曾经提出一个假说，他认为内含子应该出现在生命起源之初，这也就是所谓的「内含子先天存在说」。这个理论是这么说的：早期的基因，因为缺少现代基因复杂的修复系统，所以在复制的过程中一定很容易累积许多错误，这让它们很容易就因为突变而毁灭。因为突变的机率很高，而在一段DNA里面累积的突变数，又跟DNA的长度有关，所以只有很短的基因体，才可能避开因突变而毁灭的命运。那么短短的基因体，要如何制造大量的蛋白质呢？内含子是个很好的解决办法，生物只需要把许多小片段重组连接即可。这个理论很漂亮，除了杜立德本人以外，至今也还残存少数拥护者。同时，一如所有伟大的假说，这个漂亮的假说也提出过好几个预测，但不幸的是，它们后来全部被推翻了。

这个假说最重要的一项预测，就是「真核生物应该是第一个演化出来的细胞」。因为只有真核生物才有真正的内含子，所以如果内含子真的这么原始，那么真核生物细胞必定是最早的细胞，早于细菌与古菌（译注：根据这个假说，内含子应该跟着基因一起出现，所以第一个有基因的细胞，应是真核生物，而不是细菌或古菌）；而后两者则是后来在天择的压力下，为了精简基因体，才丢掉了内含子。但是这假说在谱系发生学上来说，完全没有意义。新一代的全基因体分析，全部都毫无二致得显示出，真核生物来自于古菌宿主跟细菌内共生者。演化树上面最深的分支，始于细菌与古菌之间，真核生物是比较晚期才出现的产物。同样的观点，也与化石证据，以及上一章提到的生物能量学考量，互相吻合。

然而如果内含子，不是一种原始状态，那么它们到底为何会出现，又是如何出现的呢？答案似乎来自于内共生者。虽然我刚刚说细菌没有「真正的内含子」，但是毫无疑问地，内含子的祖先必定来自于细菌；或者更精确地说，是来自细菌基因里的寄生虫，正式的名称叫做「第二型自我剪接内含子」（mobile group II self-splicing introns）。你不需要担心这拗口的名称，它们「就只是」一种自私的基因，是一种会在基因体里面，不断自我复制、跳进跳出的跳跃基因（jumping genes）。或许我不应该说「就只是」，因为它们其实相当惊人，而且是很有目的性的小机器。它们会跟其他的DNA，一起被转录成RNA，但是之后马上就「活过来」（还有比这更好的形容词吗？），把自己组合成一副RNA「剪刀」。这副剪刀会把自己跟其他的长段RNA剪开，如此对宿主细胞的伤害，可以减到最低。被剪下来的片段，会变成一组活跃的复合物，然后制作出反转录酶（reverse transcriptase）。这种酶可以把RNA反向转录成DNA。被转录回DNA的内含子，就会把自己再插回宿主的基因体里。所以，内含子是一种基因寄生虫，在细菌的基因体里不断跳进跳出。

「大跳蚤背上有小跳蚤……」谁想得到原来生物的基因体，其实是蛇鼠一窝，藏着一堆骚动的精巧寄生虫，随它们高兴跳进跳出的。但事实就是如此。这些可移动的内含子或许很古老，因为在三域生物身上都可以见到。而它们又跟病毒不同，因为它们从来不需要离开宿主那温暖舒适的窝。每当宿主的细胞复制一次，它们就高高兴兴的跟着复制一次。任何生物，都只能习惯于它们的存在。

不过细菌处理得很好。我们不知道它们怎么办到的。或许，这纯粹只是天择作用于大种种群时的威力。细菌身上的内含子，如果插入了不适当的区段，可能会干扰它们的基因，因此就会在天择的战争中，输给其他内含子位置比较恰当的细菌。或者，内含子本身适应良好，只会侵入对宿主细菌无害的DNA区段。这原因有可能是因为内含子跟病毒不一样：病毒可以独立存在，所以并不那么在乎会不会杀死宿主；内含子必须与宿主同生共死，所以干扰宿主绝无好处。最适合用来形容生物学上这种情况的，其实都可以借用经济学上的词汇，像是成本收益计算、囚徒困境、赛局理论等等。不管怎样，总之最后移动式内含子，没有在细菌跟古菌体内大鸣大放，也从来没有插在任何基因里面，因此称不上是真正的内含子。它们只存在基因与基因之间的区域，而且密度很低。一般来说，一个细菌的基因体（含有大约四千个基因）带有大概不超过三十个内含子，相较之下，真核生物则有好几万个内含子。细菌体内这么少的内含子，反映的是一种长期的收支平衡，是天择作用在宿主与内含子两者身上，经过无数世代后的结果。

就是这样的细菌，在约十五到二十亿年以前，跑到一个古菌体内，发生内共生作用。现代细菌中，与之最接近的菌种，大概就是α变形菌之类的细菌吧；而我们知道现代的α变形菌，只带有很少的移动式内含子。那么在这些古老的基因寄生虫，与现代真核生物基因体结构之间，有什么关联呢？如果你多了解一些，那副「剪接细菌内含子的RNA剪刀」的作用机制，外加一点逻辑推理，应该就会看出来了。在前几节中，我提过剪接体这个由蛋白质组成的奈米机器，它可以把内含子，从我们的RNA转译本上面切掉。不过剪接体并非全然由蛋白质组成，在这个机器的核心，其实是一副由RNA组成的剪刀。它把真核生物内含子剪下来的方式，完完全全泄漏了它的本体，其实来自细菌的自我剪接内含子。

就是如此，我们并不是靠着比对内含子的DNA序列，得知它们源于细菌。这些内含子无法做出反转录酶，也无法把自己切入或切出宿主DNA，它们不是会移动的基因寄生虫，而是DNA世界里面的无业游民，坐在那里什么事也不做。但是这些已然死亡的内含子，却远比那些活着的寄生虫要更危险，因为它们已经突变得不成人形，损坏到难以辨认的地步，再也无法把自己切下来；宿主细胞必须主动移除它们才行。所以宿主细胞就只好从还活着的亲戚里，征用RNA剪刀。剪接体就是根据细菌的寄生虫，改造而成的真核生物机器。

在二○○六年时，俄裔美籍的生物资讯学家库宁，跟演化生物学家马丁，发表了一篇非常精采的论文，提出了一个假说。他们认为，在真核生物诞生之初，进入古菌体内的内共生者，在毫不知情的宿主体内，解开了这些基因寄生虫的封印。这造成了演化早期，内含子大举入侵，形塑了真核生物的基因体构造，同时也对真核生物的各项特征造成深远的影响，比如说形成细胞核。而我呢，我会说有性生殖也是这些影响之一。当然，这个假说听起来有点太梦幻、好像只根据一副剪刀这样单薄的证据，就编出一个完美的演化故事。但是，基因构造的许多细节，却也支持这种假设。为数众多、好几万好几万个内含子，加上它们在染色体上所处的位置，像是沉默的证据，见证了远古的遗迹。这个遗迹，不只包括了内含子，还包括宿主细菌跟内共生者之间、扭曲又亲密的关系。就算这个假说不是全对，但是我认为这种答案才是我们应该寻找的。

内含子跟细胞核的起源

许多内含子，在真核生物基因体里面的位置，都是固定的，这是另一件出人意料的谜。举一个所有真核生物都有的基因：柠檬酸合成酶（citrate synthase）的基因为例好了，它会转译出柠檬酸合成酶，去执行所有真核生物都需要的基础代谢作用。从海藻、香菇、树木、变形虫一直到我们人类身上，都可以找到一模一样的基因。虽然我们跟树木的基因，从共同的远祖开始，经过了无数世代的分歧，在序列上已经出现了些许差异；但是因为天择的筛选，让生物保存了这个酶的功能，因此也限定了基因序列的排列方式。这种现象，完美的展示了天择的分子生物学基础，以及所有生物都有共同远祖这件事。出人意料的部分在于，不管是树木还是人类，这个基因总有两到三个内含子，而且几乎都插在一模一样的位置。对于这种现象，只有两个可能的解释。

第一个解释是，这些内含子，是各自独立插在这些位置的，或许因为某种未知的原因，这些位置特别受到天择的青睐；第二个解释则是，这些内含子在过去，把自己插入真核生物共祖的身上后，随着共祖开始分化，传给了所有的后代。当然，其中某些后代，也可能又把内含子给弄丢了。

如果只有少数几个基因有这样的现象，那么第一种解释就很有可能。但是科学家发现，数以千计个内含子，都插在数百个真核生物共享基因中，完全相同的位置上。如此一来，第一种解释就说不通了；从远古共祖流传下来的说法，反而比较有可能。果真如此的话，那么就在真核生物诞生之初，必定有过一波内含子大入侵，让这些内含子一开始就插在这些位置。然后这些内含子，发生了某些退化性突变，剥夺了它们移动的能力，从此就留在这些地方；如同圈画在被害者尸体旁，擦不掉的粉笔轮廓，一直传给后代的真核生物。

还有另外一个比较有说服力的证据，支持过去曾经出现过一波内含子大入侵。我们通常把基因分成两类：异种同源基因（ortholog）跟同种同源基因（paralog）。所谓异种同源基因，基本上就是从远古共祖那里继承来的基因，虽在不同种的生物体内，却仍做着一模一样的工作。最好的例子，就是我们刚刚提过的柠檬酸合成酶基因。所有的真核生物，都有这个异种同源基因，因为我们都来自同一个共祖。第二类的同种同源基因，一样是来自远古的共祖，但是这古老的基因，却在同一个细胞里面复制了好几次，结果变成一整个基因家族。这样的基因家族，有时候可以包含多达二三十个基因；每一个后来都各自负责稍有不同的工作。举例来说，像血红素蛋白家族，就有十个基因，每一个都编码出很类似的蛋白质，但是负责不太一样的工作。简单的来说，异种同源基因，就是不同种生物之间的相同基因；而同种同源基因，则是同一个生物体内的基因家族。当然啦，同种同源基因的家族，也可能从某个共祖身上传下来，然后出现在许多不同种的生物体内。因此，所有的哺乳类动物，都有同源同种的血红素基因家族。

库宁很聪明地，再把这些同种同源基因家族，加以区分成「古老的」跟「近代的」。根据他的定义，所谓古老的同种同源基因，是指那些「在所有真核生物体内都有的」基因家族，而这些基因，在原核生物体内，从未被复制过。因此我们知道这是在真核生物演化早期的事件，而且发生在「最后真核生物共祖」演化出来以前。而所谓近代的同种同源基因，则是只在某些特定真核生物体内（比如说只有动物或只有植物），才能找到的基因家族。这种现象代表了它比较近代，是在特定几群生物演化的过程中，才发生的基因复制事件。

根据库宁的预测，如果内含子大入侵果真发生在真核生物演化早期，那么这些移动式内含子，应该会随机插入不同的基因中间。在同一时期，同种同源基因应该也正积极地自我复制。如果内含子大入侵持续不懈，那么在同源同种基因家族扩张的过程中，这些四处移动的内含子，就会插在每个新家族成员的不同位置上。相反的，对于近代同种同源基因家族来说，所有的基因复制，应该都发生在那次假想的内含子大入侵之后。因为没有新的内含子插进来捣蛋，所以当新的家族成员被复制出来时，应该会连旧的内含子一起复制，而且维持在原本的位置上。简而言之，「古老同种同源基因」比起「近代同种同源基因」来讲，内含子的位置应该不规则的多。而分析结果显示，库宁的预测，准确度高的吓人。基本上「近代同种同源基因」所有的内含子，都维持在一模一样的位置上，而「古老同种同源基因」的内含子的位置，则乱多了。

这些结果全都指出，早期的真核生物，确实曾经一度遭受到由内共生者带来的内含子大入侵。但是，为何内含子在细菌跟古菌体内，可以受到严密的控制，在真核生物体内，却会大量繁殖呢？有两个可能的解释，而且两个可能都是真的。第一个解释是，最早的真核生物（其实基本上那时还是一个原核细胞，是一个古菌），遇到了来自细菌的内含子大轰炸，而且还是从近在咫尺、从自己体内的细胞质而来。这种情况有点像是棘轮（ratchrt）在运作，棘轮只会往一个方向转动。内共生作用是一场大自然的「实验」，而这实验有可能失败。比如说，如果宿主细胞挂了，这个实验就结束了。但是反过来说则否。如果宿主体内有许多内共生者，其中一个死了，也就是死了一个细菌而已，而实验可以继续进行下去。宿主还活着，其他的内共生者也活着。但是死掉的这个内共生者，会把自己的DNA倒入宿主的细胞质中，就可能透过水平基因转移，把基因结合到宿主的基因体中。

这个实验难以停止，直到今日仍是。我们细胞核的基因体里，就塞满了数千段线粒体DNA，简称叫做 numts（nuclear mitochondrial sequences，意思就是核内线粒体序列）。它们就是透过这种机制，跑到细胞核中的。新的 numts 偶尔会出现，而当它们无意间破坏了某个基因，导致遗传疾病时，就会引起我们的注意。在真核生物诞生之初，那时候还没有细胞核，这类基因转移必定更为普遍。如果真的有某个专门的机制，可以引导移动式内含子，插入基因体中某些特定位置，避开其他位置上，那么情况很可能会更糟。因为一般来说，细菌的内含子已经适应了细菌宿主，而古菌的内含子也很适应古菌宿主。但是在古早的真核生物体内，细菌内含子所入侵的，是古菌的基因体，这里的序列跟细菌的完全不同。既然没有任何适应性限制，自然也就无法阻止内含子失控似的繁殖。这样的结果，很可能会导致种种群灭绝。最后就算有幸存者留下来，大概也是一小群基因不稳定、病恹恹的细胞。

第二种解释，则是天择并没有积极地限制内含子大量繁殖。一部分原因正是因为，一小撮病恹恹的细胞，竞争力无法跟一大群健康的细菌相比。同时最早的真核生物细胞，对内含子入侵，应该也有前所未见的耐受力才对，毕竟，这些内含子都来自内共生者，也就是未来的线粒体。内共生者虽会带来基因上的成本，却也是能量上的优势。对细菌而言，内含子纯粹是个负担，是因为内含子会带来能量以及遗传上面的双重负担。上一章我们讲过了，体积小、DNA少的细菌，会繁殖得比那些体积大、又带了超出所需DNA的细菌快很多；因此，细菌都会把自己的基因体，精简到刚好能存活的最小程度。相反地，真核生物在基因上面，则表现出一种极端的不对称性：它们可以自由地大量扩充细胞核内的基因体，正是因为内共生者基因体缩水之故。宿主细胞其实并没有打算扩充基因体，会扩充的原因，纯粹只是因为即使它们加大基因体，也不会受到跟细菌一样的天择惩罚而已。既然处罚很少，那么真核生物就这样慢慢地透过各种基因复制与重组，多累积了数千个基因；同时也可以忍受更多的基因寄生虫。这两个结果是一起发生的。真核生物的基因体，塞满了大量的内含子，这是因为从能量的观点来看，它塞得下。

因此，第一颗真核细胞，受到了自己内共生者发动的「基因寄生虫」大轰炸。讽刺的是，这些基因寄生虫，一开始其实没有带来太多问题；反而是它们衰退、死亡之后才产生问题。因为它们把自己的残骸，也就是内含子，像倒垃圾一样塞满基因体。这时候，宿主细胞不得不把它们切掉，不然就会解读它们，而做出无意义的蛋白质。如前所述，剪接体就是专门负责这项工作的，它来自移动式内含子的RNA剪刀。不过呢，就算剪接体这部奈米机器功能再强，也只能解决一部分问题，因为它的速度很慢。今日的剪接体，即使在经过快二十亿年演化的改良，要剪下一段内含子，还是要花好几分钟的时间。偏偏核糖体的速率又快得吓人，它每秒钟就可以处理十个胺基酸。一般来说，要做出一个细菌的蛋白质（约两百五十个胺基酸）只需要半分钟。另外，剪接体要碰到RNA也不是件易事，因为一段RNA的表面，常常夹了好几个核糖体。所以就算剪接体可以接触到RNA，它也来不及阻止核糖体去生产大量无用的蛋白质，因为没时间把内含子剪下来。

那么，细胞如何防止这样的灾难发生？根据马丁和库宁的看法，细胞就在整个处理程序中，加了一道障碍。细胞核的核膜就是这道障碍，可以把转录跟转译的过程分开：在细胞核里，基因被转录成RNA编码指令；在细胞核外面，核糖体则会读取RNA，然后转译成蛋白质。缓慢的剪接过程，一定要在核糖体有机会碰到RNA以前，就在细胞核内完全处理完。这就是细胞核最重要的功能，就是把核糖体挡在外面。这就是为何真核生物需要细胞核，而原核生物完全不需要：因为原核生物根本没有内含子的问题。

「等一等！核膜不会凭空出现，它至少需要好几代的时间才能演化出来，在那之前，为何真核生物还没有灭绝呢？」你也许会这样问。这个嘛，我相信许多真核生物细胞应该已经牺牲了。不过事实上，演化出核膜，也许没有想像中困难。核膜的出现，有赖于另外一件稀奇的事情，而这又跟细胞膜有关。虽然从遗传学上的分析，我们知道真核生物来自一个货真价实的古菌，因此在很久以前，细胞膜里面一定有古菌的脂质，但是今日的真核生物所有的，却是细菌的脂质。若把这件事一并考虑进来，在真核生物演化之初，它们一定为了某种原因，把古菌的细胞膜置换成细菌的细胞膜。为什么？

这个问题有两个面向值得讨论。首先是关于可行性的问题：这有可能发生吗？答案是肯定的。从实验室里面的结果可以知道，混合了细菌跟古菌脂质的镶嵌式细胞膜，其实是很稳定的。所以，古菌的细胞膜，确实有可能被慢慢地替换成细菌的细胞膜。但是，置换细胞膜组成，虽然不是不可能，却仍是罕见的事情。这就带我们进入第二件值得讨论的面向：哪一种罕见的演化力量，有可能驱使这种改变呢？答案就是：内共生作用。

在古早时，当内共生者将DNA，大量传入宿主细胞的时候，必定也送入了合成细菌脂质的基因。我们可以假设制作这些脂质的酶，都被合成出来且有活性。它们一被合成出来，就马上开始制作细菌的脂质。当然，在刚开始时，这过程很可能不受任何控制。随机合成脂质，会发生什么事呢？如果是在水中的话，它们很快就会自己形成脂质小泡。英国新堡大学的微生物学家埃灵顿（Jeffery Errington），就曾经做实验证明，在活细胞体内确实会如此：如果利用遗传工程加快细菌合成脂质的速率的话，就会造成内膜堆积。这些内膜，会留在它们的诞生地附近，因此会围绕在细菌基因体附近，形成许多脂质「小袋子」。就像是流浪汉在缺乏物资时，也只好先拿塑胶袋来御寒一样，一堆脂质小袋子，也可以在DNA跟核糖体之间，临时拼凑成一道的栅栏，稍微减轻内含子带来的麻烦。事实上，这道栅栏必须要有缺陷。完全密封的膜，反而会让RNA无法被送出去跟核糖体碰头。有洞的栅栏只会减缓出口的速率，让剪接体有多一点时间，在核糖体开始工作之前把内含子剪掉。换言之，这是一个随机出现（但却是可预测的）的起点，让天择可以把解决之道筛选出来；它始于一堆围绕在基因体周围的脂质小袋子，终于一层盖满复杂核孔的核膜。

从核膜的型态来看，跟这个假设还满吻合的。脂质小袋子就跟塑胶袋一样，都可以被压扁。从横断面来看，一个压扁塑胶袋就像是两片紧贴而平行的膜，这就是双层膜构造。而核膜也是这样的构造：它是一堆压扁的小泡互相黏合在一起，而核孔复合体半隐半现的藏在缝隙间。在细胞分裂的时候，核膜会自动散开还原成好多小囊泡，细胞分裂之后，小囊泡又再融合在一起，形成两个子细胞的核膜。

负责细胞核结构的基因，排列模式也跟这个假设吻合。如果细胞核是在取得线粒体之前就演化出来的话，那么负责细胞核每个零件的基因（包括核孔、核蛋白片层、核仁等等），都应该是由宿主细胞的基因，全权负责编码才对。但是事实并非如此。这些蛋白质全都是混杂了不同来源的嵌合体，一些蛋白质由细菌基因负责编码，少数由古菌基因编码，其他的基因呢，只有真核生物才有。除非说细胞核是在取得线粒体之后才演化出，然后是肇因于那次失控的基因转移，不然我们根本无法解释这种模式。一般常说，在真核生物演化的过程中，内共生者变形程度，大到几乎看不出原来的模样（但尚不致于无法辨认），最后变成线粒体。不过很少人注意到，其实宿主细胞的变形程度更大。宿主细胞一开始只是一只简单的古菌，得到了一些内共生者。这些内共生者开始用DNA跟内含子轰炸无辜的宿主，促使细胞核开始演化。不只是细胞核，有性生殖也一起演化出来了。

性的起源

真核生物演化的过程中，有性生殖出现得非常早。我之前也曾暗示过，性的起源，或许跟内含子大举入侵有关。为什么呢？让我们先大致介绍一下等会儿要深入解释的事情。

真正的有性生殖，也就是真核生物的生殖手段，涉及到两个配子（对人类来说，就是精子跟卵子）互相结合。这两个配子，都只带有半套染色体。大多数的多细胞真核生物，包含你跟我，都是所谓的「双倍体」（diploid）。双倍体的意思就是说，我们每个人体内，所有的基因都有两套，一套来自父亲，一套来自母亲，它们就是所谓的「姊妹染色体」（sister chromosomes）。随处可见的染色体图像（译注：上下两根粗短的棒子头尾相接），常常赋予一般人一种误解，误以为染色体的结构不会改变。但是事实完全不是这样。在形成配子的过程中，姊妹染色体会进行重组，染色体的一小部分，会跟另一条染色体的一小部分结合，结果造成前所未见的基因组合。如果你顺着这条新重组好的染色体，一个基因接着一个基因走下来，你会发现其中一些基因来自父亲，另一些则来自母亲。接下来，透过「减数分裂」（meiosis，字面上的意思就是减少数量式的细胞分裂）的步骤，会形成单倍体（haploid）的配子。这样，每一个配子就只含一套染色体。两个单倍体的配子，每一个都带着一套重组好的染色体，最后又会结合在一起成为受精卵。它将来会发育成你的小孩，是一个新的个体，带有独一无二的基因组合。

伴随有性生殖的发现，问题不在于许多崭新的机制必须先演化出来。基因重组的时候，两条姊妹染色体必须整齐地并排在一起。其中一条染色体的一小段，必须在交换点（cross-over point）的地方断开，然后完全转移到另一条染色体上；而另一条染色体也必须同样转移一段过来。其实，细菌在做水平基因转移的时候，也会出现这种把染色体整齐排列、基因重组的现象，不过这往往只是单方面进行：细菌只是修复受损的染色体，或是重新装备以前丢掉的基因而已。两种基因重组的分子机器，其实大同小异；有性生殖的特殊之处，在于重组的尺度，以及具有对等性。有性生殖的基因重组尺度，是在整套基因体之间做对等的交换；原核生物间就算有这种现象的话，恐怕也极为罕见。

有性生殖曾是二十世纪生物学难题中的「皇后」，不过现在我们已经渐渐明了它的优势（至少是跟完全无性生殖，也就是用克隆来繁殖的生物相比）。有性生殖可以打破原本牢不可破的基因组合，让天择可以「看见」个别基因，也能把我们的特质一个一个彰显出来。这有助于生物抵御寄生虫的侵袭、适应千变万化的环境，以及维持种种群中的歧异度。中世纪的石匠在雕刻时，就算是放在大教堂神龛这种隐密角落里的石像，他们也会把石像背面雕刻出来，因为无所不知的上帝，仍看得到这些地方。有性生殖也是一样，它让天择的全能之眼，得以一个基因一个基因，细细检视自己的成果。有性生殖带给我们一种「流动的」染色体（「fluid」chromosomes），以及随时变动的基因组合（精确地说，彼此配对的基因，叫做对偶基因 alleles）；这样让天择可以用前所未有的细致度去区分不同的个体。

想像一下，有一百个从来不曾重组过的基因，在一条染色体上排成一直线。对于这种组合，天择只能鉴别出整条染色体的适应能力。现在假设这些基因中，有几个非常重要，只要稍有突变就会导致个体死亡。在这种情况下，其他比较不重要的基因，如果发生突变的话，天择将完全看不见。轻微却有害的突变，很可能会因此在这些基因上，慢慢累积下来；因为留下这些基因的小弊，远远不及留下那几个关键基因的大利。长此以往，这整条染色体，以及生物个体的最适性，就会慢慢衰退。男人的Y染色体就是个血淋淋的例子。 Y染色体因为无法进行基因重组，因此上面的基因就渐渐退化；到最后只剩下几个关键的基因，被天择保存下来。如果基因再退化下去，整条染色体都可能会消失不见。有一种动物叫做高加索鼹形田鼠（Ellobius lutescens），就已经完全遗失它们的Y染色体。

如果天择的作用更积极一点，往正向选择，情况还可能会更糟。假设某一个重要的基因，出现了一个相当优秀的突变，优秀到让这个基因有办法横扫全种种群。继承这个基因的生物，将成为种种群中的主流，而这个基因，最终也将散布到「稳固」（fixation）的地步。所谓稳固的意思，就是说种群里面所有的个体，都有一份这个基因。但是因为现在天择只能「看见」整条染色体，所以这条染色体上其他九十九个基因，也会跟着在种种群中稳固下来，它们等于是搭了优秀基因的「便车」。这样会造成一个大灾难：假设这种种群中的每个基因，原本都有两三个多型性变异（两三个对偶基因），这本来可以让种种群里面这一百个基因，有一万到一百万种不等的对偶基因组合。但是在基因稳固之后，所有这些变异，都将被一扫而空，从此这一百个基因，在种群里面只会有一种组合，也就是跟刚刚那个「优秀到稳固」的基因，碰巧排在同一条染色体上的基因组合。这就是失去变异性的大灾难。上面举的一百个基因，还只是过度简化的例子。无性生殖的生物，常常有数千个基因，它们的变异性会在某一次「选择性剔除」（selective sweep）的过程中，全部消失殆尽。这样一来，「有效」种群的大小将严重萎缩，这让无性生殖的生物种群极易灭绝。这也就是为什么，大部分无性生殖、靠克隆繁殖的动物跟植物，常常在短短数百万年之内，就灭绝殆尽。

上述两个过程：累积轻微却有害的突变，以及「选择性剔除」造成变异性丧失，合在一起就是我们熟知的选择干扰（selective interference）。没有基因重组的话，天择针对少数特定基因所做的筛选，将会干扰它筛选其他基因的能力。有性生殖借着制造出带有「不同组合对偶基因」的染色体（又称为流动的染色体），可以让天择直接作用在每一个基因上面。这样一来，天择就如同上帝一般，将可以看见我们全部的罪与善，一个一个基因检视。这才是有性生殖最大的优点。

但是有性生殖的策略，也有许多严重的缺点，所以长久以来，它一直是演化生物学里面最重要的难题。比如说，有性生殖会重新打破在某些特殊环境中、被证明已经相当成功的对偶基因组合；虽然这些基因让我们上一辈得以繁衍兴盛，但是有性生殖却又会随机把它们置换成其他基因。每一代每一代，有性生殖都会随机打乱基因组合，因此永远也不可能重新复制一位像莫札特一样的天才。更糟糕的是，有性生殖的成本是「双倍的」。当细胞无性生殖繁殖（克隆）时，每分裂一次，可以产生两个子代细胞，每个又可以再制造两个子代细胞，一直这样下去。这种繁殖方式，整个种种群的数量会呈指数扩张。但是当有性生殖的细胞，制造了两个子代细胞后，这两个细胞必须先结合形成一个新的细胞，才能够再去分裂成两颗子代细胞。因此，无性生殖的种种群，每一代的数量都会增加一倍，但是有性生殖的种种群，却跟原来一样。此外，比起无性生殖只要自我复制即可，有性生殖还要先找到一个伴侣才行，这又添增了感情上（以及经济上）的成本。对雄性生物而言，也有其他的成本：自我复制的话，就不需要那些具攻击性、趾高气扬的雄性特征，像是犄角、羽毛扇尾或是势力范围等等。同时，无性生殖不但可以避免像是爱滋病或是梅毒之类的可怕性病，也能够阻挡那些在我们基因体里，塞满垃圾的基因无赖，像是病毒跟「跳跃基因」等等。

真正的谜题在于，只有真核生物才有性生活。你或许会想，或许在某些情况下，有性生殖的优势会超越无性生殖，然后在其他情况下则否。就某方面来说，确实如此。有些微生物可以靠无性生殖，复制个三十几代，然后偶尔纵欲一下，而这通常发生在有生存压力的情况下。但真核生物性生活普及的程度，却远远超过这种合理范围。很有可能真核生物的最后共祖，已经靠有性生殖繁殖，因此它所有的后代也就继承了性生活。此外，虽然许多微生物，早已放弃常规的有性生殖，但是却几乎没有哪一种生物，可以完全停止有性生殖而不灭绝的。完全放弃有性生殖的代价，看起来非常高。同样的推测，也适用在早期的真核生物身上。那些不靠有性生殖繁殖的细胞（或者据推测，尚未「演化出」有性生殖的细胞），恐怕早就已经全部灭绝了。

在此，水平基因转移又带给我们新的问题，因为水平基因转移跟有性生殖很像，都有基因重组，也都会产生「流动的染色体」。直到最近，细菌都一直被认为是靠殖株繁殖的最佳范例。它们的数目呈指数增加。如果完全没有限制的话，每三十分钟就繁殖一次的大肠菌，可以在三天以内，产生一个跟地球一样重的超大种种群。除此之外，大肠菌还会做很多其他的事。它们会四处传播自己的基因，也可以透过水平基因转移，把新的基因插入自己的基因体中，同时抛弃不想要的基因。带给你肠胃炎的细菌，可能有高达百分之三十的基因，跟你鼻子里面的「同种」细菌不一样。因此，细菌不但保有无性生殖快速及简单的优点，同时也享受着性生活的好处（流动的染色体）。但是细菌不会把两个细胞融合在一起，它们也没有两种性别，因此，又可以避开许多有性生殖的缺点。看起来，它们似乎同时兼顾了两个世界的优点。那么，为何最早的真核生物，在水平基因转移之外，还要再发展出有性生殖呢？

根据数学种种群遗传学的计算，生物学家奥托（Sarah P. Otto）跟巴顿（Nicholas H. Barton），提出了一个非关神圣的三位一体解释，而且很明显跟真核生物起源时的环境有关：当基因突变的机率很高、天择的压力很大，以及种种群中个体充满变异时，有性生殖的优势最明显。

首先我们考虑突变机率。对于无性生殖的生物而言，突变机率变高时，轻微有害的突变，就更容易累积在种种群中；此外在遇到「选择性剔除」时，种群的歧异度会渐渐消失。简而言之，选择干扰效应会增加。在早期内含子大入侵时，最早的真核生物必定有高突变率。虽然我们难以确知到底有多高，不过这可以用电脑模型来推估。我正跟波明安可夫斯基，以及博士班学生欧文（Jez Owen）一起研究这个问题。欧文原本的学术背景是物理学，但却对生命起源相关的大哉问很有兴趣。他正在发展一套电脑模型，来推估「有性生殖的优势，何时会超过水平基因转移？」。这里有第二个要考虑的因子，就是基因体大小。若是突变的机率维持不变（假设每一百亿个DNA碱基，才会出现一个致命的突变好了），基因体的大小就不可能无限制扩充，而不因突变造成衰退。在这种条件下，基因体小于一百亿个碱基的细胞，大致没什么问题，但是基因体大于这个数字的细胞，则会死亡，因为它们全部都会碰到至少一次致命的突变。在真核生物刚出现时，获得线粒体会让这两个问题更形恶化：这事件必定会增加基因体突变率，同时也会大幅将基因体尺寸，扩张到好几个数量级以上。

有性生殖很可能是这个问题唯一的解决之道。原则上，水平基因转移可以透过基因重组，避免「选择干扰」效应。不过根据欧文的计算，这样的效果有一定的限制。基因体愈大，水平基因转移愈难捞到「正确的」基因。这是个很单纯的数字问题。要确保一个基因体保有全部所需基因，而且全部都能正常运作，唯一的办法，就是好好保存它们，而且定期系统性地重组全基因体。水平基因转移办不到这点。只有有性生殖，也就是货真价实的「性」，才能够重组全部的基因体。

那么天择压力的影响呢？这里，内含子可能又再次扮演了重要的角色。对现代生物来说，有利于有性生殖的传统筛选条件，就是寄生虫感染与变化万千的环境。不过要让有性生殖优于无性生殖，选择压力必须非常大才行。比如说，寄生虫感染必须非常盛行，且严重削弱宿主健康。同样的条件对早期的真核生物，也有一样的影响。这些细胞必须好好应付内含子大入侵；而内含子，就是基因的寄生虫。移动式内含子之所以成为有性生殖演化的推手，是因为只有全基因体规模的重组，才会增加种种群变异性：它会让种群里形成一些「内含子插在有害位置上」的细胞，以及一些「插在较无害位置上」的细胞。接下来天择会消灭最糟糕的细胞。水平基因转移在这里所能造成的影响，只是零头，而且也无法产生全基因体规模的系统性差异。有性生殖才能把干净的基因放到某些细胞中；而把大量的突变（超过它们本来该有的），累积到另一些细胞中。英国生物学家瑞德利（Mark Ridley）在他的名着《孟德尔的魔鬼》中，用新约圣经中对「原罪」的看法来比喻有性生殖。他说：如同耶稣为了全人类的原罪而牺牲，有性生殖也可以把种种群中所有大小突变，累积集中到一只代罪羔羊身上，然后把它钉上十字架。

细胞之间的变异量，也跟内含子有关。细菌跟古菌通常都有环状的染色体，而真核生物则有棒状染色体。为什么会这样呢？最简单的答案就是，当内含子跳进跳出细胞基因体的时候，出了错。如果当它们离开一节染色体时，没有把缺口的两端连起来，那染色体就会断掉。环状的染色体断掉，就变成一条直线的染色体；如果断开很多地方，那就变成好几条直线染色体。因此，在真核生物演化早期，移动式的内含子在重组基因时发生错误，结果造成了数段棒状染色体。

对于早期的真核生物来说，这一定让它们在分裂的时候遇到大麻烦。不同细胞可能会有不同数量的染色体，每个染色体又都累积了不同的突变或缺失。当然它们也可能从线粒体那里获得许多新的基因。复制时出错，也可能就多做了一套染色体。在这种情况下，水平基因转移根本无能为力应付。标准的细菌基因重组：也就是跟染色体对齐，然后把缺少的基因装上去，这样的过程，让细菌倾向累积基因跟特征。但是只有有性生殖的过程，才能够一边累积有作用的基因，同时剔除坏掉的基因。这种透过有性生殖跟基因重组，来累积新基因的方式，让早期真核生物的基因体，很快地增大。这种累积基因的方式，应该多多少少帮细胞解决了一些基因不稳定的问题；同时线粒体所带来能量上的优势，又让真核生物不像细菌一样，需要受到能量的限制。这些当然都只是猜测而已，但是我们可以透过电脑数学模型去计算可能性。

细胞分裂时，如何分开每条染色体？这问题的答案，很可能跟细菌用来分开大型质体的机器有关。质体，是一组可移动的基因「卡匣」，它会让细菌表现某些特征，带有像是抗药性之类的基因。细菌分裂时，通常会用一种由微管组成的构造，把大型质体分开；这个构造，很像真核生物使用的纺锤体（spindle）。或许，早期的真核生物，就是征召了分离质体的小机器，用来分离它们那些乱七八糟的染色体。其实不只质体是这样分离的，有一些细菌，甚至会用机动性比较高的纺锤体，来分开染色体，而不像一般细菌用细胞膜来分开染色体。或许，在对原核生物的世界做更深入的研究跟采样后，我们对于真核生物在有丝分裂跟减数分裂时，拉开染色体机制的起源，会有更透彻的了解。

我们从没看过带有细胞壁的细菌融合过，但是有些古菌倒是真的会融合。丢掉细胞壁，对于细菌的融合来说，一定大有帮助；像是L型细菌，因为没有细胞壁，所以确实很容易融合在一起。此外，因为现代真核生物，对于细胞融合，设下许多控制系统，这暗示了在古早以前，要阻止真核细胞祖先融合在一起，可能反而还比较困难。杰出的美国演化生物学家布莱克史东（Neil B. Blackstone）认为，细胞融合可能是被线粒体推动的。想想看线粒体所面临的困境：身为内共生者，它们没有办法自由自在地离开宿主细胞，跑去感染其他细胞。所以，宿主细胞成功地生长，就等于它们在演化上的成功。如果宿主细胞，因为基因突变而裹足不前，变得发育不良，那线粒体也就惨了，因为它们也无法繁殖。但是，如果它们有办法引发宿主跟另一颗细胞融合呢？这就会成为双赢的局面。如此一来，宿主细胞就可以取得另一套互补的基因体，就可以重组基因；或者很简单地使用另一套基因体上的干净基因，把自己一模一样，但突变掉的坏基因遮蔽起来。这就是远亲繁殖（outbreeding）的好处。因为细胞融合让宿主细胞可以重新生长，线粒体也因此可以开始自我繁殖，因此早期的线粒体，甚至有可能会煽动有性生殖。不过呢，这个策略或许可以解决眼下的问题，但是很讽刺的，也会带来另一个更普遍的问题，那就是不同线粒体之间的竞争。而解决这个争端的办法，或许就是有性生殖的另一个特征：也就是两种性别的演化出现了。

两种性别

「凡是研究有性生殖、又实事求是的生物学家，都不会浪费时间去钻研诸如：『如果生物有三个或多个性别的话，会有什么后果？』这类的问题。但是如果不这样做，那他又要如何才能了解，为何生物的性别碰巧就只有两种呢？」这是演化遗传学教父费雪（Ronald A. Fisher），说过的一句话。而这个问题，至今仍未能解决。

其实从理论上来讲，两种性别应该是最糟糕的组合了。想想看，如果世界上只有一种性别，那我们就可以跟任何人配对。我们选择伴侣成功的机会，就增加了一倍，如此一来，万事都将简单多了。而如果我们真的需要超过一种性别的话，那么不管三种还是四种性别，应该都比两种要好。假设只能跟不同性别的人配对，那前两者至少可以跟种种群中三分之二或是四分之三的人配对，而不会被局限在只能跟一半的人配对。当然，配对还是要有两个人，但是，其实并没有什么明显的理由，规定另一个伴侣不能是同性的、多种性别的，甚或是雌雄同体的。说到雌雄同体，这种生物在执行上面所遇到的困难，或许点出了一部分问题，那就是雌雄同体的生物，任何一方都不愿意承担做「雌性」的代价。像扁虫，在交配的时候，会使尽全力让自己不被受精。它们会用阴茎做近距离肉搏战。胜者的精子，洒在败者撕裂的伤口上。这是活生生的大自然，但是作为论证的话，则是一个套套逻辑，因为它把雌性有比较高的生物代价这件事，视为理所当然。可是为何会如此呢？生物学上，雌性跟雄性的差别到底在哪里呢？其实这两者的差异极大，但是跟缺X或Y染色体，甚或是卵子跟精子，都一点关系也没有。即使是单细胞真核生物，也有两种性别（或至少两种交配型），像是某些藻类跟真菌。它们雌雄的配子非常的小，外观上看起来也几无差异，但其实它们差异之大，就像你我是不同人一样。

两种性别差异最大的地方之一，在于线粒体的继承。两种性别中，只有一种会把线粒体传给下一代，另一种则不会，不管是人类，还是单胞藻（Chlamydomonas）都一样。我们所有的线粒体都来自母亲，每一个卵子里面，都有约十万个线粒体。即使单胞藻所产生两种配子，长得几乎一模一样（我们称为同型配子，isogamete），也只有一个可以把线粒体传下去；另一个只能屈辱地让自己的线粒体，在细胞内被吃光光。正确地来说，其实是线粒体的DNA会被吃光，因此问题似乎来自线粒体的基因，而不是它的外表结构。所以现在情况变得很特别。如前所述，线粒体似乎会煽动有性生殖，但是结果却不是让自己在细胞间散布，反而是让一半的线粒体被吃掉。为什么会这样呢？

最有可能的解释，就是因为自私的线粒体彼此发生冲突。在基因完全一样的细胞之间，没有竞争可言。这就是为何我们身体的细胞可以如此温驯，它们可以紧密合作，建造我们的身体。每个人的细胞，基因组成都一模一样，所以可以称为一团巨大的克隆（clone）。基因不同的细胞，就会彼此互相竞争，所以突变的细胞（基因改变了）就会变成癌细胞；线粒体也是一样，基因不同的线粒体，如果混在同一颗细胞里面的话，就会产生竞争。不管是细胞或是线粒体，繁殖最快的会占优势，即使后果是造成宿主的死亡，它们也不管；这就像是线粒体的癌症。会这样发展，是因为细胞都是各凭本事自我复制的个体，而如果可以的话，它们随时都想生长跟分裂。法国的诺贝尔奖得主贾柯（François Jacob）曾说过：每一个细胞的梦想，都是变成两颗细胞。让人惊讶的，并不是它们随时都在分裂，而是它们竟然可以被限制这么久，久到足够形成人体。所以，把两群不同的线粒体混在同一个细胞里，根本是自找麻烦。

几十年以前，就有人提出这样的假设了，其中还不乏许多最伟大的演化生物学家，像是汉米尔顿（William D. Hamilton），也支持这样的论点。但是这个论点也遭到许多挑战。首先，在某些例外中，线粒体确实会被混在一起，而结果并非总是以悲剧收场。再者，还有实际上的问题。假设有一个线粒体发生突变，获得了生长上的优势，这个突变者就会长得比其他线粒体都快。后果呢？要嘛这个突变是致命的，那线粒体就会带着宿主细胞一起死亡，要嘛不那么致命，这个突变者就会散布到全种种群。如果想要从基因上面，去阻止这个突变线粒体的传播（比如细胞核里的基因发生改变，可以阻止线粒体混合），那这种改变最好早点出现，才能在突变线粒体散布时阻止它们。如果碰巧所需的基因没有即时出现，那就惨了。一旦突变者已经在种群中散布到稳固的地步，那不管做什么都来不及了。但是演化是盲目而且没有先见之明的，它无法预见下一次线粒体突变，何时会出现。此外还有第三点，让我怀疑或许快速生长的线粒体，并没有那么糟。线粒体所保存的基因，实在是少之又少，为何会如此呢？我们有许许多多的解释，其中之一，就是为了要让线粒体可以快速生长。这意思也就是说，在历史上，应该已经出现过好几次突变，加速线粒体复制的速度。但是它们并没有在有性生殖的演化中被剔除。

因为这些原因，所以我在上一本书中，提出了一些新的论点：或许真正的原因，在于线粒体基因，必须要适应细胞核的基因。在下一章中，我会谈的比较详细；在这里，我们只要先记住一点就好：要让呼吸作用运作顺畅，线粒体里的基因跟细胞核里的基因，必须密切合作。这两个基因体，任何一个发生突变的话，都会影响到细胞的适应性。所以我认为，线粒体的单亲遗传，也就是说只有一种性别可以把线粒体传下去的原因，就是为了要改善这两个基因体之间的「互相适应」（coadaptation）。虽然我觉得这个假设非常合理，不过如果没有优秀的数学家哈吉瓦西露参与的话，这故事可能就会停在这里。哈吉瓦西露是我跟波明安可夫斯基共同指导的博士班学生，除了对数学以外，她对生物学也愈来愈感兴趣。

哈吉瓦西露的研究指出，单亲遗传确实可以让线粒体与细胞核两个基因体，互相适应得更好。原理其实很简单，跟抽样的效应有关，而最终的结果则是增加种群里的变异性。我来说明一下：假设我们有一个细胞，里面有一百个线粒体，每个线粒体的基因都不太一样。现在从里面抽样出一个线粒体，把它送进另一个空白的细胞里面，让它自我复制一百次。现在这个新的细胞里，有一百个线粒体，除了少数的突变以外，其他的都一模一样。这些线粒体都是所谓的「克隆」。现在重复这制个步骤，直到把一百个线粒体，都分别送进一百个新细胞为止。现在这一百个新细胞里，都有不同的线粒体，有一些很优秀，有一些很糟，这样就增加了细胞之间的歧异度（variance）。反过来讲，如果我们只是把原来的细胞复制一百次，那结果就是，每一个子细胞，都跟母细胞有一样的混合线粒体。在天择的眼中，这些细胞根本一模一样，看不出有什么差异。但是借着抽样跟克隆，我们却可以产生一群不同的细胞，其中有些比母细胞好，有些比较差。

这个例子当然比较极端，不过却很能显示单亲遗传的特色。单亲遗传只会从双亲其中之一，抽样出一些线粒体，放入受精卵中，这样就可以增加线粒体的多样性。天择可以辨识出这样的差异，然后剔除比较不适合的细胞，留下适合的细胞。如此一来，种群的适应性才能够一代又一代改进。有趣的是，这种机制的原理与好处，跟有性生殖本身一模一样，只不过有性生殖增加的是核基因的歧异度，而两种性别，则可以增加不同细胞间线粒体的歧异度。就是这么简单。至少我们本来是这样觉得。

到目前为止，我们的研究，还是直接去比对，在「有」跟「没有」单亲遗传的情况下，适应性的差别。我们还没有考虑过，在一个原本是双亲遗传（也就是两个配子都会把线粒体传给下一代）的种群中，如果出现了一个造成单亲遗传的基因时，会怎么样？这个基因，会传播开来到稳固的地步吗？如果会的话，那么我们就会演化出两种性别；其中一种性别，会把线粒体传给下一代，而另一种性别的线粒体，则会被杀死。为此，我们发展了一套的数学模型，去验证这个可能性。我们比较了根据互相适应假设、根据自私线粒体冲突假设，以及单纯地累积突变线粒体等三种假设中，这个基因传播的效果。结果颇让我们惊讶，至少一开始结果相当让人失望。单亲遗传的基因，不太会在种群里传播开来，更不可能达到稳固的地步。

问题在于，维持种群适应性所要付出的代价，跟突变线粒体的数目有关。愈多线粒体突变的话，代价就愈高。但是反过来说，单亲遗传的好处，也跟突变线粒体的数量有关，但是趋势相反：突变线粒体愈少，就愈显不出好处。换句话说，单亲遗传的好处与成本，并非固定，而是随着种种群中突变线粒体的数量而改变，同时只消经过几轮单亲遗传，好处就会被抵消。我们发现虽然在三个模型里面，单亲遗传都会增加整个种群的适应性，但是随着单亲遗传的基因在种群里散布开来，它的好处却渐渐降低，直到被缺点抵消为止。最主要的缺点，就是单亲遗传的细胞，在种群里面能配对的对象比较少。当单亲遗传的细胞在种群中，只增加到百分之二十左右时，优缺点就会达到平衡。线粒体突变的速率变高的话，可以把这个比例往上推到百分之五十左右，但是种群中另一半细胞，仍然可以继续彼此配对。要说有什么影响的话，那就是会演化出三种性别。总之，光靠线粒体遗传，无法让生物演化出两种交配型。所以虽然单亲遗传可以增加配子之间的歧异度，改善种群适应性，但是光靠它带来的好处，并不足以推动种种群演化出两种交配型。因为这等于是直接否定了我自己的假设，实在让人难以接受。所以后来我们又继续尝试了各种想得到的条件，想要证明假设的正确性。但是最终我却不得不承认，不管在哪一种情况下，单亲遗传的突变，都无法促使生物演化出两种交配型。交配型一定是因为别的原因而演化出来的。不论如何，单亲遗传确实普遍存在于生物界。或许正是因为我们的模型有错，所以无法解释它为何出现。事实上，我们发现，如果生物的两种交配型，事先已经存在的话，那么在某些条件下，单亲遗传的基因就会在种群中稳固下来。这些条件就是：细胞有大量的线粒体，而线粒体基因的突变速率很高。这样的结论似乎无可辩驳，而且这个解释也跟大自然中「非单亲遗传」的例外生物吻合，同时关于为何几乎所有多细胞生物（包括像我们这样的动物），线粒体都是靠单亲遗传这种现象，也说得通，因为这些生物正好都带有大量线粒体，又有高突变速率。

这是一个很好的例子，让我们了解，数学种群遗传学的重要性：任何科学假设，不论是用什么方法，都必须受到检验。在我们刚刚举的例子里，根据严格的模型计算后清楚地显示，除非种群里面已经先有两种交配型存在，否则单亲遗传将无法稳固地在种群中立足。这应该是我们所能得到最严谨的证明了。不过我们也不是全盘皆输。关于「交配型」跟「真正性别」（也就是雌性与雄性个体长相完全不同）两者之间的差异，一直让人摸不着头绪。许多植物跟藻类，也同时有交配型跟两性。或许，我们对于「性别」的定义有误；或许应该考虑的，是「真正性别」的演化，而不是两种外形一模一样的「交配型」的演化。单亲遗传，是促成动物与植物出现「真正性别」的演化推手吗？如果是这样的话，那就算交配型的出现，是基于其他原因，但是线粒体遗传，仍有可能推动「真正性别」的演化。老实说，这个想法听起来很薄弱，不过仍值得检视一番。这整个推理过程并没有带给我们一个很有启发性的答案。这正是因为我们并不是从比较一般的前提开始研究。我们应该先假设单亲遗传是个普遍存在的现象。相反的，我们却从先前研究中，令人失望的结论开始推论。

不朽的生殖细胞，难免一死的肉体

动物有非常非常多的线粒体，我们日夜不停地使用它们所提供的能量，来支持激烈的生活方式，这也导致我们的线粒体有极高的突变率，对吗？其实，对也不对。我们每一个细胞，都有数百到数千个线粒体。我们并不确知它们的突变速率（要直接测量，可是非常困难的事）；但是我们知道，在经过很多代之后，我们线粒体的基因演变的速率，要比细胞核里的基因，快了十到五十倍。这结果显示了，单亲遗传在动物身上，应该很快就会达到稳固的程度。根据我们的模型计算，单亲遗传在多细胞生物中，比在单细胞生物种种群中，要快稳固下来。这些都不让人意外。

但是若只思考到我们自己，我们很容易被误导。最早出现的动物，其实应该跟我们不一样：它们应该比较像海绵或是珊瑚，多半固着在一个定点，靠着滤食过活，而不会四处移动；至少，在它们成虫的型态时不会。这样一来，它们没有太多线粒体，也就不让人惊讶。它们线粒体的突变速率也很低，甚至，只会跟细胞核基因的突变速率一样或更低而已。这些前提，就是另一个天才洋溢的博士班学生拉德齐维拉维修的研究起点。他原本也专攻物理，现在却被生物学界的大哉问所吸引。他认为，过去最有趣的问题是物理，现在则是生物。

拉德齐维拉维修认为，多细胞生物体内的细胞分裂，其实跟单亲遗传有相同的效果，它们都会增加细胞之间的歧异度。怎么说呢？是这样的：细胞每分裂一轮，就会随机把线粒体分配给两个子细胞。如果这些线粒体里面有少数突变了，那要完全平均分配突变线粒体的机率，微乎其微。比较实际的情况，应该是其中一颗子细胞，会得到比较多的突变线粒体。这样多几轮细胞分裂之后，细胞之间的差异就会增大。某几颗曾曾曾孙细胞，会比其他细胞累积较多的突变线粒体。至于这件事情是好是坏，则要看是哪一颗细胞收到了坏掉的线粒体，还有收到了多少个。

以海绵这种动物为例，它们全身每个细胞都很相似，并没有像大脑或是小肠这类非常特化的组织。如果你把一只活生生的海绵切成小块（可别在家里尝试呦），它们可以从这些碎片中自我再生。海绵有这样的能力，是因为它们的干细胞几乎到处都是。这些干细胞，可以发育成新的生殖细胞（germ cell）跟体细胞（somatic cell）。从这个角度来看，海绵跟植物无异。他们两者都不会在发育之初，就先把特化的生殖细胞藏匿起来。相反地，它们会使用散布在许多组织中的干细胞，分化成为配子细胞。这两种发育方式的差异非常关键。我们人类在胚胎发育之初，就已经预留了一部分细胞当作生殖细胞之用。一般来说，哺乳类动物肝脏中的干细胞，绝对不可能分化成生殖细胞。但是海绵、珊瑚以及植物却不一样，它们可以从许多地方长出新的生殖器官，然后制造新的配子细胞。许多科学家试图去解释这种差异，不过都是从细胞之间的竞争关系出发去思考。拉德齐维拉维修却发现，这些生物都有一个共同点，那就是它们细胞里的线粒体数量都很少，同时突变速率也很低。假使有线粒体突变了，通常也可以借着细胞分裂（segregation）把它们剔除。它的运作过程如下。

还记得刚刚说过，细胞分裂数次之后，会渐渐增加种种群的歧异度吗？同样的原则也适用于生殖细胞身上。如果生殖细胞在胚胎发育之初，就被藏匿起来，那么它们彼此之间的差异不会太大，因为只有仅仅数次细胞分裂，并不会增加太多歧异度。但是如果从成体的组织中，随机选择细胞来做生殖细胞的话，那么它们之间的差异就会大很多。因为细胞分裂的次数多了，其中某些生殖细胞，就会累积比其他细胞更多一点突变，它们之间的差异会很大；有一些细胞可能趋近完美，有一些细胞可能一片混乱。这正是天择作用所需要的：它可以消灭所有不好的细胞，让完美的细胞存活下来。这样一代又一代之后，生殖细胞的品质会愈来愈好。所以从成体组织里面选择生殖细胞的策略，要比一开始就把它们藏起来、让它们冻起来的策略要好。所以，增加歧异度对生殖细胞来说是有利的，但是，这样却有害于成体的健康。因为坏的生殖细胞会被天择消灭，留下好的去播种。但是，坏的干细胞呢？坏的干细胞则会发育成有缺陷的组织，结果无法应付个体所需。要知道生物个体的适应性，相关连于器官的适应性。举例来说，如果我得了致命的心脏病，那肾脏功能的好坏，就变得无关紧要了；因为全身健康的器官，都会随着我的死亡而死亡。因此，增加线粒体的歧异度，有好处也有坏处。为生殖细胞带来的好处，可能会被为全身带来的坏处抵消。抵消的程度，端视组织的数量，还有突变速率而定。

一个生物的成体有愈多组织的话，就愈有可能在某些关键组织里，累积到最坏的线粒体。相反的，如果这生物只有一种组织，那问题就不存在，因为这样生物的组织之间就没有依赖性：不会有哪个关键器官的衰竭，危及到整个个体的生存。因此，对那些只有一种组织的简单生物来说，增加歧异度只有好处：它对生殖细胞有好处，同时对个体又没有特别的坏处。我们因此可以预测，最早的生物，因为多半只有很少不同的组织，同时线粒体的突变率也低（假设如此），所以线粒体应该靠双亲遗传，生殖细胞也没有被特别隔离开来。但是当早期的生物渐渐变得复杂，各种组织分化出来之后，全身细胞的歧异度也就增加了。因为好坏都可能有，对成体整体的适应性来说，就变成一场大灾难，如同刚刚举心脏病那样的例子。为了要能增加整体的适应性，个体线粒体的变异性必须减少，以确保所有新生的组织都拥有相似，且大部分都是运作良好的线粒体。

要降低成体组织变异性最简单的办法，就是从一开始就让卵子里面有比较多的线粒体。根据统计原理，如果创始种群的体积庞大，被分割给好几个接受者时，每个接受者所分到的差异就会比较小；而如果创始种群很小，靠不断自我复制然后再分配一样数目给接受者时，每个接受者所分到的差异，就会很大。结果就是，增加卵细胞的体积，放入愈多的线粒体，会愈有好处。根据我们的计算，负责让卵细胞变大的基因，会在简单的多细胞生物种群里面快速散播，因为它可以降低成体组织之间的歧异度，解决任何组织功能上可能出现的灾难。但是就另一方面来说，低歧异度对于配子没有好处，因为这样彼此之间就大同小异，在天择作用下的「能见度」也比较低。生物要如何协调这两种完全相反的倾向呢？很简单，只需要两个配子其中之一，也就是卵细胞增大体积，而另一个缩小体积变成精子，就可以一次解决所有问题。大体积的卵细胞，降低了组织之间的差异性，因而可以增加个体整体的适应性。而把线粒体从小体积的精子里面排除，就达成了单亲遗传，其结果就是双亲只有一方能够把线粒体传下去。我们之前已经解释过，线粒体的单亲遗传可以增加不同配子之间的差异，因此可以提高它们的适应性。换句话说，有超过一个组织以上的生物，就会倾向发展出异配结合（外形不同的配子，像精子跟卵子）与单亲遗传两种特征。

我要再强调一次，前面所讲的这些现象，前提都是线粒体的突变率很低。虽然对于海绵、珊瑚跟植物来说，这个前提是真的，但是对于比较「高等的」动物来说，却不是如此。如果线粒体突变率增高，又会发生什么事呢？延迟制造生殖细胞所带来的好处，就消失了。根据我们的模型显示，这时候线粒体突变会快速累积，结果最后配子里面就塞满了各种突变线粒体。如同遗传学家克劳（James F. Crow）说的，「对整个种群的健康造成最大伤害的突变，莫过于来自还有繁殖力的老男人」。幸好我们有单亲遗传，结果让男人的线粒体完全不会传给下一代。在突变速率很快的情况下，我们发现能把生殖细胞隔离起来的基因，会很快地在种群中散播开来：在发育早期就将生殖细胞隔离开来，让卵子的时间冻结，有助于降低线粒体累积的突变。任何可以降低生殖细胞突变的适应行为，应该也会深受天择青睐。事实上，我的同事艾伦就发现，雌性动物生殖细胞里面的线粒体，根本像是被关掉了一样。当卵巢在胚胎时期发育的时候，就已经把线粒体藏在初级卵细胞（primordial egg cell）里面，连同细胞一起被隔离开来。艾伦一直主张，卵细胞里面的线粒体，就是遗传「模板」，所以才会被保存在不活化的状态下，这样突变率比较低。根据我们的模型，这个看法，相当吻合现代生活步调快速的动物，因为它们有大量的线粒体以及高突变率。但是对于生活步调比较缓慢的祖先，或是其他生物像是植物、藻类以及原生生物来说，就不是这么一回事了。

所有这些发现的意义是什么呢？这些发现的意义就是，光是线粒体的歧异度一件事，就足以解释在多细胞生物身上出现的异配结合（精细胞跟卵细胞）、单亲遗传，以及隔离的生殖细胞（雌性生殖细胞会在发育早期，就被隔离起来）等特征的演化问题，而它们正是雌雄两性生物，在性别上差异最大的地方。换句话说，线粒体的遗传问题，造成了生物两种性别实质上最大的差异。不同细胞的线粒体之间自私的冲突，当然也有一些影响，不过这影响可有可无：生物之所以演化出生殖细胞／体细胞两种截然不同的细胞，并不需要考虑到线粒体的自私冲突，也可以解释。更重要的是，根据模型所推算出来的演化顺序，并不是我一开始所预估的。我原本猜测，线粒体单亲遗传，应该是最远古的特征；之后才演化出隔离的生殖细胞；最后精子细胞与卵子细胞，才伴随着「真正性别」一起演化出来。但是，我们的模型却显示，最早祖先的线粒体原本是靠双亲遗传，之后出现了异配结合（精细胞与卵细胞出现），然后才有了单亲遗传，最后才有隔离的生殖细胞。这个真的是正确的演化顺序吗？其实不管哪一个，我们手上的资讯都少得可怜。但是这是非常明确，而且可以被验证的预测，我们很想去检验一下。首先可以先检视的生物是海绵跟珊瑚。它们都有精子跟卵子，但是并没有被隔离开来的生殖细胞。如果我们特别筛选出线粒体突变速率高的个体，那它们会开始隔离生殖细胞吗？

让我们总结，以及一些引申推测。为什么线粒体的突变率会变高呢？当生物变得比较活跃，它的细胞跟蛋白质的生命周期，也会跟着加速，这时就可能有影响。发生在寒武纪大爆发前夕的海洋氧化事件，有利于演化出活跃的两侧对称动物，它们的高机动性，就可能造成线粒体的突变速率加快（这可以透过谱系发生学的测量来比较）。这样一来，会迫使这些动物隔离出一些细胞，作为生殖细胞之用。这就是「不朽的生殖细胞」，与「难免一死的体细胞」，在演化上的分歧点，同时也是死亡的起源：生物从此演化出注定死亡的命运。生殖细胞不朽的意义，在于这些细胞可以永远无限制的分裂下去，它们永远也不会老死。每一代生物在发育之初，就会先预藏一部分生殖细胞，隔离起来作为下一代的种子。个别的配子细胞有可能受损，但是每一代的个体，都是以稚龄婴儿的型态诞生出来，在意义上，等于生殖细胞一直维持了永生不朽的潜力，就像海绵那类生物，可以从一小块组织中，重新发育出个体。一旦这些特化的生殖细胞被藏起来后，身体的其他部分，就可以为了其他特殊用途而特化；它们的发育，将不再因为要在组织中保存干细胞，而受到限制。结果就会出现永远无法自我再生的组织，像大脑，它们就是可丢弃的体细胞。这些组织都有使用年限，可以用多久，端视这个生物需要多少时间产生下一代。这又要看生物需要多快才能达到性成熟，也就是发育速度，以及原本所预期的生命周期。这样一来，在性与死亡之间，就产生了平衡，这也是老化的起源。在下一章，我们会再谈得详细一点。

在这一章里面，我们探索了线粒体对于真核生物的影响，其中有一些影响至为深远。还记得本书最重要的问题吗？为何所有的真核生物，都演化出一系列从未在细菌跟古菌身上见过的共同特征呢？在上一章中，我们介绍了原核生物如何受限于它们的结构，特别是缺少用来控制呼吸作用的基因。获得线粒体这件事，彻底改变了真核生物的演化世界，让它们的体积跟基因体大小，都可以扩张四到五个数量级。扣下这次事件扳机的，是两个原核生物之间的内共生作用；这件事情罕见至极，影响至为深远，但是又可以预测。影响深远的原因，是因为缺少细胞核保护的细胞，从此成为DNA以及基因寄生虫（内含子），一连串攻击的目标，这些都是内共生者带进来的。可预测的原因，是因为宿主细胞每一阶段的反应：从细胞核的演化、有性生殖、两种性别，以及生殖细胞的演化，都可以透过传统的演化遗传学理解，虽然，切入的角度并不传统。在这一章中所提出的某些论点，或许之后会被证明是错误的，一如我对于两性演化的假设。不过在这个例子中，当我们对两性的演化，有了更深入的了解之后，才发现它背后的意义，远比我当初想像的要丰富得多，它其实与生殖细胞／体细胞的分化有关，因此也是性与死亡演化的源头。透过逻辑思考以及严谨的模型，去了解生命演化，既美妙又有可预测性。生命在其他地方，应该也是遵循着类似的脚步演化，由简而繁。

这个版本的生命史，整整四十亿年的历史，把线粒体放在真核生物演化的核心位置。最近几年，医学研究也渐渐提出相同的观点：我们现在知道，线粒体是控制细胞死亡（细胞凋亡）、癌症、退化性疾病、生殖，还有控制许许多多其他方面的机器。我这种把线粒体放在生理学核心的主张，可能会让许多医学研究者不满，他们大概会觉得，这种看法缺少全面而平衡的视野。随便把任何一颗人类细胞放在显微镜下，你都可以看到一群忙碌的小工厂，而线粒体诚然重要，也只是其中之一而已。但是演化不是这样看事情的。对于演化而言，线粒体的地位就是复杂生命的起源。所有真核生物的特征，也就是说所有的细胞生理学，都源自于这一对细胞伴侣之间持续不断的拔河。这场拔河直到今日还继续着。在本书的最后，我们要来看看，这对细胞伴侣之间的互动，如何巩固我们的健康、繁殖力，以及长寿。

2024-07-06 16:50:14