![]() |
相關閱讀 |
![]() |
>>> 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
稱謂:
内容: