第一章：最深的进化断层

细菌与真核细胞之间的空白比生物学中其他任何地方的都大。即使我们勉强将细菌菌落接受为真正的多细胞生物，它们也从不能达到组织的最低水平。这几乎肯定不是因为缺乏时间或者机遇——细菌统治了这个世界20亿年，它们在所有你可以想象到的，甚至你所不能想象到的环境中都繁衍生息。而且，如果以生物量计算，它们仍然比所有多细胞生物的生物量加起来还要多。可是，因为某些原因，细菌从没有进化成一个人们可以在大街上认出的那种多细胞生命体。相反，真核细胞出现的晚得多（主流观点），在几亿年的时间里——仅仅是细菌存在时间的一小段——就形成了周围我们所能看到的宏大生命井喷。

诺贝尔奖得主克里斯汀.德.迪夫一直对生命的起源感兴趣。他在一本睿智的遗著《生命进化》中暗示，与其说真核生物的起源是一个巧合，不如说它应该是一个瓶颈——也就是说，它们的进化几乎是自然环境中一系列必然发生的相对突然变化——例如大气和海洋中氧气含量的突然增加——的必然结果。在那时的所有原真核生命群体中，一种生命形式仅仅因为碰巧适应了这些变化，从而快速繁衍突破了瓶颈，并获得了对这种变化环境的优势：它开始繁荣起来，而其他不能很好适应的生命形式灭绝了，这给我们造成了一种错误的印象，即这一事件是随机的。这一可能性取决于一系列前后关联的事件以及涉及其中的选择压力，除非这些都被确认，这一假说才能被证伪。当然，当我面谈论暴露于20亿年前的选择压力时，我们不太可能有确切的结论；尽管如此，就像我在简介中提到的，当运用现代分子生物学时，是有可能排除一些可能性，并将其缩小到一个最可能的列表中的。

尽管我对德.迪夫充满尊敬之情，我并不觉得他的瓶颈理论多么有说服力。它太单一性了，生命显而易见的多样性之广度是与之相悖的——似乎需要一个具备一切条件的地方。整个世界的变化并不是一蹴而就的，许多多样的生态环境是一直存在的。也许最重要的是，缺乏氧气的环境（无氧或低氧环境）在很大范围内持续存在直到今天。在这样的环境中生存需要与在新的富氧环境中赖以生存完全不同的一套生化技能。一些真核生命已然存在的事实不应该排除多样的不同“真核生物”在不同环境下进化的可能，例如在海底的淤泥中。然而这并没有发生。令人震惊的事实是，所有生活在这些地方的单细胞真核生物都与在新鲜空气中进行有氧呼吸的生命体有血缘关系。我觉得下面这种情况是非常不可能的：即第一个真核生物如此有竞争性，它们消灭了每个环境中的竞争对手，甚至那些并不与它们的特性相适应的那些。真核生命当然没有如此的有竞争力以消灭细菌这个竞争对手：它们生活在一起，并为自己开辟了新的生态位。在任何尺度上，我也想象不出任何其他的类似事件。真核生物成为有氧呼吸的掌握者的事实并没有导致其在细菌中消失。普遍来讲，即使存在那些连续不断的对同一些资源的残酷竞争，许多类型的细菌依然存在了几十亿年。

让我们考虑一个简单的例子，产甲烷菌。这些细菌（更准确的说，古菌）利用氢气和二氧化碳生成甲烷谋生。我们将会简单的论述一下这个例子，因为产甲烷菌在我们后续的故事中很重要。产甲烷菌的问题在于，尽管二氧化碳是充足的，然而氢气不是：它们会迅速的与氧气反应生成水，因此不会在富氧环境中长时间存在。产甲烷菌因此只能在可以接触到氢气的环境中生存——通常是完全缺氧的环境，或者经常性火山活动这样氢气生成速度高于其消耗速度的地方。但是产甲烷菌并不是唯一一种可以利用氢气的细菌——它们从环境中汲取氢气的效率也并不十分的高。另一种叫做硫酸盐还原菌的细菌，靠将硫酸盐还原为硫化氢为生——这是一种闻起来有臭鸡蛋气味的气体（实际上臭鸡蛋散发硫化氢）。为了进行这项活动，它们同样需要利用氢气，而对于这种稀缺资源，它们远比产甲烷菌有竞争力得多。即使如此，产甲烷菌已经在自己的环境生态中存活了30亿年之久，这些生态环境在其他一些方面对硫酸盐还原菌有所制约——通常是缺乏硫酸盐。例如，因为淡水湖缺乏硫酸盐，硫酸盐还原菌不能养活自己；在这些湖底的淤泥中，或者死寂的沼泽中，产甲烷菌生活着。它们所释放出的甲烷就是我们熟知的沼气，有时它们能被点燃产生神秘的蓝色火焰，并在沼泽上方飘荡，这种现象即我们所知的鬼火，能解释很多鬼魂或者UFO的目击事件。但是产甲烷菌的产物远非虚幻。任何声称要将开采石油转向开采天然气的人都应该感谢产甲烷菌——它们担负起了我们整个基础供能。因为肠道中极度缺乏氧气，在牛甚至人的肠道中也发现存在着产甲烷菌。产甲烷菌在食草动物中可以繁衍生息，是因为草和其他植株中基本上是缺乏含硫化合物的。肉中的硫元素要多得多，所以在肉食生物的肠道中，硫酸盐还原菌取代了产甲烷菌。改变你的食谱，你的礼节表现就会出问题了。（吃肉产硫化氢，容易放臭屁）

关于产甲烷菌，我想表达的观点是，它们是一场通过瓶颈的竞赛中的失败者，但尽管如此，它们依然在适合自己的环境中生存至今。类似的，在更大的范围内，失败者完全消失是很少见的，也很少见到后来者不能得到哪怕一个摇摇欲坠的立足点的情况。飞行能力已经在鸟类中进化出来的事实并不能阻碍它又在蝙蝠中进化出来，而蝙蝠成为了数量最多的哺乳动物物种。植物的进化并没有导致绿藻的消失，维管植物的进化也没有导致苔藓植物的消失。甚至大规模灭绝事件也很少导致整个纲的物种全部消失。恐龙消失了，但爬行动物依然与我们生活在一起，尽管它们在与鸟类和哺乳动物竞争中处于劣势地位。对我来说，好像进化中唯一可与德.迪夫所假设的真核生物瓶颈相匹敌的，仅仅是生命的起源本身，这可能仅仅发生了一次，也可能发生了很多次却只有一种生命形式最终存活下来——在这种情况下，这也算是一种瓶颈。也许是吧，但这并不是一个好的例子，因为我们并不知道具体情况是什么样的。我们所能确定的是，所有今天存在着的生命最终都共享同一个祖先，是同一个起源的后裔。顺便，这排除了某些人所表达的这种观点：我们的星球曾被连续多波从外太空的入侵所殖民——这种观点与目前地球上已知的所有生命深层生化特性的密切联系是不相符的。

如果真核细胞的起源不是一个瓶颈，那么它很可能真的是一系列不太可能发生的事件的结果，因为它只发生了一次。作为一个多细胞真核生物，我可能有所偏颇，但我确实不相信细菌会顺利的跃升到产生感知，或者高于一堆烂泥的水平，无论是在这里还是在宇宙中其他任何地方。不是的，复杂生命的秘密在于真核细胞的嵌合本质——一个充满希望的怪物，诞生于20亿年前一次不太可能的融合事件，这是一个仍然封存在我们最核心的构造之中的事件，并且今天仍然主宰着我们的生命。

理查德.戈尔德施密特在1940年第一次提出了充满希望的怪物的概念——这一年奥斯瓦尔德·埃弗里向我们展示出基因是由DNA组成的。从那时起，戈尔德施密特的名字就被某些作家所讥讽，同时被另一些作家推崇为反达尔文主义的英雄。这两类评价都不该给他，因为他的理论既非不可能的，也不是反达尔文主义的。戈尔德施密特提出，小的遗传变异的逐步积累，即突变，是很重要的，但仅仅对于物种内的多样性有所贡献：对于解释新物种的诞生，它并不是一个有充足能力的进化假说。戈尔德施密特相信，物种间巨大的遗传性差异是不能由一系列小的突变积累得来的，而是需要更加深刻的“剧变”——跨过“遗传间隙”的巨大一跃，也就是说，两个不同遗传序列之间的分歧（从一个物种变成另一个物种所需要的变异的数量）。他承认，随机的“剧变”，即基因序列中突然的巨大改变，更可能产生一个无法正常行使功能的突变体，也因此他给他那百万分之一的成功命名为“充满希望的怪物”。对于戈尔德施密特来说，一个充满希望的怪物是一个巨大且突然的基因改变的幸运产物，而不是一系列微小突变的结果——这种事情就像一个疯狂科学家可能在实验室中终其一生的投入，经历令人发狂的失败后，终获成功的产物。根据当代对遗传学的理解，我们现在知道剧变并不是物种分化的原因，至少对于多细胞生物来说不是（尽管根据林恩·马古利斯的说法，这在细菌中可能是真的）。但是，对我来说，好像把两个完整基因组融合在一起创造第一个真核细胞看做一次剧变创造的“充满希望的怪物”，比仅仅把它看做一系列基因变异的结果要好一些。

所以，第一个真核生物到底是什么样的怪物，以及为什么它的起源是如此的不可能？为了理解这些答案，我们需要先思考一下真核细胞的特性，以及它们与细菌所不同的那些细节。我们已经在简介部分涉及到了这些；在这里，我们需要关注于这些差异的巨大性，看看这一断层那宽广的缺口。

细菌与真核生物之间的区别

和细菌比起来，大部分真核细胞是巨大的。在长度上，细菌很少超过几千分之一厘米（几微米）。与之相比，尽管像微真核生物的那类真核生物跟细菌差不多大，但大部分真核细胞的长宽是其十到一百倍，也就是说其细胞体积是细菌的一万到十万倍。

大小并不是唯一值得注意的事情。真核生物的主要特征，也是其希腊名称的来源，是拥有一个“真正的”核。这个核是一个典型的球状高密度DNA（遗传物质），与蛋白质缠绕在一起，并被装进双层膜里。这里就有3个与细菌的主要区别。第一，细菌完全没有核，或者说只有一个没有被膜所包被的模糊区域。因此细菌也被称为“原核生物”，它来自于希腊语“在有核之前的”。可是这也可能是一种偏见——一些研究者争论说，有核细胞和无核细胞一样古老——而大部分专家则同意原核细胞的命名很准确：它们确实是在拥有核的细胞（真核细胞）之前进化出来的。

细菌与真核生物之间的第二个重大区别是它们基因组整体的大小——基因总数。即使和像酵母这样简单的单细胞真核生物相比，细菌的DNA也少得多。这一区别可以用基因总数来衡量——通常有成百上千个——或者用DNA的量来衡量。后者常用C值来表示，是用DNA的“字符数”来衡量的。它不仅包括基因，也包括那些叫做非编码DNA的分支——即不编码蛋白质的DNA，它们因此不能真的被称为“基因”。在基因数目和C值方面的差异都对人有所启示。和大部分细菌相比，酵母这样的单细胞真核生物也拥有其几倍数目的基因，而人类可能有20倍之多。C值或者说DNA的量之间的差异更加惊人，因为真核生物拥有远多于细菌的非编码DNA。真核生物的DNA总量跨越了5个数量级。大型的阿米巴原虫的基因组，是一个小型真核细胞家兔脑胞内原虫的20万倍。这么大的跨度与复杂性和基因数目无关。阿米巴原虫实际上有比人类多200倍的DNA，尽管它有远少于人类的基因数目，并且很明显不比人类复杂。这一奇怪的矛盾被称为C值悖论。所有这些非编码DNA是否有其进化目的是一个争论不休的话题。其中一些肯定有，但更多的是依然成谜，并且很难认识到为什么一个阿米巴原虫需要这么多（我们会在第四部分回到这个话题）。尽管如此，但这是一个事实，需要对为什么真核细胞大体上比原核细胞多几个数量级的DNA有一个解释。这不是没有代价的。复制这些多余的基因并保证这种高保真复制需要很大能量，影响着细胞分化的速率与环境。我们接下来会探讨这暗示着什么。

第三个重大不同在于DNA的包装和组织形式。就像我们在简介中提到的，大部分细菌拥有单个环形染色体。它固定在细胞壁上，但也可以在细胞内自由的飘动，从而为快速复制做准备。细菌也携带遗传物质的“零钱”，即叫做质粒的微小环状DNA，它们可以独立复制并且可以从一个细菌传给另一个。日常的交换质粒零钱看上去和拿零钱购物类似，这也解释了耐药性基因是如何快速的在细菌群体间传播的——就像一天中一枚硬币可以出现在20个不同的口袋中。让我们再回到它们的主要基因银行，很少有细菌将它们的主要染色体和蛋白质交缠在一起——相反，它们的基因是“裸露”的，这使它们更加容易接近——这更像现金账户而不是储蓄账户。细菌的基因倾向于按照行使同一功能的簇来排列，以功能单元的方式行使功能，这就是操纵子。相反，真核细胞的基因貌似没有顺序。真核细胞拥有很多完全不同的直链染色体，它们通常各有两条以形成一对等位染色体，像人类中就是23对染色体。在真核生物中，基因在染色体上的排列顺序实际上是随机的，更糟糕的是，它们常常以中间隔着长长的非编码DNA的短片段的形式存在。为了制造一个蛋白质，需要读取一大片DNA，然后将它们拼接融合在一起以形成一个连贯的转录本来编码这个蛋白质。

真核细胞的基因不仅仅是随机且支离破碎的，它们也很难被接近。染色体和被称作组蛋白的蛋白质所紧紧缠绕，这阻止了其他物质接近基因。当基因在细胞分裂期间被复制或者转录出转录本以制造蛋白时，组蛋白的外形必须改变以使DNA容易被接近。而这是由被称为转录因子的蛋白所控制的。

总起来说，真核基因组的组织形式是光用脚注就能填满一个个图书馆的复杂工程。我们会在第五部分探讨这一复杂构造的另一方面（即性，而细菌中是不存在性的）。现在，带给我们的最重要的观点是，这种复杂性需要消耗能量。当细菌几乎一直简单粗暴的采用流线型并且讲究效率时，大部分的真核细菌则笨拙且如迷宫一般复杂。

一副骨架，许多小室

在核之外，真核细胞也与细菌非常不同。真核细胞被描述为“有内部结构”的细胞（见图2）。大部分内部结构为膜构件，由被称为油脂的脂类分子的薄的难以察觉的夹层构成。细胞膜形成了囊泡、微管、水池、堆积物，这些包裹形成空间——小室——它们被油脂栅栏物理隔离在细胞质水溶液之外。不同的膜系统因不同的任务而特化，例如建造细胞的部件，或者将食物降解以产能，或者运输、存储，以及分解。有趣的是，尽管它们的外形和大小各不相同，大部分真核细胞的小室是简单囊泡的不同变体：一些伸长 了，一些变扁了，一些变成了管状，另一些就是简单的泡泡。最难以想象的是核膜，它看起来就像一张包裹着核的连续双层膜，但实际上它是一系列大而平的囊泡连接起来的，更令人惊奇的是，它们和细胞中其他的膜间隔是连在一起的。因此，细胞膜在结构上与任何细胞的外膜是不同的，外膜都是一些连续的单层（或者双层）膜。

图2 细菌细胞（a）与真核细胞（b）的结构示意图对比

该图未按实际比例绘制；细菌和（b）中的线粒体的大小类似。实际上，为了更清晰，真核细胞中的膜结构被简化了，真实情况下内部结构的差异更加惊人。即使用电子显微镜，细菌也是很难被观察的。

细胞里面还有小的元件，被称为细胞器，例如线粒体以及植物和绿藻中的叶绿体。叶绿体值得特别关注。它们负责光合作用，这是将太阳能转换成可以自我掌控的化学能量的生物分子货币的过程。和线粒体一样，叶绿体也来自于细菌，确切的说来自于蓝细菌，这是唯一可以进行真正的光合作用的细菌类群（以生成氧气）。值得注意的是，线粒体和叶绿体曾经都是自由生活的细菌，并依然保存有一系列相对独立的特征，包括它们自己独立的基因。它们都参与宿主细胞的能量代谢。这些细胞器与真核细胞中的其他膜系统有明显的不同，这些不同让它们另成一派。像细胞核一样，线粒体和叶绿体都被包裹在双层膜中，但和细胞核不同，它们的膜形成了真正连续的屏障。里面不光有它们自己的DNA，还有它们自己的核糖体，蛋白质合成系统，以及它们自己进行半自主复制，线粒体和叶绿体的双层膜与其他特征一起，指向了它们都来自于细菌这一事实。

如果说真核细胞拥有内部结构，那么细菌就是神秘未知的。在它们单层外细胞膜以外，它们几乎没有真核细胞那样错综复杂的内部膜系统，这些单层外细胞膜偶尔会自我折叠以形成细胞的一些纹理。尽管如此，繁盛的真核细胞膜与简陋的细菌细胞膜拥有同样的基本结构组成。它们都有由甘油磷酸组成的亲水性的“头”，这些“头”固定在一些仅能溶解在油中的长链脂肪酸上。就像清洁剂可以自然形成小泡一样，磷脂层的化学结构也使它们自然结合成膜，脂肪酸链埋在膜内，亲水性的“头”从膜两边伸出。细菌与真核生物间的这种一致性使生化学家确信，它们继承自同一个祖先。

在我们接着思考这些异同的意义之前，让我们先把短暂的真核细胞之旅完成。还有两个我想提及的区别。第一，在它们的膜结构和细胞器之外，真核细胞包含一个致密的由蛋白质纤维构成被称为细胞骨架的内部支架。第二，跟细菌不同，真核生物没有细胞壁，或者说至少没有细菌那样的细胞壁（植物细胞和一些绿藻以及真菌，确实拥有细胞壁，但是它们和细菌的细胞壁非常不一样，并且是很晚之后才进化出来的）。

内部细胞骨架和外部细胞壁是完全不同的概念，但是尽管如此，它们却行使同样的功能——它们都提供结构支撑，和昆虫的外部角质层以及我们自己的内部骨骼提供的结构支撑是一样的。细菌的细胞壁在结构和组成上多种多样，但是大体上它们提供了一个维持细菌形态的刚性结构，防止它们在环境突然改变的情况下，膨胀到爆炸点，或者塌缩。另外，细菌的细胞壁提供了锚定染色体（包含它的基因）以及其他像鞭状的细丝，即鞭毛这样的多种驱动部件的固态表面。与之相比，真核细胞往往拥有可变的由内部细胞骨架支撑的外细胞膜。这并不是一个完全固定的结构，而是经常改变——一个高耗能过程——使细胞骨架可以拥有细胞壁难以达到的机动性。这意味着真核细胞（至少原生动物）并不像细菌那样顽强，但是它们通常能自主的很活跃的改变外形，这给它们带来不可估量的优势。经典的例子是阿米巴原虫，它们四处爬行并通过吞噬作用摄取它们的食物：临时突出细胞表面形成被称为伪足（字面意思，假的足）的细胞结构包围猎物，并再次融合到一起，在细胞内形成一个食物液泡。伪足由细胞骨架中的动态变化所支撑稳固。它们能如此容易的再次融合在一起是因为脂细胞膜和肥皂泡一样易于流动。因此很容易萌发成囊泡，然后再融合到一起。它们改变形态并利用吞噬作用摄取食物的能力使单细胞真核生命变成了真正的捕食者，将它们与细菌区分开来。

少有人走的路——从细菌到真核生物

真核细胞和细菌基本上是由同样的建筑材料组成的（核酸、蛋白质、脂类和糖类）。他们有完全相同的密码子体系，非常相似的脂质膜。很明显它们有同一个祖先。除此之外，真核生命与细菌在它们结构的每个关键方面都是不一样的。平均来说，真核细胞是细菌体积的一万到十万倍，包含一个细胞核，许多膜组织和细胞器。它们的遗传物质数量比细菌多好几个数量级，它们的基因被分隔成小的片段，而这些片段并没有特别的顺序。它们的染色体是线性的而不是环形的，被组蛋白所包裹着。它们大部分靠性繁殖，至少是偶然靠性繁殖。它们由内部的动态细胞骨架支撑，并可能缺少外部的细胞壁，这使它们可以吞噬食物甚至摄食整个细菌。

线粒体仅仅是这一系列差异中的一个，并且好像仅仅是随便加上去的。然而就像我们将要看到的，它们并不是。但是留给我们的问题是：为什么真核细胞进行了如此复杂的进化之旅的时候，细菌却在40亿年的时间里几乎毫无变化？

真核细胞的起源是生物学中最炙手可热的话题之一，理查德.道金斯将其称为“伟大的历史汇合”。它在科学与臆想之间摇摆，形成的绝妙的平衡使最不带感情的科学家群体也产生了猛烈的激情碰撞。事实上，有时候它让人觉得，每当新的一丝证据出现，都会产生一个新的假说来解释真核细胞的进化之源。这些假说传统上被归为了两个派系，一派试图在一系列不同的细菌的融合事件的基础上解释真核起源，另一派则试图将真核的大部分特性的来源限制在内部，不需要这么多的融合事件。就像我们在简介中看到的，林恩·马古利斯提出线粒体和叶绿体都是来自于自由生活的细菌。她也提出，真核细胞中的其他结构，包括细胞骨架及其组织中心，即中心体，同样是来自细菌融合事件，但她并没能成功的将学界拉向她的阵营。问题在于，细胞结构的相似性只能来自于直系进化关系，这些内共生体都已经退化但刚好能认出它们的祖先是谁。另一种可能是，结构的相似性是趋同进化的结果，即相似的选择压力不可避免的产生相似的结构，就像我们之前所讨论的，这是因为对于某一特定问题，只有有限的工程解决方案。

在像细胞骨架这一类细胞结构的具体案例来看，它们跟叶绿体和线粒体不同，没有自己的基因组，因此很确定它的起源。如果谱系不能直接追溯，那么就不容易证明一个细胞器到底是共生还是真核细胞的自我发明。大多数生物学家倾向于最简单的观点，就是大部分的真核特征，包括细胞核和除线粒体与叶绿体以外的细胞器，都是纯粹的真核自我发明。

为了能在这迷宫般的矛盾中寻路而出，我们将只考虑两种关于真核细胞起源的相竞争的理论，对我来说它们更加有可能是真的——“主流”观点和“氢假说”。主流观点在很多细节方面已经取代了之前林恩·马古利斯的原始观点，它目前的形成很大程度上归功于牛津大学生物学家汤姆 卡瓦利耶-史密斯。很少有研究者能像卡瓦利耶-史密斯那样对细胞的分子结构以及它们的进化关系有如此细致的理解，他在细胞进化领域提出了非常多的重要但有争议的理论。氢假说是一个完全不同的理论，由在德国杜塞尔多夫的海恩里希.海涅大学任教的美籍生化学家比尔 马丁强力提出。马丁学的是遗传学，但跟结构学相比，他更倾向于从生化的角度探究真核生物的起源。他的观点是反直觉的，并且在某些方面产生了炽烈甚至尖酸刻薄的反应，但是它们是由清晰的不可忽视的生态学逻辑所支持的。这一对经常在会议上争论不休，他们的理论使会议看上去像一场维多利亚的情景剧，让人想起柯南道尔的《查林杰教授》。在2002年伦敦皇家学院的一场关于真核起源的精彩讨论会上，卡瓦利耶-史密斯和马丁整个会议都在质疑对方的观点，在会后几个小时后，我发现他们还在当地的酒吧里面争论不休，这给我留下了非常深刻的印象。

Note：

八千多字，十来个小时，想屎。