第一节
最深的演化鸿沟

细菌和真核细胞之间的空白比生物学之间其他的任何空白都要来得大。即便我们勉强接受细菌集落作为真正的多细胞生物，它们也只是停留在非常基本的组织层面。这并不是缺乏时间或机遇——细菌主宰了地球将近20亿年，所有想到想不到的环境它们都占领了，以生物量来计算，它们依旧超过所有多细胞生命的总和。因为某些原因，细菌从来不曾演化到某种路人能够识别的多细胞生命形态。相比之下，真核细胞的出现要远远晚于细菌（根据主流的观点），但仅仅用了几亿年——大约细菌所用时间的1/10——就诞生了我们现在所能看到的巨大的生命喷泉。

诺贝尔奖得主克里斯蒂安·德·迪夫一直对生命的起源和历史很感兴趣。他在遗作《演化中的生命》中提议说真核细胞的起源应被视为瓶颈而非不可能的事件——换句话说，真核生物的演化是环境突然改变（比如大气和海洋中氧气含量的上升）所导致的不可避免的结果。在所有当时存在的真核细胞种群中，某单纯碰巧比其他种群更能适应环境的真核细胞快速扩张，通过了瓶颈，在多变的环境中占据优势——它们快速崛起，而那些在竞争中处于劣势的种群则快速消亡，因此留给人们一个错误的导向，即真核细胞的出现完全是随机的。这种可能性完全依赖于事件发生的顺序以及当时面临什么样的自然选择压力，在确切知道这些答案前，这种可能性依然是存在的。当然了，对于发生在20亿年前的选择压力，我们不太可能确切地知道到底是什么。不管怎么样，如我在导言中提及的那样，现代分子生物学可以帮助我们排除掉一些可能，因此把最可能的情况缩小到一个较窄的范围里。

尽管我对迪夫怀着无限的敬意，但是我并不觉得他的瓶颈论令人信服。它太过于单一和绝对，和生命近乎无穷的多样性相抵触——看起来所有的真核细胞种群都可以占有一席之地。而且整个世界的环境并不是一下子就全部改变的，各式各样的生态位一直都存在着。而可能最重要的是，缺氧的环境（无氧或低氧）大范围地存在，直到现在依然这样。在这样的环境中生存需要和生活在有氧环境中完全不同的生物化学技能。即便一些真核生物已经存在，也并不妨碍在不同的环境中演化出各种各样真核生物的可能，比如海底停滞的烂泥中。可是这样的事情的确没有发生过。令人震惊的事实是所有生活在海底烂泥里的单细胞真核生物都和陆地上呼吸着新鲜空气的生物们是有关联的。我认为第一个存活下来的真核生物如此有竞争力以至于将所有其他环境中的真核生物都毁灭的理论是站不住脚的，尤其是对那些它们自己都无法适应的环境。真核生物并没有那么有竞争力，因为它们连细菌都没有消灭掉：细菌一直和真核生物共存，并且还开辟了新的生态位。我也不认为生命演化中有其他任何规模上类似的例子平行存在。真核生物成为有氧呼吸大师的事实并没有导致有氧呼吸在细菌中消失。很多种类的细菌尽管经历了不断的残酷竞争，依然存在了几十亿年。

让我们来看一个例子，产甲烷菌。这些细菌（更准确说是古细菌）靠从氢气和二氧化碳中产生甲烷勉强度日。我们后文会再提及产甲烷菌对我们人类的重要性。产甲烷菌的一个问题在于，尽管二氧化碳是充足的，氢气并不是：氢气可以快速地和氧气反应生成水，因此在任何有氧环境中都不能存在很久。产甲烷菌因此只会生活在能够轻易获得氢气的环境中——通常是缺乏氧气的环境中，或是有持续火山活动，使得氢气生成的速度快过消耗的速度的地方。但是产甲烷菌并不是唯一使用氢气的细菌，并且它们从环境中获得氢气的效率并不高。另一种我们称之为硫酸盐还原菌的细菌依靠将硫酸转化为（还原为）硫化氢——有着臭鸡蛋气味的气体（实际上腐烂的鸡蛋的确会释放硫化氢）——来生存。它们也要使用氢气才能进行硫酸盐还原反应，而且它们在和产甲烷菌争夺氢气这种稀有资源时经常占据上风。即便如此，产甲烷菌依然在这样的环境中生存了30亿年，反而是硫酸盐还原菌常常因为缺乏足够的硫酸盐而难以生存。比如说，淡水中硫酸盐含量通常很低，因此硫酸盐还原菌无法在当中生存，在这些湖底的烂泥中，或是在不流动的沼泽中，产甲烷菌就能生存得很好。它们所释放出的甲烷气体被称为沼气，甚至有些时候被点燃而在沼泽上产生蓝色的火焰，这种现象也就是所谓的“鬼火”，可以很好地解释很多人所说的看到了亡灵或是不明飞行物的问题。但是产甲烷菌的意义远超出这些虚无缥缈的鬼火。任何支持使用天然气以应对日渐短缺的石油储备的人都应该感谢产甲烷菌——它们为我们提供了足够的储备。产甲烷菌也能在牛的消化道甚至是人的消化道中生存，因为消化道的尾部通常含氧量很低。产甲烷菌通常能在素食动物体内存在的原因是草和蔬菜中的硫含量很低。而肉类当中硫含量要高得多，导致在肉食动物中硫酸盐还原菌通常可以取代产甲烷菌。改变你的饮食你就会使某些尴尬时刻变得不同(1)。

我想说的关于产甲烷菌的第一点就是，它们在遇到瓶颈的时候是竞争中的失败者，但是它们依然占有它们自己的生态位。那么同样在更广义的范畴，失败者很少完全消失，后来者也很少完全找不到立足之地。鸟类已经演化出飞行能力并不会妨碍后面蝙蝠演化出飞行能力，而蝙蝠俨然已经是哺乳动物当中数量最多的种类之一。而植物的演化也没有导致藻类的消失，维管植物的出现也没有导致苔藓类植物灭绝。虽然恐龙灭绝了，但是爬行动物在与鸟类和哺乳动物的激烈竞争中生存了下来。对于我而言，演化中唯一可以与迪夫所构想的真核细胞所经历的瓶颈相提并论的就是生命起源本身，生命可能起源了1次，或者是起源了无数次但是只有一种形式最终生存了下来，那么后者这种情形也可以被称为瓶颈。当然这可能不是一个好的例子，只是我们的确不知道确切发生了什么。我们可以确切知道的是，所有现存的生命都有着共同的祖先，并由此发展至今。这也顺带排除了另一种观点，即我们的星球经历了来自外太空的多次入侵——这样的观点与地球上所有的生命所存在的紧密的生物化学上的联系是相悖的。

如果真核细胞的起源并不是一个瓶颈，那么它可能是一系列不太可能发生的事件所造成的，因为真核细胞的起源仅仅发生过1次。作为一个多细胞真核生物，我可能是带有偏见的，但是我并不相信细菌在这里或是宇宙中的任何地方曾顺着平缓的斜坡一路演化出知觉，或是演化出超越其黏液形态的任何形式。不，复杂生命的秘密隐藏在真核细胞的嵌合本质当中——一个有希望的怪物，于20亿年前不太可能发生的1次合并中诞生，如今依然封存在我们最深层次的构造中并支配着我们的生命。

理查德·戈尔德施密特在1940年首次提出了“一个有希望的怪物”这个概念，同一年奥斯瓦尔德·埃弗里向人们展示了基因是由DNA构成的。戈尔德施密特被一些人嘲笑，却被另一些人作为反达尔文主义的英雄。这两种评价都不适合他，因为他的理论既不是无稽之谈也不是反达尔文主义。戈尔德施密特声称，逐步积累的小的基因变化，我们称为突变，是很重要的，但是只能用来解释种内的变异：突变累积的力量不足够强，不适宜解释演化中出现的革新和新物种的形成。戈尔德施密特相信物种间基因上的差异并不能用微小突变的逐步累积来解释，而是需要更显著的“宏观突变”——就像怪物大脚一跨，越过“基因空隙”，即两段基因序列间的不同（从一段序列变成另一段序列所需要的变化总和）。他认为随机的宏观突变，即基因序列突然大幅度的改变，更有可能产生一个无法正常运转的突变体，因此他将这个1/100万的成功命名为“一个有希望的怪物”。对于戈尔德施密特而言，一个有希望的怪物是源自1次突然的大型的基因改变而非一系列小突变——就是一个典型的疯狂的科学家将毕生精力耗费在实验室里，在经历了多次让人发狂的失败后可能造出的东西。根据我们对于现代遗传学的理解，我们知道那种宏观突变并不能用来解释物种的形成，至少不能用于多细胞生物中（尽管林恩·玛格利斯主张在细菌中可能可以）。但不管怎样，对于我来说，两个基因组融合形成第一个真核细胞应该最好被看作1次宏观突变，产生了一个有希望的怪物，而不是看作一系列小的基因改变的积累。

所以第一个真核生物是一个什么样的怪物，为什么它出现的可能性如此之低？为了回答这个问题，我们需要首先思考真核细胞的特征，以及它们和细菌的诸多不同。我们已经在导言当中触及了这些，这里我们需要重点关注差异的规模，看看这条鸿沟到底有多宽。

细菌和真核生物的差异

和细菌相比，绝大多数真核细胞是巨大的。很少有细菌长度超过千分之几毫米（几微米）。相比之下，尽管一些被称为超微型真核生物的真核生物和细菌一般大小，绝大多数真核细胞依然是细菌直径的10到100倍，因而使得它们的体积是细胞的1万到10万倍。

大小并不是唯一重要的因素。从名字上就可以看出，真核细胞最主要的不同在于它有一个“真正的核”。这个核通常是一个球体，其中DNA（遗传物质）包裹在蛋白质中并被双层膜保护着。这里已经包含了和细菌的三个主要不同。第一，细菌缺乏细胞核或者只有一个原始版本的缺乏核膜的细胞核。因为这样的原因，细菌被归为“原核生物”，在希腊语里意思为“细胞核出现之前”。尽管这有可能是未经详察而做出的判断——因为有一些研究者主张，有细胞核的细胞和没有细胞核的细胞一样原始——但绝大多数专家认为原核生物的命名是合理的：它们的确出现在有细胞核的细胞（真核细胞）之前。

第二，真核细胞和细菌之间的基因组大小差异很大，即基因的总数差别很大。总体上而言，细菌比像酵母菌这样简单的单细胞真核生物的DNA还要少得多。这个差异既可以通过基因的总数——通常是几百或者几千——也可以通过DNA的含量测量出来。DNA的含量被称为C值，以DNA中的“字母”数量来表示。它不但包括了基因也包括了所谓的非编码DNA，即不编码任何蛋白质的DNA，因此也不被称为“基因”(2)。基因数上的差别和C值的差别都给了我们很多启发。像酵母这样的单细胞真核生物拥有数倍于细菌的基因数量，而人类则有着可能20倍于细菌的基因数量。而C值上的差异，也就是DNA含量的差异则更为惊人，因为真核生物含有比细菌多得多的非编码DNA。真核生物之间的DNA含量差别也横跨了令人震惊的5个数量级！无恒变形虫（Amoeba dubia）这种大型变形虫的基因组是家兔细胞内原虫（Encephalitozoon cuniculi）那些小的真核细胞的20万倍。而这个巨大的跨度却和生物复杂性与基因数量不相关。实际上无恒变形虫的DNA含量是人类细胞DNA含量的200倍，尽管它们的基因数量和复杂程度和人类相比要低很多。这种奇怪的矛盾被称为C值悖论。所有这些非编码DNA是否有演化上的目的尚存在争论。有一些的确有演化上的目的，但是大多数依然让人费解。我们很难理解为什么变形虫需要这么多DNA（我们会在第四章中再回到这个问题）。不管怎样，真核生物的DNA比原核生物DNA高出几个数量级的事实需要一个合理的解释。这并不是没有成本的。复制额外的DNA并保证它们不出错需要消耗大量的能量，这影响了细胞分裂的速度和状况，我们会在之后继续讨论。

第三，DNA包装和组织的形式不一样。正如我们在导言中所提及的，大多数细菌有单个环状的染色体。它被固定在细胞壁上，但是可以在细胞里自由漂浮，快速复制。细菌还携带一些基因“零钱”，它们被称为质粒，以小型环状DNA的形式存在，可以独立复制并从一个细菌转移到另一个细菌体内。日常质粒的交换和用零钱买卖类似，这解释了抗药性的基因如何在细菌种群中如此快速地传播——正如一枚硬币一天可以辗转进入20个不同的口袋一样。回到细菌的基因“银行”，很少有细菌的染色体和蛋白质相结合，它们的基因是“裸露的”，这使得它们很容易被读取——一个现金账户而非储蓄账户。相似作用、目的的细菌基因常常被归一组，作为一个功能单元起作用，我们称之为操纵子。相比之下，真核基因则没有明显的分组。真核细胞拥有多条彼此分离的线状染色体，并且通常会翻倍使得染色体成对出现，比如人类所具备的23对染色体。在真核生物中，基因在染色体上以随机的方式排列，而更糟糕的是，它们之间通常还会被很长的非编码DNA隔离开来。为了制造一个蛋白质，一大片DNA需要被读取，而后拼接融合在一起，形成一个合成蛋白质的连续转录本。

真核基因并不只是排列随机和四处散落的问题，它们还很难被读取。染色体被紧密包裹在组蛋白中，这会阻挡基因的读取。当基因在细胞分裂时被复制的时候，或者是被读取为制造蛋白质的转录本时，组蛋白的结构必须被改变以使得DNA能够暴露出来，这个过程是由被称为转录因子的蛋白质控制的。

总而言之，真核基因组的组织是一个很复杂的事情。我们会在第五章（细菌中所没有的性）中重新回到这个问题。而现在，最重要的点是，所有的复杂性都意味着能量的消耗。细菌总是非常的精简且高效，而大多数真核生物都复杂而低效。

一具骨架和很多储藏间

在细胞核外，真核细胞和细菌的差异也很大。真核细胞被描述为一个“肚子里有货”的细胞（图2）。大多数真核细胞的内部结构是由膜构成的，由两层脂质分子组成的极薄的三明治结构。膜可以形成囊状、管状、盆状或是饼状空间——由脂质分子从细胞质液态部分分隔出很多封闭的空间——储藏间。不同的膜系统特化承担不同的任务，比如制造细胞的组成成分，或者是分解食物产生能量，或者是运输、储藏和降解。有趣的是，尽管大小形状不一，大多数的真核“储藏间”是小囊泡的变种：有一些被拉长拉平，其他的称为棒状，还有一些只是简单的泡泡。最让人始料不及的是核膜，看上去像是双层连续的膜包裹着细胞核，但是实际上是由一系列大而扁平的囊泡融合在一起形成的。更令人惊讶的是，和其他膜所形成的隔间是连续的。因此核膜在结构上与任何细胞的外膜都显著不同，细胞的外膜只是一层或是两层连续的膜。

当然细胞里还有其他的我们称之为细胞器的小器官，比如植物和藻类中的线粒体和叶绿体。叶绿体值得一提，它们负责光合作用，在这个过程中将太阳能转为化学能储存在生物分子中。像线粒体一样，叶绿体也来源于细菌的一种——称为蓝藻，唯一能进行真正光合作用（产生氧气）的细菌种类。值得一提的是，线粒体和叶绿体都曾是自由生存的细菌，依然保留了很多半自主的特征，包括一系列自己的基因。两者都参与到为它们的宿主细胞产生能量的活动中。两者都和真核细胞里其他的膜系统明显不同。和细胞核一样，线粒体和叶绿体被双层膜包裹，和细胞核膜的区别之处在于它们的膜是真正连续的隔断。线粒体和叶绿体的双层膜结构，连同自己的DNA、自己的核糖体、自己的蛋白质组装以及半自主的分裂形式，共同指证了它们的细菌起源。

如果说真核细胞内部结构复杂，那细菌的内部结构就有点难以捉摸了。除了它们外部单一的细胞膜以外，它们内部没有像真核细胞那样蔓延的内膜系统，而只是细胞膜向内折叠，赋予细胞一些纹理。即便如此，真核细胞繁荣的膜结构和细菌稀疏的膜结构的基本组成是一样的。两者都由水溶性的“头部”——磷酸甘油——连接着脂溶性的几条长的脂肪酸链。正如清洁剂会自然形成小的液滴，脂质分子的化学结构使得它们能够自然聚拢形成膜，脂肪酸链被埋在细胞膜中，而水溶性的“头部”则从两边伸出。同样存在于细菌和真核细胞中的这样的膜结构使得生物化学家们相信两者有着共同的遗传来源。

在我们考虑所有这些相似与差异背后的意义前，让我们先完成我们在真核细胞中的短暂参观旅途。我还想在这里提两点真核细胞与细菌的不同。第一，除了膜结构和细胞器以外，真核细胞还包含了蛋白纤维所构成的致密的内部支架，被称为细胞骨架。第二，真核细胞没有像细菌那样的细胞壁（植物细胞，一些藻类和真菌，的确有细胞壁，但是它们的成分和细菌细胞壁差异很大，并且在演化上出现的时间相当晚）。

内部细胞骨架和外部细胞壁虽然是截然不同的设想，但是有着同等的功能——两者都提供了结构支持，就像昆虫的外骨骼和我们的内骨骼都为身体提供了支撑。细菌细胞壁在结构和组成上差异很大，但是总体上它们提供了坚硬的框架保持了细菌的形状，避免其在环境发生突然变化的时候膨胀至爆裂或是塌陷。除此以外，细菌细胞壁为染色体（包含了基因）以及其他很多运动装置——比如鞭状的细丝（或称鞭毛）——提供了一个可供固定的坚硬表面。相比之下，真核细胞通常有一个富有弹性的外膜，靠内部细胞骨架使其加固。内部细胞骨架并不是一个固定的结构而是可以被持续地重塑——一个高耗能的过程——使得细胞骨架具备细胞壁不具备的动态性。这意味着真核细胞（或至少原生生物）不像细菌那么皮实，但是它们可通过改变形状获得难以估量的优势。一个经典的例子就是变形虫，能够在地面爬行并通过吞噬作用摄入食物，它们通过临时的细胞突起（我们称之为伪足）包裹着猎物，而后伪足融合形成细胞内部的食物液泡。细胞骨架的动态改变使得伪足结构稳定，而因为脂质的细胞膜具有和肥皂泡一般的流动性，使得伪足能够快速地融合，并以囊泡的形式脱落。这种改变形状并以吞噬作用摄入食物的能力使得单细胞真核生物成为不同于细菌的真正的捕食者。

少有人走的路——从细菌到真核生物

真核细胞和细菌基本是用相同的材料（核酸、蛋白质、脂质和碳水化合物）构建而成。它们有着几乎相同的遗传密码和非常相似的细胞膜。很明显它们有过共同的遗传来源。另一方面，真核生物又几乎在结构的每一个方面都和细菌不同。真核细胞平均而言大约是细菌体积的1万到10万倍，并包含一个细胞核、很多膜与细胞器。它们携带高出几个数量级的遗传物质，并将它们碎成短片段的基因，进行无规则的排列。它们的染色体是线状的而非环状的，并包裹在组蛋白中。它们绝大多数进行有性繁殖，至少偶尔会这么做。它们由动态细胞骨架从内部支撑，虽然缺乏外部细胞壁，但是细胞骨架使得它们能够摄入食物甚至是整个细菌。

线粒体只是所有这些不同的其中之一，或者看起来只是额外增加了一个不同。但是实际上并不是这样，接下来我们会明白这一点。我们所面临的问题是，为什么真核生物经历了如此复杂的演化之旅而细菌却在将近40亿年的时间里几乎一成不变？

真核细胞的起源是生物学中最热门的话题之一，被理查德·道金斯称为“伟大的历史性会合”。它提供了科学和臆想之间的绝妙平衡，使得那些本应该冷静的科学家产生强烈的激情。的确，有时候似乎每出现一个新的证据就可以产生一个新的假说解释真核细胞的演化根源。这些假说大致可以分为两类，一类是主张通过多种不同细菌细胞的合并作为解释真核生物的基础，另一类则认为真核细胞的特征是从内部发展而来，而并非依赖于很多次合并。正如我们在导言中所看到的那样，林恩·玛格利斯主张线粒体和叶绿体都由独立生存的细菌发展而来。她同样主张，真核生物的一些其他的特征，包括细胞骨架以及它的组织中心——中心粒，都来源于细菌合并，不过这一次她没有争取到领域中其他学者的支持。问题是，细胞结构的相似可能源自直接的演化关系，当内共生体还没有退化到无法辨认其祖先的程度，也有可能结构之间的相似仅仅源自趋同演化，因为相似的选择压力不可避免导致相似的结构，正如我们之前所讨论的，对于某个特别的问题，只有少数一些可能的工程上的解决方案而已。

对于细胞骨架这样的细胞组分来说，和线粒体与叶绿体不一样的地方在于它们没有自己的基因组，因此很难证明它的来源。如果从血统上没有办法追溯其来源，那么很难证明一个细胞器到底是来源于共生还是真核生物自己的发明。大多数生物学家倾向于最简单的观点，即绝大多数真核细胞的特征，包括细胞核与细胞器在内，除了线粒体与叶绿体都只是真核生物自己的发明。

为了在这些错综复杂的迷雾中找到一条出路，我们将考虑有关真核细胞起源的两个竞争理论，这两个理论对于我来说都是最有可能性的——“主流观点”和“氢假说”。主流观点替换掉了林恩·玛格利斯原始观点中的很多细节，它现存的版本主要归功于牛津的生物学家汤姆·卡瓦利耶-史密斯。很少有研究者对细胞的分子结构以及它们演化关系上的理解能像卡瓦利耶-史密斯那样细致入微，他提出了很多重要且有争议的细胞演化理论。氢假说是一个彻底不同的理论，由德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学的美国植物学家比尔·马丁提出。马丁也是一个遗传学家，倾向于用生物化学的方法（而非从结构上）去深入研究真核生物的起源。他的观点是反直觉的，并且某些方面产生了激烈甚至尖刻的反应，但是被一种不可忽视的清晰的生态逻辑所支撑着，让人不容忽视。这两个人经常在会议上发生冲突，他们的观点使得会议笼罩在几近维多利亚时代情节剧的气氛下，让人不禁想起柯南·道尔笔下的查林杰教授(3)。在2002年伦敦皇家学会举办的真核细胞起源研讨会上，卡瓦利耶-史密斯与马丁一直在辩驳对方的观点，甚至他们几个小时后还在当地的酒吧里进行辩论，给我留下了深刻的印象。

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(1)　这里指的是食肉会导致肠道中硫化氢的产生，因此容易因气味而造成尴尬。——译者

(2)　如今基因的范畴已经不再局限于是否编码蛋白质，有些DNA序列的表达产物是具有功能性的RNA，这些序列亦属于基因范畴。——译者

(3)　“查林杰”的名字直译就是“挑战者”，是柯南·道尔笔下名气仅次于福尔摩斯的主人公。这位教授就是一个敢于向一切未知事物挑战的科学家，而且是个特立独行、脾气火爆的科学怪杰，作为主角参与了柯南·道尔笔下的多次科幻历险。——译者