科學(xué)之精要在于能夠提供規(guī)律，比如物理學(xué)中最迫切的問(wèn)題在于，為什么物理定律是這樣的？使用什么樣的基本規(guī)律才能推演出宇宙中已知的各種物理特性？生物學(xué)的規(guī)律性遠(yuǎn)弱于物理學(xué)，盡管生物學(xué)規(guī)律不需要像物理定律那樣嚴(yán)密普適，演化生物學(xué)的預(yù)言能力還是弱得令人汗顏。關(guān)于演化的分子生物機(jī)制和地球的生命歷史，我們已經(jīng)積累了海量的知識(shí)，但對(duì)其中的規(guī)律性仍然知之甚少。在生命的歷史中，哪些部分是出于偶然，哪些部分又有物理定律和約束條件決定？

撰文 | Nick Lane

譯者 | 嚴(yán)曦

在生物學(xué)的核心地帶，存在著一個(gè)未知的黑洞。坦白說(shuō)，我們不知道生命為什么是現(xiàn)在這樣。地球上所有的復(fù)雜生命擁有一個(gè)共同祖先，它從簡(jiǎn)單的細(xì)菌演化而來(lái)，在40億年的漫長(zhǎng)歲月中只出現(xiàn)了一次。這究竟是一個(gè)反常的孤立事件，還是因?yàn)槠渌膹?fù)雜生命演化“實(shí)驗(yàn)”都失敗了？我們不知道。已知的是，這個(gè)共同祖先一出場(chǎng)，就已經(jīng)是一個(gè)非常復(fù)雜的細(xì)胞。它的復(fù)雜程度，與你身上的細(xì)胞不相上下。這份復(fù)雜性遺產(chǎn)傳給了你我，也傳給了其他所有后代，從樹(shù)木到蜜蜂。你可以試試在顯微鏡下觀察自己的細(xì)胞，并和蘑菇細(xì)胞比較。二者幾乎無(wú)從分辨。我們與蘑菇的生命顯然天差地遠(yuǎn)，那么，為什么我們的細(xì)胞卻如此相似？而且并不只是外觀相似，所有復(fù)雜生命都有同一套細(xì)胞特征，從有性生殖到細(xì)胞衰老再到細(xì)胞凋亡，其機(jī)制之精巧復(fù)雜，與物種間的相似程度同樣驚人。為什么這些特征會(huì)在我們的共同祖先身上積聚？為什么在細(xì)菌身上卻找不到這些特征獨(dú)立演化的痕跡？如果這些特征是通過(guò)自然選擇微步演化而來(lái)，每一小步都帶來(lái)一點(diǎn)點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，那么為什么類(lèi)似的特征沒(méi)有出現(xiàn)在各類(lèi)細(xì)菌中？對(duì)這些問(wèn)題的探討可謂眾說(shuō)紛紜，但學(xué)界至今沒(méi)有給出令人信服的解釋。

這些問(wèn)題反映了地球生命奇特的演化軌跡。生命在地球形成約5億年后就已出現(xiàn)，距今大約40億年。然而，此后的20多億年中，也就是地球歷史一半的時(shí)間，生命一直停滯在細(xì)菌水平。直到40億年后的今天，細(xì)菌仍然保持簡(jiǎn)單的形態(tài)，雖然它們發(fā)展出豐富的生物化學(xué)代謝能力。所有形態(tài)復(fù)雜的生物，包括植物、動(dòng)物、真菌、藻類(lèi)和阿米巴原蟲(chóng)等單細(xì)胞原生生物，與細(xì)菌形成了鮮明的對(duì)比。它們是同一個(gè)祖先的后代，這個(gè)祖先大約于20億~15億年前出現(xiàn)，從外形到內(nèi)在都是一種“現(xiàn)代”細(xì)胞，擁有精細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空前的能量代謝水平。所有這些新特征，都由一套復(fù)雜的蛋白納米機(jī)器驅(qū)動(dòng)，由數(shù)以千計(jì)的新基因編碼，而這些基因在細(xì)菌身上幾乎從未發(fā)現(xiàn)。在復(fù)雜生命的共同祖先與細(xì)菌之間，沒(méi)有現(xiàn)存的演化中間型，沒(méi)有“缺失環(huán)節(jié)”來(lái)揭示為什么這些復(fù)雜的特征會(huì)出現(xiàn)，以及它們是如何演化的。在細(xì)菌的簡(jiǎn)單與其他一切生命令人敬畏的復(fù)雜之間，只有一片無(wú)法解釋的空白。一個(gè)演化的黑洞。

人類(lèi)為什么會(huì)遭到各種疾病的侵襲，這是一系列復(fù)雜到無(wú)法想象的問(wèn)題。為了尋求答案，人類(lèi)每年都會(huì)在生物醫(yī)學(xué)研究上投入巨額的金錢(qián)。我們現(xiàn)在對(duì)基因和蛋白質(zhì)的關(guān)系、對(duì)生物調(diào)節(jié)系統(tǒng)之間的反饋互動(dòng)，都掌握了海量的細(xì)節(jié)。我們建立了精密的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)模擬程序，以信息化的方式來(lái)重建這些生物過(guò)程。然而我們?nèi)匀徊恢?，所有這些生物組件都是如何演化而來(lái)的！如果我們不知道細(xì)胞為什么是這樣運(yùn)行的，又如何能指望理解疾病呢？不了解歷史，我們就不可能理解一個(gè)社會(huì)；不了解細(xì)胞的演化史，我們就不可能理解細(xì)胞的運(yùn)作方式。這些問(wèn)題不僅有重要的實(shí)用意義，它們本身也是人類(lèi)要面對(duì)的終極問(wèn)題：我們?yōu)槭裁磿?huì)存在？是什么樣的法則創(chuàng)生了宇宙、恒星、太陽(yáng)、地球，以及生命本身？同樣的法則是否也在宇宙中的其他地方創(chuàng)造了生命？外星生命是否和我們相似？諸如此類(lèi)的形而上之問(wèn)，關(guān)乎我們何以為人的核心。然而，自人類(lèi)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞350年之后，我們?nèi)匀徊恢赖厍蛏鼮槭裁磿?huì)是這樣。

讀者你可能還沒(méi)注意到人類(lèi)在這方面的無(wú)知，這不是你的錯(cuò)。各種教科書(shū)和學(xué)術(shù)刊物上滿(mǎn)載科學(xué)信息，但絕大多數(shù)都不會(huì)探究這種“幼稚”的問(wèn)題。我們被互聯(lián)網(wǎng)上各式各樣、良莠不齊的信息淹沒(méi)，難以辨別它們的真?zhèn)闻c用途。但這不僅僅是信息過(guò)載的后果，就連生物學(xué)家自己，對(duì)這個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中心的黑洞，也沒(méi)有多少清醒的認(rèn)識(shí)。絕大多數(shù)生物學(xué)家忙于研究其他問(wèn)題。大多數(shù)學(xué)者研究大型生物、特定的動(dòng)物或植物，少數(shù)人研究微生物，更少數(shù)的人研究細(xì)胞的早期演化。另外，生物學(xué)界還要擔(dān)心神創(chuàng)論者和智慧設(shè)計(jì)論的攻擊。他們擔(dān)心：承認(rèn)科學(xué)家不知道所有的答案，也許會(huì)讓反演化論者乘虛而入，讓他們嘲笑自己對(duì)演化實(shí)際上一無(wú)所知。這種擔(dān)心其實(shí)毫無(wú)必要，我們對(duì)已經(jīng)掌握的知識(shí)很有信心。生命起源和早期細(xì)胞演化理論能夠解釋海量的事實(shí)，與其他科學(xué)知識(shí)嚴(yán)密符合，能對(duì)未知的生物學(xué)關(guān)系進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且經(jīng)得起實(shí)證檢驗(yàn)。我們對(duì)自然選擇機(jī)制，對(duì)另一些塑造基因組的隨機(jī)過(guò)程都理解得非常充分。所有這些事實(shí)，都能與細(xì)胞的演化理論互相印證。然而，我們對(duì)事實(shí)的高度掌握恰恰凸顯了一個(gè)問(wèn)題：我們不知道為什么生命會(huì)以如此奇特的路徑演化。

科學(xué)家是充滿(mǎn)好奇心的人，如果這個(gè)問(wèn)題確實(shí)像我說(shuō)的這么嚴(yán)峻，它本應(yīng)該廣為人知。然而實(shí)際情況并非如此，科學(xué)界對(duì)這個(gè)問(wèn)題的意識(shí)遠(yuǎn)沒(méi)有明確?，F(xiàn)有的各種解釋互相爭(zhēng)論，但大都晦澀難懂，反而掩蓋了問(wèn)題本身。另一個(gè)難點(diǎn)在于，問(wèn)題的相關(guān)線(xiàn)索分散在眾多不同的研究領(lǐng)域之中：生物化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、種系發(fā)生學(xué)、生態(tài)學(xué)、化學(xué)和宇宙學(xué)。幾乎沒(méi)有人能成為所有這些領(lǐng)域真正的專(zhuān)家。生物學(xué)現(xiàn)在正處于“基因組革命”的進(jìn)程之中，我們掌握了成千上萬(wàn)種生物完整的基因組序列，包含億萬(wàn)數(shù)位的代碼。在這些數(shù)字化的生物信息中，從遠(yuǎn)古遺留至今的線(xiàn)索經(jīng)?；ハ嗝?，令人迷惑。對(duì)這些數(shù)據(jù)的解讀要求研究者擁有精深的邏輯、計(jì)算和統(tǒng)計(jì)技能，生物學(xué)上的理解反倒被擠到了從屬地位，“有當(dāng)然好，沒(méi)有也無(wú)大礙”。大數(shù)據(jù)研究方法的迷霧在我們周?chē)縿?dòng)，爭(zhēng)論交纏。每當(dāng)稍稍撥開(kāi)迷霧，更加離奇的新課題就會(huì)涌現(xiàn)?？茖W(xué)家曾經(jīng)的自信從容逐漸消失，我們現(xiàn)在面對(duì)著一幅嶄新的生物學(xué)場(chǎng)景：真實(shí)、嚴(yán)峻、令人不安。然而，從一個(gè)研究者的角度來(lái)看，能夠發(fā)現(xiàn)一個(gè)重要的新課題并尋求答案，非常激動(dòng)人心！生物學(xué)中最大的問(wèn)題還有待解決，本書(shū)正是我起手的嘗試。

細(xì)菌和復(fù)雜生命有什么樣的關(guān)系？早在17世紀(jì)70年代，荷蘭科學(xué)家安東尼·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）在自制的顯微鏡下發(fā)現(xiàn)微生物時(shí)，對(duì)這個(gè)問(wèn)題的初步研究就開(kāi)始了。他鏡頭下生機(jī)勃勃的“微型動(dòng)物”，讓當(dāng)時(shí)很多人都難以置信。但這些生命的存在，很快被同樣天才的羅伯特·胡克（Robert Hooke）再次證實(shí)。列文虎克還發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌，他在1677年那篇著名的論文中寫(xiě)道：它們“小到令人難以置信；以我視野中能看到的估計(jì)，100個(gè)這樣極其微小的動(dòng)物排成一行，寬度也超不過(guò)一粒細(xì)砂；如果我的估計(jì)正確，那么一百萬(wàn)個(gè)加起來(lái)，也不會(huì)比一粒細(xì)砂重”。不少后世的研究者懷疑，列文虎克是否真的用他簡(jiǎn)單的單鏡頭顯微鏡觀察到了細(xì)菌?，F(xiàn)在已經(jīng)沒(méi)有爭(zhēng)議：他確實(shí)做到了?？梢酝ㄟ^(guò)兩點(diǎn)證明：首先，他發(fā)現(xiàn)細(xì)菌無(wú)處不在——雨水中，海水中，并不僅僅在自己的牙齒上才能找到；其次，他通過(guò)敏銳的直覺(jué)發(fā)現(xiàn)了兩種微生物的區(qū)別，一種被他稱(chēng)為“非常微小的動(dòng)物”（即細(xì)菌），另一種則是“巨大的怪物”（實(shí)際是單細(xì)胞的原生生物，protists）。他區(qū)別二者的依據(jù)，在于觀察到后者旺盛的運(yùn)動(dòng)行為和“小腳”（纖毛）；他甚至注意到有些較大的細(xì)胞由多個(gè)小“液泡”組成，并與細(xì)菌進(jìn)行了比較（當(dāng)然他用的不是這些現(xiàn)代術(shù)語(yǔ)）。幾乎可以肯定，列文虎克在這些液滴中觀察到了細(xì)胞核，即所有復(fù)雜細(xì)胞貯藏基因的地方。接下來(lái)，關(guān)于這個(gè)課題的研究停滯了幾個(gè)世紀(jì)。在列文虎克發(fā)現(xiàn)微生物50年后，著名的分類(lèi)學(xué)家卡爾·林奈（Carl Linnaeus）把所有微生物不加區(qū)別地分在Vermes門(mén)（意為“蠕蟲(chóng)”）的Chaos屬（意為“無(wú)形狀”）。到了19世紀(jì)，與達(dá)爾文同時(shí)代的德國(guó)演化論學(xué)者恩斯特·?？藸枺‥rnst Haeckel）才再次確認(rèn)微生物之間存在重大差別，并把細(xì)菌與其他微生物區(qū)分開(kāi)來(lái)。20世紀(jì)中期以前，關(guān)于細(xì)菌的生物學(xué)認(rèn)知沒(méi)有多少進(jìn)展。

生物化學(xué)的統(tǒng)一，使細(xì)菌研究邁入了一個(gè)關(guān)鍵階段。此前，細(xì)菌花樣百出的新陳代謝能力讓它們似乎無(wú)法歸類(lèi)。它們可以依靠任何物質(zhì)生存，從混凝土到電池液到氣體。如果這些完全不同的生活方式?jīng)]有任何共同點(diǎn)，我們用什么依據(jù)來(lái)確定細(xì)菌的分類(lèi)呢？如果無(wú)法歸類(lèi)，我們又怎能理解細(xì)菌呢？正如化學(xué)元素周期表為化學(xué)研究帶來(lái)了理論的統(tǒng)一，生物化學(xué)也為細(xì)胞演化研究帶來(lái)了秩序。另一位荷蘭人阿爾貝特·克呂沃爾（Albert Kluyver）闡明：生命令人眼花繚亂的多樣性，其實(shí)是由非常相似的生物化學(xué)過(guò)程支撐。呼吸作用、發(fā)酵作用和光合作用雖然各有區(qū)別，但全都有共同的生物化學(xué)基礎(chǔ)。這種概念的整合，證明了所有生物起源于一個(gè)共同的祖先?？藚挝譅栒J(rèn)為，在生物化學(xué)層面，對(duì)細(xì)菌成立的理論，對(duì)大象也成立；細(xì)菌和復(fù)雜生物之間幾乎沒(méi)有界限。細(xì)菌的代謝多樣性遠(yuǎn)超復(fù)雜生物，但二者最基本的生命活動(dòng)過(guò)程都很相似?？藚挝譅柕膶W(xué)生科內(nèi)利斯·范尼爾（Cornelis van Niel），以及羅杰·斯塔尼爾（Roger Stanier），可能是那個(gè)時(shí)代最能理解細(xì)菌的本質(zhì)不同于其他生物的科學(xué)家。他們認(rèn)為，細(xì)菌就像原子，不可再分。它們是最小的生物功能單位。很多細(xì)菌和人類(lèi)一樣能進(jìn)行有氧呼吸，但必須通過(guò)整個(gè)細(xì)菌才能執(zhí)行這種功能，細(xì)菌沒(méi)有人類(lèi)細(xì)胞中專(zhuān)門(mén)進(jìn)行呼吸作用的組件。細(xì)菌繁殖時(shí)會(huì)分裂，但從功能角度來(lái)說(shuō)，細(xì)菌不可再分。

過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)中出現(xiàn)了三次顛覆人類(lèi)以往生命觀念的生物學(xué)革命。第一次在1967年的盛夏，由林恩·馬古利斯（Lynn Margulis）挑起。馬古利斯提出，復(fù)雜細(xì)胞不是經(jīng)由“標(biāo)準(zhǔn)”的自然選擇演化而來(lái)，而是通過(guò)一場(chǎng)合作共生的盛宴；細(xì)胞之間進(jìn)行非常密切的合作，直到永久入住彼此體內(nèi)。共生是指兩個(gè)或更多物種之間一種長(zhǎng)期的互動(dòng)關(guān)系，通常伴隨著物質(zhì)和服務(wù)的交換。對(duì)微生物來(lái)說(shuō)，物質(zhì)交換涉及的是新陳代謝所需的、構(gòu)成細(xì)胞生命的基礎(chǔ)物質(zhì)。馬古利斯使用的術(shù)語(yǔ)是內(nèi)共生（endosymbiosis）：同樣是交換物質(zhì)，但這種合作方式極為親密，合作一方干脆住到另一方的身體里面去了。馬古利斯這些觀點(diǎn)可以溯源到20世紀(jì)初期的研究，而且讓人想起大陸漂移學(xué)說(shuō)：非洲和南美洲的海岸線(xiàn)大致吻合，在地圖上看，二者就像是曾經(jīng)連在一起，后來(lái)才分開(kāi)的。這種“幼稚”的想法，曾經(jīng)被長(zhǎng)期嘲笑為荒誕不經(jīng)之談。與之類(lèi)似，復(fù)雜細(xì)胞的某些內(nèi)部結(jié)構(gòu)看起來(lái)很像細(xì)菌，而且好像是獨(dú)立生長(zhǎng)與分裂的。也許，解釋就是那么簡(jiǎn)單——它們本來(lái)就是細(xì)菌！

與大陸漂移學(xué)說(shuō)一樣，這些思想都走在了時(shí)代的前面，直到分子生物學(xué)于20世紀(jì)60年代興起，才給出了有力的論證。馬古利斯以細(xì)胞內(nèi)的兩種專(zhuān)門(mén)構(gòu)造為研究對(duì)象：線(xiàn)粒體和葉綠體。線(xiàn)粒體是細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸的場(chǎng)所，食物在線(xiàn)粒體內(nèi)氧化，并提供維持生命所需的能量。葉綠體是植物細(xì)胞進(jìn)行光合作用的發(fā)動(dòng)機(jī)，太陽(yáng)能在這個(gè)場(chǎng)所中轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。這兩種細(xì)胞器都保留了自身的微型基因組，其中只有幾十個(gè)基因，編碼幾十種呼吸作用或光合作用所需的蛋白質(zhì)。對(duì)這些基因測(cè)序后，真相終于明朗：簡(jiǎn)而言之，線(xiàn)粒體和葉綠體確實(shí)源自細(xì)菌。但它們不再是細(xì)菌，沒(méi)有真正的獨(dú)立性，因?yàn)榻^大多數(shù)對(duì)它們自身存在必需的基因（至少有1500個(gè)）都儲(chǔ)存在細(xì)胞核內(nèi)。細(xì)胞核，才是細(xì)胞的“基因控制中心”。

馬古利斯對(duì)線(xiàn)粒體和葉綠體的認(rèn)識(shí)是正確的。到了20世紀(jì)80年代，反對(duì)者已經(jīng)寥寥無(wú)幾。但是她的野心遠(yuǎn)不止于此：在她看來(lái)，整個(gè)復(fù)雜細(xì)胞（現(xiàn)在的正式名稱(chēng)是真核細(xì)胞）都由共生細(xì)菌拼接而成。很多其他的細(xì)胞組成部分，尤其是纖毛（即列文虎克描述的“小腳”），同樣起源于細(xì)菌（在馬古利斯看來(lái)，纖毛起源于螺旋體）。她認(rèn)為，一連串細(xì)菌共生合并造就了真核細(xì)胞。該理論后來(lái)被她命名為“系列內(nèi)共生理論”。她認(rèn)為還不只是單個(gè)的細(xì)胞，整個(gè)生物界的本質(zhì)就是一張巨大的細(xì)菌協(xié)作網(wǎng)絡(luò)：蓋亞（Gaia）。她和詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock），成了“蓋亞理論”的先驅(qū)。近些年，蓋亞理論改頭換面為“地球系統(tǒng)科學(xué)”（但摒棄了洛夫洛克原來(lái)的目的論成分），迎來(lái)了一次復(fù)興；但是，馬古利斯的觀點(diǎn)，即認(rèn)為真核細(xì)胞是細(xì)菌的集合體，從來(lái)沒(méi)有多少實(shí)證基礎(chǔ)。絕大多數(shù)真核細(xì)胞的內(nèi)部構(gòu)造，從形態(tài)上看并不像是起源于細(xì)菌，基因測(cè)序后更沒(méi)有獲得什么證據(jù)。所以，馬古利斯在某些問(wèn)題上是正確的，但在其他問(wèn)題上幾乎肯定錯(cuò)了。2011年，馬古利斯因中風(fēng)而過(guò)早去世。但她的斗士精神，她強(qiáng)烈的女性意識(shí)，她對(duì)達(dá)爾文主義式的競(jìng)爭(zhēng)的排斥和她對(duì)陰謀論的輕信，都讓她留下的智識(shí)遺產(chǎn)珠礫混雜。有人把她看作女權(quán)主義的英雄，有人認(rèn)為她是我行我素的偏執(zhí)狂?？杀幵谟?，無(wú)論褒貶，這些爭(zhēng)議大都遠(yuǎn)離科學(xué)。

第二次革命是種系發(fā)生學(xué)革命。這是一門(mén)關(guān)于基因族譜的學(xué)問(wèn)，早在1958年，弗朗西斯·克里克（Francis Crick）就預(yù)見(jiàn)了這場(chǎng)革命的開(kāi)端?？死锟说念A(yù)言，字里行間都帶著他特有的從容自信：“生物學(xué)家應(yīng)該意識(shí)到，很快我們就會(huì)迎來(lái)一門(mén)全新的學(xué)科，名字可能是‘蛋白分類(lèi)學(xué)’，即對(duì)生物蛋白質(zhì)氨基酸序列的研究，以及物種間的比較。這些序列是某種生物表型（phenotype）最細(xì)致的信息表達(dá)，它們之中可能隱藏著海量的生物演化信息?！彼念A(yù)言果然成真?，F(xiàn)代生物學(xué)的研究，很大程度上重心在于解開(kāi)蛋白質(zhì)和基因序列中隱藏的信息。我們已經(jīng)不再直接比較氨基酸序列，而是比較DNA的字母序列（由它們編碼蛋白質(zhì)），因?yàn)檫@樣準(zhǔn)確度和靈敏度更高。盡管克里克有如此敏銳的預(yù)見(jiàn)性，但是他或者其他任何人，當(dāng)時(shí)也完全想象不到，基因序列研究會(huì)牽出怎樣的生命秘密。

卡爾·烏斯（Carl Woese）是一位歷經(jīng)坎坷的革命者。20世紀(jì)60年代，他低調(diào)開(kāi)啟了自己的研究工作，十年后才收獲成果。當(dāng)時(shí)，烏斯需要選擇一個(gè)單一的基因來(lái)比較不同的物種。很明顯，這個(gè)基因必須存在于所有物種之中，必須具有同一種功能。對(duì)細(xì)胞而言，這種功能必須非?；尽O為重要，任何細(xì)微改變都會(huì)遭到自然選擇的懲罰。如果絕大多數(shù)變異都會(huì)被自然選擇淘汰，那么留存下來(lái)的必然是基本不變或者說(shuō)極端緩慢的演化，在漫長(zhǎng)的歲月中改變非常小。如果我們要比較不同物種幾十億年間累積下的差異，就必須遵守以上選擇標(biāo)準(zhǔn)。如果奏效，我們就能得到一張宏大的生命樹(shù)圖，一直追溯到生命起源。烏斯的計(jì)劃就是這樣志存高遠(yuǎn)。為了選出滿(mǎn)足這些苛刻要求的基因，他開(kāi)始研究細(xì)胞的基本功能，即細(xì)胞制造蛋白質(zhì)的能力。

所有細(xì)胞都有核糖體。這是一種精巧的納米機(jī)器，蛋白質(zhì)的組裝就是在核糖體上完成的。除了已經(jīng)成為時(shí)代標(biāo)志的DNA雙螺旋，在信息時(shí)代的生物學(xué)領(lǐng)域，沒(méi)有什么東西比核糖體更有象征意義了。它的構(gòu)造還體現(xiàn)了一種人類(lèi)思維難以測(cè)度的矛盾現(xiàn)象：比例。核糖體小到難以想象。細(xì)胞已經(jīng)小到必須用顯微鏡觀察；人類(lèi)歷史上的絕大多數(shù)時(shí)候，我們對(duì)細(xì)胞的存在都毫無(wú)概念。但核糖體比細(xì)胞還要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，人類(lèi)的一個(gè)肝細(xì)胞中就有1300萬(wàn)個(gè)核糖體。然而在原子維度上看核糖體，它又是非常巨大、極其復(fù)雜的超級(jí)建筑。由幾十個(gè)基本部件組成，這些活動(dòng)零件的運(yùn)行精度，遠(yuǎn)超現(xiàn)代的自動(dòng)化工廠流水線(xiàn)。這毫不夸張：核糖體首先與編碼蛋白質(zhì)的“穿孔帶”代碼腳本（即信使RNA）結(jié)合，然后按照序列逐個(gè)字母精確轉(zhuǎn)譯成蛋白質(zhì)。核糖體捕獲細(xì)胞質(zhì)中的游離氨基酸作為基本構(gòu)件，并把它們連成一條長(zhǎng)鏈，順序由代碼腳本決定。核糖體的錯(cuò)誤率大約為每10 000個(gè)字母出現(xiàn)一次錯(cuò)誤，比人類(lèi)高端制造業(yè)的廢品率低得多。它們的工作效率大約為每秒鐘處理10個(gè)氨基酸；由幾百個(gè)氨基酸組成的蛋白質(zhì)，一分鐘內(nèi)就能合成完。烏斯最終選擇了核糖體的一個(gè)亞基，可以說(shuō)是選了這臺(tái)精密機(jī)器上的一個(gè)小零件，把它的編碼基因作為比較對(duì)象。他比較了從細(xì)菌（例如大腸桿菌）到酵母再到人類(lèi)等不同物種中的這一基因序列。

他的發(fā)現(xiàn)顛覆了我們的世界觀。細(xì)菌和復(fù)雜真核生物之間的區(qū)別很明顯，在表示親緣關(guān)系的分支樹(shù)圖上，二者分屬不同的分支大類(lèi)。其中唯一的意外在于真核生物分支內(nèi)部，即植物、動(dòng)物和真菌之間的區(qū)別極小，但是，大多數(shù)生物學(xué)家仍在這個(gè)大類(lèi)中投入了畢生的研究精力。真正出乎所有人意料的是，生命居然存在第三個(gè)域（最頂端的生物分類(lèi)）。幾個(gè)世紀(jì)以前，我們就已經(jīng)知道這些簡(jiǎn)單細(xì)胞的存在，但一直把它們誤認(rèn)為細(xì)菌。它們的外觀和細(xì)菌一模一樣：同樣微小，同樣缺乏可以辨認(rèn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但二者之間核糖體的區(qū)別，如同柴郡貓的神秘微笑，揭示了另有一種不同于細(xì)菌的生命存在—盡管同樣缺乏復(fù)雜度。這種新的生物類(lèi)群和細(xì)菌一樣，沒(méi)有真核生物的復(fù)雜形態(tài)，但它們的基因和蛋白質(zhì)與細(xì)菌截然不同。這類(lèi)生物被命名為古菌（archaea），因?yàn)楫?dāng)時(shí)的研究人員猜測(cè)，它們比細(xì)菌更古老。他們很可能猜錯(cuò)了，現(xiàn)代的研究認(rèn)為，二者一樣古老。然而在基因和生物化學(xué)層面，細(xì)菌和古菌之間的鴻溝就像細(xì)菌和真核生物（人類(lèi)）之間一樣巨大。在烏斯著名的“三域”生命樹(shù)上，古菌域和真核生物域是“姊妹分支”，有較為接近的共同祖先。

古菌與真核生物在某些方面確實(shí)有很多相似之處，尤其是生物信息的流動(dòng)（即讀取基因序列并轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的方式）。古菌有幾種精巧的分子機(jī)器，類(lèi)似于真核生物的對(duì)等特征，只是少一些部件——也許這正是演化出真核生物復(fù)雜性的源頭。烏斯不顧細(xì)菌和真核生物在形態(tài)上的巨大差異，而是把所有生物分成了地位相當(dāng)?shù)娜齻€(gè)域，每個(gè)域內(nèi)都經(jīng)歷了充分的演化，沒(méi)有哪一支比其他任何一支更本源。他力主拋棄以前的術(shù)語(yǔ)“原核生物”（英文術(shù)語(yǔ)的原意為“出現(xiàn)細(xì)胞核之前”，適用于描述細(xì)菌和古菌），他的生命樹(shù)圖上也沒(méi)有任何基因特征來(lái)反映“原核生物”這一劃分。三個(gè)分支域都直接連回生命原點(diǎn)，擁有同一個(gè)神秘的祖先，不知如何就憑空出現(xiàn)了三支后代。烏斯晚年對(duì)生命最早期的演化持一種幾乎是神秘主義的態(tài)度，呼吁用整體論來(lái)研究生命。這很諷刺，因?yàn)樗救讼破鸬纳飳W(xué)革命，恰恰是基于純粹的還原論方法，即僅僅分析一個(gè)基因。細(xì)菌、古菌和真核生物確實(shí)是不同的類(lèi)群，這點(diǎn)毫無(wú)疑問(wèn)；烏斯的革命性開(kāi)創(chuàng)也確實(shí)意義重大。但是他倡導(dǎo)的整體論方法，即以生物的整個(gè)基因組為研究對(duì)象，正在引發(fā)第三次細(xì)胞學(xué)革命。而這場(chǎng)革命，又推翻了烏斯自己的認(rèn)識(shí)。

我們正處在第三次革命的進(jìn)程之中。它的推理方法比較曲折，但帶來(lái)的沖擊最大。它的理論起源于前兩次革命，特別致力于在二者之間建立聯(lián)系。烏斯的生命樹(shù)圖，描繪了一個(gè)底層基因在三個(gè)生物域中的趨異演化關(guān)系。馬古利斯描述的圖景，則是不同物種的基因通過(guò)融合、捕獲和共生行為，最終匯聚在一起的進(jìn)程。如果把后者的想法也畫(huà)成樹(shù)圖，會(huì)是一張匯聚圖，而不是分支圖，與烏斯的樹(shù)圖恰好相反。他們兩個(gè)不可能全都正確！不過(guò)也不會(huì)全錯(cuò)。真相就隱藏在二者之間的某個(gè)位置，這是科學(xué)研究中常常遇到的情況。但不要以為這只是對(duì)兩個(gè)理論的折中。目前正在成形的答案，比之前的兩種結(jié)論都更加激動(dòng)人心。

我們知道，線(xiàn)粒體和葉綠體確實(shí)源于細(xì)菌，它們是通過(guò)內(nèi)共生作用融入細(xì)胞的；而真核細(xì)胞的其他部分，很可能通過(guò)常規(guī)方式演化而來(lái)。關(guān)鍵問(wèn)題在于，融合究竟是什么時(shí)候發(fā)生的？葉綠體只存在于藻類(lèi)和植物中，所以很可能是由這兩類(lèi)的某個(gè)共同祖先單獨(dú)獲得的。因此，這應(yīng)該是一次較晚發(fā)生的事件。而線(xiàn)粒體存在于所有真核細(xì)胞之中（有一個(gè)實(shí)際上不是例外的“例外”，我們將在第一章中討論），所以獲得線(xiàn)粒體應(yīng)該是一次較早發(fā)生的事件。有多早？或許我們可以換個(gè)問(wèn)法：什么樣的細(xì)胞獲取了線(xiàn)粒體？以下是標(biāo)準(zhǔn)的教科書(shū)觀點(diǎn)：它是一種十分復(fù)雜的細(xì)胞，類(lèi)似于阿米巴原蟲(chóng)，是可以自由運(yùn)動(dòng)的捕食者，能夠變形，并通過(guò)吞噬作用吞噬其他細(xì)胞。也就是說(shuō)，與貨真價(jià)實(shí)、構(gòu)造完備的真核細(xì)胞相比，當(dāng)初獲得線(xiàn)粒體的細(xì)胞并沒(méi)有多大差別。然而我們現(xiàn)在知道，這種看法是錯(cuò)誤的。過(guò)去幾年間，研究人員選擇了更具代表性的物種，比較了大量基因，由此得出了毫不含糊的結(jié)論：那個(gè)宿主細(xì)胞是一個(gè)古菌，屬于古菌域。所有的古菌都是原核生物，顧名思義，它們沒(méi)有細(xì)胞核，沒(méi)有性別，沒(méi)有包括吞噬作用在內(nèi)的一切復(fù)雜生命特征。這個(gè)宿主細(xì)胞在形態(tài)方面幾乎沒(méi)有任何復(fù)雜度可言。然而，不知如何，它捕獲了后來(lái)變成線(xiàn)粒體的細(xì)菌。自那之后，它才演化出了所有的復(fù)雜特征。如果事實(shí)的確如此，那么復(fù)雜生命的單一起源很可能有賴(lài)于對(duì)線(xiàn)粒體的獲取，是線(xiàn)粒體觸發(fā)了復(fù)雜生命的狂飆演化。

復(fù)雜生命的起源，是發(fā)生在古菌宿主細(xì)胞和后來(lái)變成線(xiàn)粒體的細(xì)菌之間的內(nèi)共生事件，而且只發(fā)生過(guò)一次。這個(gè)激進(jìn)的理論，其實(shí)早在1998年就由演化生物學(xué)家比爾·馬?。˙ill Martin）提出。馬丁才華橫溢，直覺(jué)敏銳，思維開(kāi)闊。他發(fā)現(xiàn)了真核細(xì)胞不同尋常的基因嵌合現(xiàn)象，并據(jù)此提出了大膽的新理論。以發(fā)酵作用這條生物化學(xué)路徑為例：古菌使用一種特定的方式，細(xì)菌則采用另一種，兩種方式涉及的基因也大不一樣。而真核生物會(huì)使用幾種發(fā)現(xiàn)于細(xì)菌中的基因、幾種發(fā)現(xiàn)于古菌中的基因，并把它們編織成一條精密的復(fù)合路徑。這種錯(cuò)綜復(fù)雜的基因嵌合現(xiàn)象，不止發(fā)酵作用有，復(fù)雜細(xì)胞中的所有生物化學(xué)過(guò)程幾乎都是如此。從演化遺傳學(xué)的角度來(lái)看，這種情況簡(jiǎn)直是“豈有此理”！

馬丁考慮得十分周詳。為什么宿主細(xì)胞從它的內(nèi)共生體那里獲取了這么多基因，并把它們深深地融入自己的基礎(chǔ)架構(gòu)之中，取代了很多自身原有的基因？馬丁和米克洛什·米勒（Miklós Müller）共同提出的答案是“氫氣假說(shuō)”。他們認(rèn)為，宿主細(xì)胞是一個(gè)古菌，能利用兩種簡(jiǎn)單的氣體生活：氫氣和二氧化碳。內(nèi)共生體（未來(lái)的線(xiàn)粒體）是一個(gè)有著多種代謝方式的細(xì)菌（這對(duì)細(xì)菌而言很普遍），為宿主細(xì)胞提供氫作為養(yǎng)料。馬丁和米勒通過(guò)邏輯推理，一步步明確了這種共生關(guān)系的細(xì)節(jié)，解釋了為什么一種原本依靠簡(jiǎn)單氣體存活的細(xì)胞，后來(lái)會(huì)為了供養(yǎng)它的內(nèi)共生體而變成以有機(jī)物為食。但這些都不是這里的關(guān)鍵。關(guān)鍵在于，馬丁推測(cè)復(fù)雜生命起源于兩種細(xì)胞之間的單一內(nèi)共生事件。他認(rèn)為，宿主細(xì)胞是古菌，不具有真核細(xì)胞的那些復(fù)雜特征；他還認(rèn)為，從來(lái)就沒(méi)有所謂的“中間型”，即不存在尚未獲得線(xiàn)粒體的簡(jiǎn)單真核細(xì)胞；線(xiàn)粒體的獲得和復(fù)雜生命的起源，本來(lái)就是同一事件。他還認(rèn)為，真核細(xì)胞那些精巧繁復(fù)的特征，諸如細(xì)胞核、性和吞噬作用，全都發(fā)生在獲取線(xiàn)粒體之后，是在這種獨(dú)特的內(nèi)共生狀態(tài)下演化而來(lái)的。馬丁的研究代表了演化生物學(xué)中最深刻的洞察力，本應(yīng)該更加廣為人知。但是它太容易被人與系列內(nèi)共生理論混為一談（后面我們會(huì)看到，內(nèi)共生理論并沒(méi)有提出馬丁的這些推論），所以當(dāng)時(shí)未能脫穎而出。然而過(guò)去20年間，馬丁這些詳盡的理論預(yù)言全都得到了基因組研究的證實(shí)。這真是一座生物化學(xué)邏輯嚴(yán)密推理的豐碑！如果諾貝爾獎(jiǎng)單獨(dú)設(shè)立生物學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)，沒(méi)有人比馬丁更配得獎(jiǎng)。

圖1 顯示復(fù)雜細(xì)胞嵌合起源的生命樹(shù)（這是馬丁于1998年繪制的復(fù)合生命樹(shù)，依據(jù)的是對(duì)整個(gè)基因組的比較。細(xì)菌、古菌和真核生物三個(gè)域的關(guān)系如圖所示。真核生物的起源是嵌合式的，古菌宿主和細(xì)菌內(nèi)共生體的基因混合，宿主最終演化成了形態(tài)復(fù)雜的真核細(xì)胞，內(nèi)共生體最終演化成了線(xiàn)粒體。某一類(lèi)真核生物后來(lái)又獲取了第二種細(xì)菌內(nèi)共生體，最終演化成了藻類(lèi)和植物的葉綠體。）

所以，我們現(xiàn)在又回到了起點(diǎn)。我們掌握了很多知識(shí)，但還是不知道為什么生命會(huì)是這樣。我們知道復(fù)雜細(xì)胞起源于40億年演化史中的單一事件：一個(gè)古菌和一個(gè)細(xì)菌的內(nèi)共生（圖1）。我們知道復(fù)雜生命的特征在這次結(jié)合之后才演化出現(xiàn)。但我們?nèi)匀徊恢?，為什么這些特征會(huì)出現(xiàn)在真核細(xì)胞中，在細(xì)菌和古菌中卻沒(méi)有留下演化的痕跡。我們不知道是什么力量限制了細(xì)菌和古菌：為什么它們的生物化學(xué)機(jī)制如此多姿多彩、基因多態(tài)性如此豐富、依靠氣體和石頭都能頑強(qiáng)生存，但一直保持著簡(jiǎn)單的形態(tài)？我們真正擁有的是一個(gè)新穎大膽的理論構(gòu)架，可以依此繼續(xù)探索。

我相信，線(xiàn)索就藏在細(xì)胞的生物能量生產(chǎn)機(jī)制中。這種怪異的機(jī)制從各方面限制了細(xì)胞，但很少有人理解這一點(diǎn)。本質(zhì)上，所有的活細(xì)胞都通過(guò)質(zhì)子（帶正電荷的氫原子）回流來(lái)為自身提供能量，就像是某種電流——只是用質(zhì)子代替了電子。我們通過(guò)呼吸作用氧化食物而獲得的能量，被用來(lái)把質(zhì)子泵過(guò)一層膜，在膜的另一邊形成質(zhì)子蓄積。從這個(gè)“水庫(kù)”回流的質(zhì)子可以為細(xì)胞工作供能，如同水電站的渦輪電機(jī)。這種利用跨膜質(zhì)子梯度為細(xì)胞供能的奇特機(jī)制，發(fā)現(xiàn)之初完全出人意料。彼得·米切爾（Peter Mitchell）是20世紀(jì)最具獨(dú)創(chuàng)性的科學(xué)家之一，他于1961年首先提出了這一理論，并在此后的30年間逐漸將其完善。米切爾的學(xué)說(shuō)被認(rèn)為是自達(dá)爾文以來(lái)最“反直覺(jué)”的生物學(xué)理論，可與愛(ài)因斯坦、海森堡和薛定諤的物理學(xué)思想相媲美?，F(xiàn)在，我們對(duì)質(zhì)子動(dòng)力的工作方式理解得十分詳盡，已經(jīng)深入到蛋白質(zhì)層面。我們還發(fā)現(xiàn)，所有的地球生命，無(wú)一例外都利用質(zhì)子梯度供能。質(zhì)子動(dòng)力是生命不可或缺的成分，就像通用遺傳密碼。然而，這種反直覺(jué)的能量利用機(jī)制最初是怎么演化出來(lái)的，我們幾乎一無(wú)所知。在我看來(lái)，這就是位于當(dāng)代生物學(xué)核心的兩大未知問(wèn)題：為什么生命以如此令人困惑的路徑演化？為什么細(xì)胞的供能方式如此古怪？

寫(xiě)作本書(shū)就是為了嘗試回答以上兩個(gè)問(wèn)題，而且我相信二者緊密相關(guān)。我希望說(shuō)服讀者，演化是圍繞能量進(jìn)行的，我們必須考慮能量才能理解生命的各種特征。我希望向讀者展示，能量與生命從一開(kāi)始就密不可分，地球生命的基本特征源于一顆躁動(dòng)行星的能量失衡。生命的起源由能量流推動(dòng)，質(zhì)子梯度對(duì)細(xì)胞的出現(xiàn)至關(guān)重要，但是對(duì)質(zhì)子梯度的利用又限制了細(xì)菌和古菌的結(jié)構(gòu)。這些限制條件主宰了細(xì)胞之后的演化歷程，細(xì)菌和古菌雖然在生物化學(xué)方面花樣百出，卻一直保持著簡(jiǎn)單的形態(tài)。我想證明，一次罕見(jiàn)的內(nèi)共生事件，即一個(gè)細(xì)菌入住一個(gè)古菌體內(nèi)，打破了這些限制，使復(fù)雜細(xì)胞的演化成為可能。一個(gè)細(xì)胞在另一個(gè)活細(xì)胞內(nèi)生活并逐漸融合，這是很難實(shí)現(xiàn)的變化；形成這種關(guān)系的困難程度，解釋了為什么復(fù)雜生命的起源只有一次。我還想證明，這種密切的共生關(guān)系決定了后來(lái)出現(xiàn)的很多復(fù)雜細(xì)胞特征，包括細(xì)胞核、有性生殖、兩性，還有不朽的種系和無(wú)常的肉體—也是有限壽命和基因預(yù)定死亡的源頭。最后，從能量角度思考生命能讓我們認(rèn)識(shí)人類(lèi)自身的生物學(xué)特性，特別是演化過(guò)程中深層次的取舍權(quán)衡：生殖力和年輕時(shí)的健康，代價(jià)是衰老和疾病。我認(rèn)為，這些見(jiàn)解能夠幫助人類(lèi)增進(jìn)健康，至少能加深對(duì)健康的理解。

本文節(jié)選自《復(fù)雜生命的起源》，貴州大學(xué)出版社2020年10月版。

作者簡(jiǎn)介：

尼克·萊恩（Nick Lane），演化生物學(xué)家，英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院教授。他的研究方向?yàn)檠莼飳W(xué)與生物能量學(xué)，聚焦于生命的起源與復(fù)雜細(xì)胞的演化。他還是倫敦大學(xué)學(xué)院線(xiàn)粒體研究學(xué)會(huì)的創(chuàng)始成員，也是生命起源研究計(jì)劃的項(xiàng)目領(lǐng)頭人。2010年，他以《生命的躍升》榮獲英國(guó)皇家學(xué)會(huì)科學(xué)圖書(shū)獎(jiǎng)。尼克本人因?yàn)樵诜肿由飳W(xué)研究上的卓越貢獻(xiàn)，于2015年榮獲英國(guó)生物化學(xué)學(xué)會(huì)獎(jiǎng)。他不僅深耕自己的學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，還孜孜不倦地參與公眾科學(xué)普及。2016年，尼克因?yàn)樵诳茖W(xué)傳播上的深入付出而榮獲英國(guó)皇家學(xué)會(huì)邁克爾·法拉第獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

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原標(biāo)題：《生物演化史上的“黑洞”，可能需要物理學(xué)來(lái)填補(bǔ)丨展卷》

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