这三次生物学革命，改变了我们对复杂生命发源的认知｜赠书 -

地球上所有的复杂生命拥有一个共同祖先，它从简单的细菌演化而来，在 40 亿年的漫长岁月中只出现了一次。这究竟是一个反常的孤立事件，还是因为其他的复杂生命演化“实验”都失败了

本文节选自《复杂生命的起源》，赠书规则参见文末。

图书简介

作者：[英] 尼克·莱恩（Nick Lane）

译者：严曦

出版：后浪｜贵州大学出版社

继《氧气》和《能量、性、死亡：线粒体与我们的生命》之后，英国皇家学会科学图书奖和生物化学学会奖得主尼克·莱恩又一部从能量角度探索生命起源的重磅科普作品。作者热忱邀请每一位对生命感兴趣的读者，并以自己炽烈的好奇心感化和说动在专业性和纷杂学术论战之前略有踌躇的每一个人。

过去的半个世纪中出现了三次颠覆人类以往生命观念的生物学革命。第一次在 1967 年的盛夏，由林恩·马古利斯（Lynn Margulis）挑起。马古利斯提出，复杂细胞不是经由“标准”的自然选择演化而来，而是通过一场合作共生的盛宴；细胞之间进行非常密切的合作，直到永久入住彼此体内。共生是指两个或更多物种之间一种长期的互动关系，通常伴随着物质和服务的交换。对微生物来说，物质交换涉及的是新陈代谢所需的、构成细胞生命的基础物质。马古利斯使用的术语是内共生（endosymbiosis）：同样是交换物质，但这种合作方式极为亲密，合作一方干脆住到另一方的身体里面去了。马古利斯这些观点可以溯源到 20 世纪初期的研究，而且让人想起大陆漂移学说：非洲和南美洲的海岸线大致吻合，在地图上看，二者就像是曾经连在一起，后来才分开的。这种“幼稚”的想法，曾经被长期嘲笑为荒诞不经之谈。与之类似，复杂细胞的某些内部结构看起来很像细菌，而且好像是独立生长与分裂的。也许，解释就是那么简单——它们本来就是细菌！

与大陆漂移学说一样，这些思想都走在了时代的前面，直到分子生物学于 20 世纪 60 年代兴起，才给出了有力的论证。马古利斯以细胞内的两种专门构造为研究对象：线粒体和叶绿体。线粒体是细胞进行有氧呼吸的场所，食物在线粒体内氧化，并提供维持生命所需的能量。叶绿体是植物细胞进行光合作用的发动机，太阳能在这个场所中转化为化学能。这两种细胞器都保留了自身的微型基因组，其中只有几十个基因，编码几十种呼吸作用或光合作用所需的蛋白质。对这些基因测序后，真相终于明朗：简而言之，线粒体和叶绿体确实源自细菌。但它们不再是细菌，没有真正的独立性，因为绝大多数对它们自身存在必需的基因（至少有 1 500 个）都储存在细胞核内。细胞核，才是细胞的“基因控制中心”。

马古利斯对线粒体和叶绿体的认识是正确的。到了 20 世纪 80 年代，反对者已经寥寥无几。但是她的野心远不止于此：在她看来，整个复杂细胞（现在的正式名称是真核细胞）都由共生细菌拼接而成。很多其他的细胞组成部分，尤其是纤毛（即列文虎克描述的“小脚”），同样起源于细菌（在马古利斯看来，纤毛起源于螺旋体）。她认为，一连串细菌共生合并造就了真核细胞。该理论后来被她命名为“系列内共生理论”。她认为还不只是单个的细胞，整个生物界的本质就是一张巨大的细菌协作网络：盖亚（Gaia）。她和詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock），成了“盖亚理论”的先驱。

近些年，盖亚理论改头换面为“地球系统科学”（但摒弃了洛夫洛克原来的目的论成分），迎来了一次复兴；但是，马古利斯的观点，即认为真核细胞是细菌的集合体，从来没有多少实证基础。绝大多数真核细胞的内部构造，从形态上看并不像是起源于细菌，基因测序后更没有获得什么证据。所以，马古利斯在某些问题上是正确的，但在其他问题上几乎肯定错了。

2011 年，马古利斯因中风而过早去世。但她的斗士精神，她强烈的女性意识，她对达尔文主义式的竞争的排斥和她对阴谋论的轻信，都让她留下的智识遗产珠砾混杂。有人把她看作女权主义的英雄，有人认为她是我行我素的偏执狂。可悲之处在于，无论褒贬，这些争议大都远离科学。

第二次革命是种系发生学革命。这是一门关于基因族谱的学问，早在 1958 年，弗朗西斯·克里克（Francis Crick）就预见了这场革命的开端。克里克的预言，字里行间都带着他特有的从容自信：“生物学家应该意识到，很快我们就会迎来一门全新的学科，名字可能是‘蛋白分类学’，即对生物蛋白质氨基酸序列的研究，以及物种间的比较。这些序列是某种生物表型（phenotype）最细致的信息表达，它们之中可能隐藏着海量的生物演化信息。”

他的预言果然成真。现代生物学的研究，很大程度上重心在于解开蛋白质和基因序列中隐藏的信息。我们已经不再直接比较氨基酸序列，而是比较 DNA 的字母序列（由它们编码蛋白质），因为这样准确度和灵敏度更高。尽管克里克有如此敏锐的预见性，但是他或者其他任何人，当时也完全想象不到，基因序列研究会牵出怎样的生命秘密。

卡尔·乌斯（Carl Woese）是一位历经坎坷的革命者。20 世纪 60 年代，他低调开启了自己的研究工作，十年后才收获成果。当时，乌斯需要选择一个单一的基因来比较不同的物种。很明显，这个基因必须存在于所有物种之中，必须具有同一种功能。对细胞而言，这种功能必须非常基本、极为重要，任何细微改变都会遭到自然选择的惩罚。如果绝大多数变异都会被自然选择淘汰，那么留存下来的必然是基本不变或者说极端缓慢的演化，在漫长的岁月中改变非常小。如果我们要比较不同物种几十亿年间累积下的差异，就必须遵守以上选择标准。如果奏效，我们就能得到一张宏大的生命树图，一直追溯到生命起源。乌斯的计划就是这样志存高远。为了选出满足这些苛刻要求的基因，他开始研究细胞的基本功能，即细胞制造蛋白质的能力。

所有细胞都有核糖体。这是一种精巧的纳米机器，蛋白质的组装就是在核糖体上完成的。除了已经成为时代标志的 DNA 双螺旋，在信息时代的生物学领域，没有什么东西比核糖体更有象征意义了。它的构造还体现了一种人类思维难以测度的矛盾现象：比例。

核糖体小到难以想象。细胞已经小到必须用显微镜观察；人类历史上的绝大多数时候，我们对细胞的存在都毫无概念。但核糖体比细胞还要小几个数量级，人类的一个肝细胞中就有 1 300 万个核糖体。然而在原子维度上看核糖体，它又是非常巨大、极其复杂的超级建筑。由几十个基本部件组成，这些活动零件的运行精度，远超现代的自动化工厂流水线。这毫不夸张：核糖体首先与编码蛋白质的“穿孔带”代码脚本（即信使 RNA）结合，然后按照序列逐个字母精确转译成蛋白质。核糖体捕获细胞质中的游离氨基酸作为基本构件，并把它们连成一条长链，顺序由代码脚本决定。核糖体的错误率大约为每 10 000 个字母出现一次错误，比人类高端制造业的废品率低得多。它们的工作效率大约为每秒钟处理 10 个氨基酸；由几百个氨基酸组成的蛋白质，一分钟内就能合成完。

乌斯最终选择了核糖体的一个亚基，可以说是选了这台精密机器上的一个小零件，把它的编码基因作为比较对象。他比较了从细菌（例如大肠杆菌）到酵母再到人类等不同物种中的这一基因序列。

他的发现颠覆了我们的世界观。细菌和复杂真核生物之间的区别很明显，在表示亲缘关系的分支树图上，二者分属不同的分支大类。其中唯一的意外在于真核生物分支内部，即植物、动物和真菌之间的区别极小，但是，大多数生物学家仍在这个大类中投入了毕生的研究精力。真正出乎所有人意料的是，生命居然存在第三个域（最顶端的生物分类）。

几个世纪以前，我们就已经知道这些简单细胞的存在，但一直把它们误认为细菌。它们的外观和细菌一模一样：同样微小，同样缺乏可以辨认的内部结构。但二者之间核糖体的区别，如同柴郡猫的神秘微笑，揭示了另有一种不同于细菌的生命存在——尽管同样缺乏复杂度。这种新的生物类群和细菌一样，没有真核生物的复杂形态，但它们的基因和蛋白质与细菌截然不同。这类生物被命名为古菌（archaea），因为当时的研究人员猜测，它们比细菌更古老。他们很可能猜错了，现代的研究认为，二者一样古老。然而在基因和生物化学层面，细菌和古菌之间的鸿沟就像细菌和真核生物（人类）之间一样巨大。在乌斯著名的“三域”生命树上，古菌域和真核生物域是“姊妹分支”，有较为接近的共同祖先。

古菌与真核生物在某些方面确实有很多相似之处，尤其是生物信息的流动（即读取基因序列并转化为蛋白质的方式）。古菌有几种精巧的分子机器，类似于真核生物的对等特征，只是少一些部件——也许这正是演化出真核生物复杂性的源头。乌斯不顾细菌和真核生物在形态上的巨大差异，而是把所有生物分成了地位相当的三个域，每个域内都经历了充分的演化，没有哪一支比其他任何一支更本源。他力主抛弃以前的术语“原核生物”（英文术语的原意为“出现细胞核之前”，适用于描述细菌和古菌），他的生命树图上也没有任何基因特征来反映“原核生物”这一划分。三个分支域都直接连回生命原点，拥有同一个神秘的祖先，不知如何就凭空出现了三支后代。

乌斯晚年对生命最早期的演化持一种几乎是神秘主义的态度，呼吁用整体论来研究生命。这很讽刺，因为他本人掀起的生物学革命，恰恰是基于纯粹的还原论方法，即仅仅分析一个基因。细菌、古菌和真核生物确实是不同的类群，这点毫无疑问；乌斯的革命性开创也确实意义重大。但是他倡导的整体论方法，即以生物的整个基因组为研究对象，正在引发第三次细胞学革命。而这场革命，又推翻了乌斯自己的认识。

我们正处在第三次革命的进程之中。它的推理方法比较曲折，但带来的冲击最大。它的理论起源于前两次革命，特别致力于在二者之间建立联系。乌斯的生命树图，描绘了一个底层基因在三个生物域中的趋异演化关系。马古利斯描述的图景，则是不同物种的基因通过融合、捕获和共生行为，最终汇聚在一起的进程。如果把后者的想法也画成树图，会是一张汇聚图，而不是分支图，与乌斯的树图恰好相反。他们两个不可能全都正确！不过也不会全错。真相就隐藏在二者之间的某个位置，这是科学研究中常常遇到的情况。但不要以为这只是对两个理论的折中。目前正在成形的答案，比之前的两种结论都更加激动人心。

我们知道，线粒体和叶绿体确实源于细菌，它们是通过内共生作用融入细胞的；而真核细胞的其他部分，很可能通过常规方式演化而来。关键问题在于，融合究竟是什么时候发生的？叶绿体只存在于藻类和植物中，所以很可能是由这两类的某个共同祖先单独获得的。因此，这应该是一次较晚发生的事件。而线粒体存在于所有真核细胞之中（有一个实际上不是例外的“例外”，我们将在第一章中讨论），所以获得线粒体应该是一次较早发生的事件。

有多早？或许我们可以换个问法：什么样的细胞获取了线粒体？以下是标准的教科书观点：它是一种十分复杂的细胞，类似于阿米巴原虫，是可以自由运动的捕食者，能够变形，并通过吞噬作用吞噬其他细胞。也就是说，与货真价实、构造完备的真核细胞相比，当初获得线粒体的细胞并没有多大差别。

然而我们现在知道，这种看法是错误的。过去几年间，研究人员选择了更具代表性的物种，比较了大量基因，由此得出了毫不含糊的结论：那个宿主细胞是一个古菌，属于古菌域。所有的古菌都是原核生物，顾名思义，它们没有细胞核，没有性别，没有包括吞噬作用在内的一切复杂生命特征。这个宿主细胞在形态方面几乎没有任何复杂度可言。然而，不知如何，它捕获了后来变成线粒体的细菌。自那之后，它才演化出了所有的复杂特征。如果事实的确如此，那么复杂生命的单一起源很可能有赖于对线粒体的获取，是线粒体触发了复杂生命的狂飙演化。

复杂生命的起源，是发生在古菌宿主细胞和后来变成线粒体的细菌之间的内共生事件，而且只发生过一次。这个激进的理论，其实早在 1998 年就由演化生物学家比尔·马丁（Bill Martin）提出。马丁才华横溢，直觉敏锐，思维开阔。他发现了真核细胞不同寻常的基因嵌合现象，并据此提出了大胆的新理论。以发酵作用这条生物化学路径为例：古菌使用一种特定的方式，细菌则采用另一种，两种方式涉及的基因也大不一样。而真核生物会使用几种发现于细菌中的基因、几种发现于古菌中的基因，并把它们编织成一条精密的复合路径。这种错综复杂的基因嵌合现象，不止发酵作用有，复杂细胞中的所有生物化学过程几乎都是如此。从演化遗传学的角度来看，这种情况简直是“岂有此理”！

马丁考虑得十分周详。为什么宿主细胞从它的内共生体那里获取了这么多基因，并把它们深深地融入自己的基础架构之中，取代了很多自身原有的基因？马丁和米克洛什·米勒（Miklós Müller）共同提出的答案是“氢气假说”。他们认为，宿主细胞是一个古菌，能利用两种简单的气体生活：氢气和二氧化碳。内共生体（未来的线粒体）是一个有着多种代谢方式的细菌（这对细菌而言很普遍），为宿主细胞提供氢作为养料。

马丁和米勒通过逻辑推理，一步步明确了这种共生关系的细节，解释了为什么一种原本依靠简单气体存活的细胞，后来会为了供养它的内共生体而变成以有机物为食。但这些都不是这里的关键。关键在于，马丁推测复杂生命起源于两种细胞之间的单一内共生事件。他认为，宿主细胞是古菌，不具有真核细胞的那些复杂特征；他还认为，从来就没有所谓的“中间型”，即不存在尚未获得线粒体的简单真核细胞；线粒体的获得和复杂生命的起源，本来就是同一事件。他还认为，真核细胞那些精巧繁复的特征，诸如细胞核、性和吞噬作用，全都发生在获取线粒体之后，是在这种独特的内共生状态下演化而来的。

马丁的研究代表了演化生物学中最深刻的洞察力，本应该更加广为人知。但是它太容易被人与系列内共生理论混为一谈（后面我们会看到，内共生理论并没有提出马丁的这些推论），所以当时未能脱颖而出。然而过去 20 年间，马丁这些详尽的理论预言全都得到了基因组研究的证实。这真是一座生物化学逻辑严密推理的丰碑！如果诺贝尔奖单独设立生物学奖项，没有人比马丁更配得奖。

所以，我们现在又回到了起点。我们掌握了很多知识，但还是不知道为什么生命会是这样。我们知道复杂细胞起源于 40 亿年演化史中的单一事件：一个古菌和一个细菌的内共生。我们知道复杂生命的特征在这次结合之后才演化出现。但我们仍然不知道，为什么这些特征会出现在真核细胞中，在细菌和古菌中却没有留下演化的痕迹。我们不知道是什么力量限制了细菌和古菌：为什么它们的生物化学机制如此多姿多彩、基因多态性如此丰富、依靠气体和石头都能顽强生存，但一直保持着简单的形态？我们真正拥有的是一个新颖大胆的理论构架，可以依此继续探索。

我相信，线索就藏在细胞的生物能量生产机制中。这种怪异的机制从各方面限制了细胞，但很少有人理解这一点。本质上，所有的活细胞都通过质子（带正电荷的氢原子）回流来为自身提供能量，就像是某种电流—只是用质子代替了电子。我们通过呼吸作用氧化食物而获得的能量，被用来把质子泵过一层膜，在膜的另一边形成质子蓄积。从这个“水库”回流的质子可以为细胞工作供能，如同水电站的涡轮电机。

这种利用跨膜质子梯度为细胞供能的奇特机制，发现之初完全出人意料。彼得·米切尔（Peter Mitchell）是 20 世纪最具独创性的科学家之一，他于 1961 年首先提出了这一理论，并在此后的 30 年间逐渐将其完善。米切尔的学说被认为是自达尔文以来最“反直觉”的生物学理论，可与爱因斯坦、海森堡和薛定谔的物理学思想相媲美。

现在，我们对质子动力的工作方式理解得十分详尽，已经深入到蛋白质层面。我们还发现，所有的地球生命，无一例外都利用质子梯度供能。质子动力是生命不可或缺的成分，就像通用遗传密码。然而，这种反直觉的能量利用机制最初是怎么演化出来的，我们几乎一无所知。在我看来，这就是位于当代生物学核心的两大未知问题：为什么生命以如此令人困惑的路径演化？为什么细胞的供能方式如此古怪？

读者福利

对于生命的奥秘，你还想了解什么？我们将从留言入选读者中随机抽取 3 位，送出《复杂生命的起源》一本。

1. 在本文评论区留言，我们将从入选留言中抽取 3 位读者赠送图书 1 本，留言收集将于 12 月 14 日（星期一）下午 17:00 截止。

2. 目前礼品邮寄仅限中国内地，如果您身在港澳台地区或国外，获得赠书后可以请国内亲友代收。

点个“在看”，分享给更多的小伙伴

点此返回爱影视电影