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⑧ 瓦赫特绍泽改变了我们对生命起源的理解。他坚决摒弃原始汤理论，在学术期刊上与米勒展开了漫长而激烈的争论。很多人以为科学讨论都应该是心平气和、不带感情的，我这里引用一些瓦赫特绍泽抨击原始汤理论的语言，让大家领略一下他的风格：“前生物汤理论（其实就是原始汤理论，这是瓦赫特绍泽不太尊重的叫法而已）已经被批得体无完肤，因为它的逻辑自相矛盾，与热力学原理南辕北辙，从化学和地球化学上都完全说不通，与生物学和生物化学割裂，在实验中更是被完全否定！”
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⑨ 很遗憾，拉塞尔经过再三考虑，现在也同意了这个看法。他多次尝试让二氧化碳和氢气在极端条件下反应，来制造甲醛与甲醇，结果都失败了。所以他现在也认为这不可能。目前，他与沃尔夫冈·尼奇克合作研究其他分子驱动生命起源的可能性，特别是甲烷（由热液喷口制造）和一氧化氮（可能存在于早期海洋中）的反应，类似于现代甲烷氧化菌（methanotrophic bacteria）的生化机制。我和马丁不同意他们的看法，原因不在此详述。如果读者有兴趣，我推荐列在参考文献中苏萨（Sousa et al.）团队的论文。这个课题与早期海洋的氧化状态有关，所以是非常重要的问题，而且可以在实验室进行验证。过去的十年间，学术界有一个大进步，就是越来越多的的科学家都开始认真对待碱性热液喷口理论。在这个理论框架下，很多个人和团队从不同方向提出了明确可验证的假说，并着手进行实验。这才是正确的科学研究方式。我相信，我们所有人都乐于被人证明在细节上犯了哪些错误，同时又希望整个理论架构仍然站得住脚，继续丰富。
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⑩ 如果你真是细节控，解释在这里。还原电位的单位是“毫伏”(millivolts)。假设把一个镁电极放入装着硫酸镁溶液的烧杯中。金属镁有很强的电离倾向，所以会向溶液中放出更多的Mg2+离子，电子则被留在电极上，这样电极就会有负电荷，数值可以相对“标准氢电极”进行量化。标准氢电极，是指在25℃以下的氢气环境中，把惰性的铂电极放入pH=0的质子溶液（强酸性，每公升溶液含有1克质子）。如果把镁电极和标准氢电极用导线连接起来，电子就会从带负电的镁电极流向相对带正电（其实只是负电荷较小）的氢电极，与强酸性溶液中的质子结合释放出氢气。相对于氢电极，金属镁的还原电位非常低（－2.37伏特）。注意这些数值都是在pH=0的条件下测量的。在正文中我写到氢气在pH=7时的还原电位是－414毫伏，因为还原电位会随着pH升高而降低，pH每上升1，还原电位大约会降低59毫伏（详见正文下一段）。
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⑪ 惠勒此语并非针对某个具体的理论发现，而是在他提出“参与的宇宙”（participatory universe）概念的论文末尾发出的感叹，指的是未来理解了宇宙终极本质之后，人类会有的感悟。由此可见本书作者的雄心。——译者注
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复杂生命的起源 4 细胞的诞生
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“I think”（我认为），达尔文在笔记本上潦草写下这两个单词，旁边还画着一张生命树的草稿。那是1837年，自他从小猎犬号环球之旅归来后才刚刚过去一年时间。22年后，《物种起源》的初版仅有一幅插图，那就是一棵生命树，画得比草稿更精美而已。生命树的概念是达尔文思想的核心，自他以后也一直是演化生物学的核心。所以当有人站出来宣布它存在错误时，总会令人震惊。2009年，恰逢《物种起源》出版150周年纪念，《新科学人》杂志（New Scientist）就在封面上用大号字体发出了挑战。杂志封面为了吸引读者，当然会觍着脸夸大其词，但文章本身还算温和，而且提出了具体的论证。科学上对与错的界限很难确定，不过我们可以说：生命树确实存在错误。但这并不是说达尔文对科学的主要贡献——自然选择演化学说也是错的；只能说他的遗传学知识受到了时代的局限。这也不是什么新闻，我们早就清楚达尔文对DNA、基因和孟德尔定律无所知，更不用说细菌之间的水平基因转移。所以，他对遗传学的认识就像隔着一层遮光玻璃。所有这些局限都无损达尔文自然选择学说的正确。所以从狭义的专业角度来看，那个耸人听闻的封面是对的；但在深层次的意义上，它严重误导了读者。
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要说这个封面有什么积极意义，那就是把一个重要的课题放在聚光灯下。生命树的概念有一个基本设定：“垂直”遗传，即亲代通过有性繁殖，把基因拷贝传给子代。基因的代代相传通常在物种内部进行，而物种之间鲜有基因交流。一个物种内部的种群之间如果产生了生殖隔离，基因会慢慢出现差异，彼此交流越来越少，最终形成新的物种。这就是分支生命树的由来。细菌的情况比较复杂。它们不进行真核生物那样的有性生殖，所以就无法像真核生物那样，将它们分类为清晰的“种”。“物种”这个概念在细菌中的定义一直都很麻烦。关键在于，细菌通过水平基因转移扩散基因，除了把整套基因组传给子代细胞，还会像撒零钱似的把几个基因的组合（质粒）传给其他细菌。这些情况与自然选择没有任何冲突，基因在遗传中仍然伴随着改变；但造成这种“改变”的方式，比我们从前认识到的更加多样。
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细菌中普遍的水平基因转移，让生物学知识的可靠性范围出现了重大问题。这个问题就像物理学中著名的“测不准原理”一样根本。在分子生物学时代，你看到的任何生命树都是基于仅仅一个基因绘制的。这个基因负责编码核糖体小亚基RNA，它由前面提到的分子种系发生学先驱乌斯精心选出。①乌斯认为这个基因存在于所有生物中，而且它极少甚至没有机会通过水平基因转移扩散。这种看法有一定的根据。所以乌斯认为，对这个基因的统计可以用来代表细胞生命“真实的亲缘关系”（图15）。如果我们严格认为，亲代细胞分裂成子代细胞，子代细胞的核糖体RNA基因总是来自亲代细胞，那么乌斯当然是对的。但如果很多代之后，细胞的其他基因都被水平基因转移替换，又会发生什么呢？在复杂的多细胞生物中，这种情况很罕见。如果我们对鹰的核糖体RNA进行测序，结果会告诉我们这是一只鸟。我们可以据此推断，这只鸟有喙、羽毛、爪、翅膀，会下蛋，等等。这是因为垂直遗传保证了，核糖体RNA的“基因型”（genotype）和生物整体的“表［现］型”之间总是保持高度的相关性。编码这些鸟类特征的基因，都是核糖体RNA演化旅程中的旅伴。它们一代代结伴同行，在漫长的岁月中当然会发生一些改变，但极少有剧烈的变动。
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图15 著名而误导性的三域生命树
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这是乌斯于1990年提出的生命树。这张图是基于一个极端保守的基因（编码核糖体小亚基RNA），通过两两比对不同物种之间同一个基因的差异而绘制的（因为这个基因存在于所有生物中，所以它也应该存在于最后共同祖先“露卡”身上）。我们可以通过这棵树看到，真核生物与古菌这两个域比较接近，而它们二者与细菌的关系都比较远。这对于一小群核心基因来说确实没有错，但对大部分真核生物基因来说并不正确；大部分真核生物基因与细菌的关系比与古菌的关系更近。所以，这张极具象征意义的生命树图实际上非常误导人。它可以说是一个基因的演化树，但绝不是广义的生命树。
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现在我们假设，水平基因转移占主导地位。我们又对核糖体RNA测序，结果依然显示：这是一只鸟。到这时，我们真的去看一眼这只“鸟”：原来它有一个身体，六条腿，眼睛长在膝盖上，全身被毛；它会下蛙卵一样的蛋，没有翅膀，叫声像鬣狗。这种场景当然很荒谬，却是我们研究细菌时遇到的实际问题。我们经常跟这些四不像的怪物面对面，只不过因为细菌都很小、形态也简单，我们还不至于尖叫。细菌几乎总是基因嵌合体，其中有些更是真正的怪物，基因组乱七八糟，就像我刚才描述的“鸟”一样。种系发生学家真的应该发出惨叫，因为如果只看核糖体基因型，我们很难推测这些细菌是什么样子、是怎样生活的。
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如果单一基因测序无法告诉我们细胞的其他情况，那它还有什么用呢？它当然有用，用处取决于时间跨度，以及基因转移发生的快慢。如果水平基因转移的发生率很低（如植物、动物、很多原生生物和某些细菌的情况），而且我们不把分析延伸到太久以前，那么核糖体RNA基因型与细胞表型之间就会有很高的相关性。但如果水平基因转移发生得很频繁，这种相关性很快就不复存在。比如说，从核糖体RNA序列上看不出致病大肠杆菌和无害的普通大肠杆菌之间有什么区别；造成某些大肠杆菌异常生长而致病的，是一些从外部获取的基因。不同菌株的大肠杆菌之间，基因组的差异可以高达30%，是人类与黑猩猩基因组差异的十倍之多，但我们仍然认为这些大肠杆菌属于同一个物种！基于核糖体RNA的种系分析，对于了解这些小杀手毫无帮助。况且，即使水平基因转移的发生率很低，但是如果时间跨度太大，相关性一样会消失。也就是说，几乎不可能知道细菌如何在30亿年前生活。因为就算转移率很低，这么长的时间内，它们所有的基因都可以替换好几轮了。
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所以，生命树错就错在我们对自己的知识过于自信。我们希望重建所有细胞之间真实的亲缘关系，这样就能推测每一个物种如何从其他物种演变而来，亲缘关系就能一直追溯到起点，最终推断出地球上所有生物共同祖先的基因组成。如果真的做到了这一点，我们就可以知道这个最后共祖细胞的所有特征，从细胞膜组成到它生活的环境，再到它靠什么分子进行代谢。但是我们无法达到这样的精确度。马丁做过一个很有意思的分析，并根据结果画出了一张视觉悖论图，他称之为“神奇消失的树”。他选出了48个所有生物共有的基因，为每一个基因画了一棵生命树，来显示50种细菌与50种古菌之间的亲缘关系（图16）。②在树梢部分，48个基因的分析都得出了这100种原核生物有一模一样亲缘关系的结果。靠近树根的部分也差不多：48个基因的分析结果都表明，生命树最早的分叉在细菌和古菌之间，从那之后它们分为两支。也就是说，最后共同祖先（last universal common ancestor，通常缩写为LUCA，即“露卡”）是细菌与古菌的共祖。但是当我们想弄清细菌或古菌内部更深的分支情况时，没有哪两个基因的统计结果是一致的。根据48个基因画出了48棵完全不同的生命树！究其原因，可能是技术上的问题（时间久远导致误差累积，统计信号磨损殆尽），也可能是水平基因转移，即统计垂直基因继承的模型被某些随机横向传播的基因摧毁了。我们不知道究竟是哪个原因，而且目前看来不可能分辨清楚。
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图16 神奇消失的生命树
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这棵生命树比较了50种细菌和50种古菌的48个共有基因，分析了它们互相之间的分支情况。所有48个基因被串连起来，形成一个单独的序列，以此增加统计效力（这是种系发生学研究中常用的方法）；再用这个“超级基因”序列绘制一棵“超级生命树”，反映100种细菌和古菌之间的亲缘关系。接下来再为每个基因都绘制一棵单独的生命树，每棵树都与超级基因树进行比对。图中分支颜色的深浅，代表了这一分支上有多少单一基因树是与超级基因树重合的。重合得越多，颜色就越深。在树的根部，几乎所有48个基因的分支情况都与“超级基因”相同，这很明确地显示，细菌与古菌很早就已分化。在分支的各个树梢上，大部分基因的分支情况都与超级基因树有类似之处。但是在两个类群各分支的内部，“枝干”消失了，没有任何单独的基因具有与“超级基因”一样的分支顺序和历史。这可能是因为水平基因转移模糊了分支模式，但也可能只是因为在40亿年间，统计意义上再强的信号模式也经不住漫长演化史的磨损。
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这个结果有什么意义呢？简单说就是我们不可能知道哪一种细菌或古菌是最古老的。一棵基因树可能显示产甲烷菌是最古老的古菌，另一棵树显示不同的结果。因此，实际上我们不可能重建最古老的细菌可能拥有的特征。就算能找到某种聪明的办法，证明产甲烷菌确实是最古老的古菌，我们仍然无法确定它们是否与现代的产甲烷菌一样，靠制造甲烷为生。把多个基因组合在一起来增强统计信号的办法也不管用，因为每个基因都可能有不同的历史，组合在一起的信号是虚假的。
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但是，马丁的48个共有基因至少得出了一个共同的结论：生命树上最早出现的分叉介于细菌与古菌之间。这给我们留下了一线希望。如果可以搞清楚哪些特征是所有细菌和古菌共有的，哪些又是各自特有、后来在各自的分支上独立演化的，我们也许就有机会为露卡画出一张近似的“肖像”。但这种思路很快就会遇到另一个麻烦：有些细菌和古菌共有的基因，很可能原先只存在于特定的种群中，后来通过水平基因转移给了其他的种群。某些基因在整个域中扩散，这是我们早就知道的现象。如果这种现象发生在演化早期，比如“神奇消失树”根部与树梢之间的那一段空白期呢？这样的基因看起来像是通过垂直遗传从露卡那里继承而来，但事实并非如此。一个基因越有用，就越有可能在演化早期广泛传播。为了消除这种广泛的水平基因转移带来的混淆，我们还是必须回到真正的共有基因，也就是所有细菌与古菌每一种群的代表菌种都有的基因。至少，这些基因通过早期的水平转移而广泛传播的可能性要小得多。现在的问题是，这样的共有基因非常少，只有不到一百个。基于它们画出的露卡“肖像”，非常奇特。
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