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复杂生命的起源 [:1700000014]
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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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在第二章中，我们已经瞻仰过这个共同祖先的奇特肖像。看上去，露卡已经拥有了蛋白质和DNA，已经开始使用通用遗传密码，DNA先转录成RNA，再通过核糖体转译成蛋白质。而性能卓越的分子机器——核糖体，能够通过阅读DNA传递的信息合成蛋白质；它本身由几十种蛋白质和RNA组成，细菌与古菌都使用相同的一套。从它们的结构以及基因序列来看，核糖体应该在演化的很早期就开始分化，而且没有发生多少水平基因转移。还有一点，细菌与古菌都使用化学渗透，都利用跨膜质子梯度合成ATP。ATP合酶也是一种卓越的分子机器，精密程度类似于核糖体，而且与核糖体同样古老，同样在所有生物中普遍存在。细菌和古菌的ATP合酶结构细节有很小的差别，这说明双方的ATP合酶都源自露卡，后来没有被水平基因转移改变太多。所以，ATP合酶应该与核糖体、DNA和RNA一样，也是露卡拥有的特征。另外还有一些零星的核心生化反应，比如氨基酸合成反应、克氏循环（Krebs cycle，即三羧酸循环）的一部分，在细菌和古菌体内有共同的反应路径，说明露卡也应该有。除了以上这些，其他的线索少得可怜。
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那么细菌和古菌有哪些不同呢？多得惊人。二者用于DNA复制的酶，大部分都不一样。还有什么比这更基础呢？可能只有细胞膜了。然而细菌与古菌的细胞膜也完全不同，细胞壁也不一样。也就是说，这两层分隔活细胞与周围环境的屏障，细菌与古菌采用完全不同的构件。这让我们几乎不可能猜到它们的共祖有怎样的细胞膜和细胞壁。还有很多其他差异，但这几处基本区别已足够说明问题。我们在前一章中列出了活细胞的六项基本特征：碳流、能量流、催化作用、DNA复制、区隔化和排泄。细菌与古菌之间只有前三项非常相似，而且相似之处也局限于某些方面，我们后面会谈到。
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对于这些差异有几种可能的解释。一种解释是，露卡可能每种东西都有两套，细菌丢掉了其中一套，古菌丢掉了另一套。这听起来有点蠢，但我们不能轻易否定它。例如，把细菌与古菌的脂质混在一起确实可以形成结构稳定的膜，证明它们可以共存。也许露卡真的同时拥有两种脂质，而它的后代各自特化，丢掉了其中一种。这个解释针对有些特征可能还说得通，但外推到所有特征就不行了，因为它会陷入一个叫作“伊甸园基因组”的悖论。如果露卡原本各种基因都有，她的后代才开始精简，那么露卡一开始就要有一个非常庞大的基因组，比现代任何原核生物的基因组都大得多。在我看来，这种解释是本末倒置：先复杂再变简单？每个问题一开始就有两套解决方案？而且为什么所有的后代，每样东西都恰好丢失了一套？这实在难以令人信服，所以来看看第二种可能。
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第二种解释认为，露卡其实是一个非常标准的细菌，有细菌式的细胞膜、细胞壁和DNA复制机制。后来某个时候，它的一群后代（也就是最早的古菌）为了适应某种极端条件（比如高温热液喷口），把这些特征背后的基因都换掉了。这可能是目前最广为接受的解释，但它同样缺乏说服力。如果是这样，那么为什么细菌与古菌从DNA到蛋白质的转录和转译过程如此相似，而DNA的复制却差异巨大？如果古菌更换细胞膜和细胞壁是为了适应热液环境，那为什么嗜极菌（extremophile bacteria）生活在同一个热液环境，却没有把它们的细胞膜和细胞壁换成古菌型，或至少是类似的装备呢？为什么生活在土壤或者海洋中的古菌，没有把它们的细胞膜和细胞壁换回细菌型呢？地球上的很多种环境中都有古菌与细菌并存；尽管水平基因转移可以跨过两个域传播，二者的基因和生化机制仍然保持着根本的差异。这个解释就是说，古菌为适应一种极端环境而演化出这么多根本差异，之后就一直固定在古菌身上，无论在其他环境中有多不合适，从无例外。还是让人没法相信。
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现在只剩下最后一种可能，其实是明摆着的。或许，这些看起来自相矛盾的现象其实一点也不矛盾。露卡确实用化学渗透操作ATP合酶，但它确实没有现代的细胞膜，也没有现代细胞用来泵出质子的大型呼吸蛋白复合体。它确实有DNA、核糖体，使用通用遗传密码，会转录、转译，但还没有演化出现代的DNA复制机制。这个幽灵一般的细胞，各种特征的奇异组合对开放海洋环境中的生存没有一点意义；但如果考虑前一章讨论过的碱性热液环境，那就有意思了。线索就在于细菌和古菌在这种喷口环境中的生存方式。尤其是其中一些种类，靠一种原始的代谢过程生存，我们称之为“乙酰辅酶A途径（acetyl CoA pathway）”。这种代谢方式的本质，与碱性热液喷口的地球化学环境出奇相似。
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通往“露卡”的崎岖之路
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整个生物世界中，一共只有六条化学反应途径可以固定碳元素：“固定”意味着把二氧化碳等无机物转换成有机分子。其中五条都很复杂，都需要注入能量才能推动反应，例如光合作用就需要太阳能。以光合作用为例还有一个原因：它进行卡尔文循环（Calvin cycle），把二氧化碳转换成糖类等有机物，而卡尔文循环只在光合细菌中进行（当然还有植物，植物细胞中的叶绿体前身为光合细菌）。这意味着卡尔文循环不太可能是共祖特征，因为如果露卡也能进行光合作用，那所有的古菌都彻底丢掉了它——抛弃如此厉害的技能，是不是太傻了？因此，卡尔文循环应该是后来才在细菌那一支随着光合作用独立演化出来的。其他几条固碳反应路径也都有类似的问题，除了一条：只有乙酰辅酶A途径，同时存在于细菌和古菌身上。也就是说，这条代谢路径很可能为它们的共祖所拥有。
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这个说法还不是完全准确。细菌和古菌的乙酰辅酶A途径仍然有一些奇怪的差异，本章的后面部分会再来讨论。现在让我们暂且考虑一下，为什么这条路径有理由被认为是共祖特征（种系发生学的研究结果太不明确，无法支持也无法否定这一点）。使用乙酰辅酶A途径的古菌是产甲烷菌，对应的细菌是产乙酸菌。有些生命树把产甲烷菌放在很早期的分支上，另一些把产乙酸菌放在早期分支上，还有一些则把两类都放在较晚期的分支上，认为它们之所以简单不是因为种系古老，而是反映了后续的特化和精简演化。如果我们完全依赖种系发生学，可能永远搞不明白。幸好还有其他办法。
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乙酰辅酶A途径从氢气和二氧化碳开始。上一章我们详细讨论过，这两种分子在碱性热液喷口环境中都很丰富，而且二者生成有机物的反应是一种放能反应。热力学原理上，这个反应应该自动发生，然而实际上有一道能量障壁，让氢气与二氧化碳分子不能很快反应。产甲烷菌利用质子梯度克服这道能量障壁，我认为这是共祖特征。产甲烷菌和产乙酸菌都完全靠氢气与二氧化碳的反应生活，从中获取生长所需的能量和生物碳。这一点让乙酰辅酶A途径与其他五种固碳反应路径截然不同。地球化学家埃弗雷特·肖克（Everett Shock）总结得很形象：“就像吃免费的午餐，还倒贴钱。”这顿午餐虽然算不上丰盛，但在热液喷口环境中全天无限供应。