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复杂生命的起源 [:1700000015]
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复杂生命的起源 第三部 复杂性
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复杂生命的起源 [:1700000016]
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5 复杂细胞的起源
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奥逊·威尔斯（Orson Welles）在黑色电影《第三人》中有一段著名的台词：“意大利在波吉亚（Borgias）家族30年的统治下，充满了战争、恐怖、谋杀和流血事件，但是也贡献了米开朗琪罗、达·芬奇和文艺复兴。在瑞士，人民亲如手足，享受了500年的民主与和平，但是他们创造了什么？布谷鸟报时钟。”据传，这是威尔斯自己写下的。瑞士政府还因此给他发了一封抗议信，信中怒斥道：“我们不生产布谷鸟报时钟。”我对瑞士或者威尔斯都没有意见，提到这个故事只是因为对我来说，它生动地描述了演化。自从第一个复杂的真核细胞在大约20亿至15亿年前诞生，生物界也出现了战争、恐怖、谋杀和数不尽的流血事件，大自然中充斥着冷酷的竞争。但是在此之前，我们有20亿年亘古的和平与共生，有细菌之爱（还不止于爱），然而漫长无尽的原核生物时代，又创造了什么？当然没有像布谷鸟报时钟这样又大又复杂的东西。从形态复杂度来看，不论是细菌还是古菌，都完全无法与真核生物相提并论，哪怕是和单细胞真核生物比较。
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有一点值得再次强调。原核生物的两大域，不论是细菌还是古菌，其基因多样性和生化反应的灵活多变都令人叹为观止。在新陈代谢能力方面，它们让真核生物完全相形见绌：单独一个细菌的代谢多样性，就能超过整个真核生物域的所有生物。但不知为何，细菌和古菌从来没有直接发展出和真核生物相当的复杂结构。从细胞体积来看，原核生物细胞一般小于真核生物细胞的1/15,000（有一些很说明问题的例外，下面我们会谈到）。在基因组容量方面，原核生物和真核生物有大小差不多的，但总体仍然差距巨大。目前已知最大的细菌基因组，有大约1,200万对碱基。而人类基因组有大约30亿对碱基，还有些真核生物的基因组可以大到超过1,000亿对碱基。最令人惊奇的是，经过40亿年的演化，细菌与古菌几乎没有任何变化。40亿年间，地球环境经历了各种翻天覆地的巨变。大气和海洋中氧气浓度的上升完全改变了生存条件，但细菌与古菌行若无事。全球冰川期（即雪球地球时代）曾经把整个生态系统推到崩溃边缘，但细菌与古菌仍然不为所动。寒武纪大爆发带来了动物，但对细菌来说只不过是有了新的牧场可以享用。以人类的偏见，我们总爱把细菌看作病原体，尽管真正致病的只是众多原核生物中的冰山一角而已。细菌顽固地保持本色，从没有演化出哪怕是像跳蚤这样的大小和复杂度。没有什么东西比细菌更保守。
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我曾在第一章中提过，对这些现象最好的解释就是结构上的限制。在身体结构上，真核生物的确与细菌和古菌有一些非常根本的差异。只有真核生物突破了结构的限制，所以也只有真核生物发展出无限复杂的形态。在代谢机制方面，原核生物可谓天马行空，面对各种稀奇古怪的环境化学条件，它们都会发明出相应的巧妙解决方法。而真核生物弃化学多样性于不顾，转而变得更大、更复杂，释放出尺寸与结构的无限潜力。
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结构限制的概念并非什么新奇观点，但具体是什么样的限制，从来没有共识。生物学界过去提出了很多突破结构限制的假说，比如“失去细胞壁的灾难”，或者“发明了棒状染色体”。失去细胞壁可能是灾难性的：没有外面那层坚硬的支架，细胞很容易膨胀、爆裂。然而困在这件“拘束衣”里，细胞也因此无法改变形状、无法四处移动，更无法通过吞噬作用吞食其他细胞。牛津大学的生物学家卡瓦里耶－史密斯很早以前就提出过一个假说：在一个罕见的场合，细菌成功地抛弃了细胞壁，因而摆脱限制，演化出了吞噬作用。他认为这是演化出真核生物的关键。确实，要想演化出吞噬作用就得先丢掉细胞壁，但倒过来的逻辑是不成立的。很多细菌丢掉了它们的细胞壁，却什么事也没有。比如L型细菌（L-form bacteria）就没有细胞壁，却活得好好的，也没有演化出运动或者吞噬作用的迹象。好几种古菌也没有细胞壁，但也没有变成噬菌细胞。这些没有细胞壁的细菌和古菌并没有变得更加复杂，而很多真核生物（包括植物和真菌）拥有细胞壁，却比原核生物复杂得多。所以，认为笨重的细胞壁就是真正的限制，让古菌和细菌无法演化得更复杂，这种说法经不起仔细推敲。比较真核藻类与原核生物蓝细菌后就很能发现问题：二者生活方式相似，都进行光合作用，都有细胞壁；但藻类的基因组通常比蓝细菌的大几个数量级，细胞体积大得多，复杂度也更高。
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棒状染色体的假说也存在类似的问题。原核细胞的染色体通常是环状的；DNA复制会从一个特定的起点（即复制子）开始。但是，DNA复制的过程通常比细胞分裂慢，而DNA复制没完成，细菌就不能分裂成两个。也就是说，只有一个复制子实际上限制了细菌染色体的尺寸，因为染色体较小的细菌，DNA复制得更快，分裂得也更快。如果细菌丢弃任何不必要的基因，就可以加快分裂速度。所以从长期来看，染色体较小的细菌会占优势。尤其当它们随时可以通过水平基因转移把以前丢掉但现在需要的基因捡回来时，这种优势就更加明显。而真核生物通常有若干条棒状（线状）染色体，每条染色体上都有多个复制子。也就是说，真核生物体的DNA复制过程是并行的，而细菌的DNA复制是线性的，效率低得多。然而，这个限制理论无法解释为什么原核细胞没能演化出多条棒状染色体。实际上，研究人员现在发现，部分细菌和古菌确实有棒状染色体，在DNA复制的时候也可以“并行处理”。尽管如此，它们的基因组并没有扩充到真核生物的水平。所以，一定另有限制原因。
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为什么细菌没有继续发展到和真核生物一样复杂？基本上，所有着眼于结构限制的解释，都会遇到同样的问题：每当有人提出某种“规则”，都会遇到一大堆例外。著名演化生物学家约翰·梅纳德·史密斯（John Maynard Smith）曾尖刻地指出，这些解释根本不中用。
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那么，什么样的解释才管用呢？我们已经发现，种系发生学无法给出一个简明的答案。真核生物的共祖已经是一个很复杂的细胞。它有棒状的染色体、被膜的细胞核、线粒体，还有多种功能专一的细胞器，有众多膜状构造，有动态的细胞骨架，还有有性生殖等特征。它已经很像一个现代的真核细胞。在细菌身上找不到任何这些类似于真核生物的特征。这是种系发生学的“事件视界”，意味着真核生物特征的演化轨迹在追溯到真核生物共祖出现时即告中断，更早的情况无从得知。就好比去追溯现代社会各种发明的源头，房子、卫生设施、道路、社会分工、农业、法院、常备军、大学、政府等诸如此类的存在都能追溯到古罗马；但是在古罗马之前，就只有原始的狩猎－采集社会。我们找不到古希腊、古中国、古埃及、古黎凡特、古波斯或者其他任何古代文明的遗迹，极目所见，只有大量的狩猎－采集部落留下的痕迹。最奇怪的是，这就像专家们花费了几十年时间，考察世界各地的考古场所，希望发掘出更古老的城市或古罗马之前的文明遗迹，希望能找到线索，以此推测罗马是怎么建成的。他们发现了几百个样本，但仔细考察后才发现，每个遗迹其实都出现在罗马之后。所有这些表面上古老、原始的城市，其实都建成于“黑暗中世纪”，而建造者的祖先家系都能追溯到古罗马。条条大路通罗马，而罗马还真是一天就建成了！①
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这听起来很荒谬，但差不多就是目前生物学面临的窘境。在细菌与真核生物之间，确实找不到中间型的“文明遗迹”。一些貌似中间型的生物（即第一章讨论过的源真核生物）曾经显赫一时，就像拜占庭的空壳，在帝国的最后几个世纪龟缩到君士坦丁堡的城墙之内，虚有其表。我们该如何去梳理这团尴尬的乱麻呢？事实上，种系发生学确实提供了一条线索。这条线索从前被单一基因的研究方法所忽略，但现在的全基因组比较研究方法揭示了它的存在。
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复杂性的嵌合起源
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从单一基因重建整部演化史，根本的不足就在于肯定会画出一棵分支树。即使使用核糖体RNA基因这样高度保留、普遍存在的基因，这一点也不会改变。一个基因在同一个生物身上不可能背负两段不同的历史，因为基因不可能是嵌合的。②在种系发生学的完美世界中，根据每个基因都应该能画出一棵相似的树，它们都应该反映相似的历史。但我们已经发现，演化史的早期完全不是这样。通常可以回到使用一组基因的方法来解决这个问题，这些基因被认为是真正拥有共同历史的基因，合乎标准的一共只有几十个。有人把这样画出来的生命树称为“真正的亲缘关系树”。如果这棵树反映了事实，那么真核生物与古菌的亲缘关系会非常接近，这就是现在标准的“教科书”版生命树（图15）。真核生物与古菌到底有多近？目前没有统一的意见，因为不同的基因、不同的研究方法会给出不同的结果。但是长久以来的一致意见是，真核生物是古菌的姊妹群。我讲课的时候也喜欢展示这棵树。树枝的长度代表了遗传的距离。可以很清楚地看到，细菌、古菌和真核生物一样，其类群内部的基因都有很多变异与分化。但是，古菌与真核生物之间有一段长长的空白枝干，这一段发生了什么事呢？这棵树并没有给我们提供任何信息。
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如果从整个基因组来看，我们就会发现完全不同的模式。真核生物的很多基因，在细菌和古菌身上都找不到任何对应基因。这些基因就是所谓的真核生物“识别”基因（signature genes）。不过随着研究方法的进步，不断有基因找到了原核生物的变体，识别基因所占的比例也随之减少。即使以较为保守的标准方法衡量，也有多达1/3的真核生物基因可以在原核生物体内找到对应基因。这些基因必然来自原核生物和真核生物的共祖，我们称这些基因是同源的（homologous）。有趣的地方就在这里：真核生物的同源基因并非来自同样的祖先。大约有3/4的同源基因似乎来自细菌，剩下的1/4则似乎来自古菌。人类基因组是这样，而且并不是特例。酵母基因组的情况十分类似，果蝇、海胆和苏铁也都是如此。在基因组层面，似乎所有的真核生物都是怪异的嵌合体。
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这个现象本身无可争议，但是它代表的意义却众说纷纭。例如，真核生物的识别基因与原核生物的基因在序列上完全没有相似性。这怎么解释呢？有人认为这是因为这些识别基因才是古老的基因，始于生命诞生之初。这是所谓的古老真核假说（venerable eukaryote hypothesis）。或许这些基因是从一个非常古老的共祖开始分化的，经过漫长的岁月，它与其他分支之间的任何相似性都已经在时间的迷雾中磨灭。如果真是这样，推论就是真核生物在很久以后一定通过某种方式（比如获取线粒体）纳入了不少原核基因。
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这个古典理论对真核生物的崇拜者一直都有感性的吸引力。在科学研究中，感性和个性所占的分量出人意料的重。有些研究者对突发的巨变有天然的好感，另一些则强调渐进式的微步演变。生物学家圈内的老笑话，把这两种倾向分别称为“抽风演化论”对“爬行演化论”。③现实当中的演化兼而有之。对有些人来说，真核生物的问题关乎人类中心论的尊严。我们是真核生物，把自己看作后起的基因杂种，似乎有损人类的尊严。有些科学家坚持主张真核生物来自生命树的最底层，在我看来，这其实是出于个人情感因素。确实很难证明这种观点是错的，但如果真是这样，那为什么真核生物沉寂了这么久才突然一飞冲天，变得硕大且复杂？迟了整整25亿年！为什么我们在化石记录中可以看到许多原核生物的痕迹，却找不到任何古老真核生物的踪迹？还有，既然真核生物在获得线粒体之前可以成功存活这么久，那为什么现在没有留下任何没有线粒体的后代？它们也不可能是因为与别的物种竞争失败而灭绝。我们已经在前面讨论过，源真核生物的存在（见第一章）证明，形态简单的真核生物可以与细菌和复杂的真核生物共存长达数亿年。
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对真核生物识别基因的另一个解释认为，只不过是因为它们演化得比其他基因快得多，所以失去了与原核生物亲缘基因序列的相似性。为什么它们演化得如此之快？如果它们后来执行的功能与原核生物中的祖先基因不同，那么它们受到的选择压力也会不同，从而迅速演化。对我来说，这个解释相当合理。我们知道，真核生物的基因组中有很多所谓的“基因家族”；同一家族中有若干个同一来源的基因副本，各自特化，执行不同的功能。在形态复杂性上，真核生物进入了一个原核生物不可企及的境地，那么也不奇怪相应的基因为了适应全新的任务而迅速演化，最终失去了与原核基因的相似性。这个解释的实质是说，真核生物的识别基因还是来自细菌或古菌的某些祖先基因，只是对新功能的适应性演化完全抹去了过往历史。后面我会来论证这个假说的正确性。现在我们只需理解，真核生物拥有大量识别基因，这并不能否定真核生物本质上是嵌合体（即原核生物之间某种合并的产物）的可能性。
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那么，真核生物体内那些真正的同源基因又是怎么回事呢？为什么它们一部分来自细菌，一部分来自古菌？这些现象本身显然完全符合嵌合起源假说，真正的问题在于不同来源的数量。以真核生物的“细菌来源”基因为例。种系发生学家詹姆斯·麦金纳尼（James McInerney）比较了真核生物与细菌的整个基因组，发现真核生物的细菌型基因与许多不同的细菌类群都有亲缘关系。把它们画到亲缘关系树上会发现，不同的基因来自不同的细菌分支。原先很多人认为，真核生物的细菌型基因都来自α－变形菌（α－proteobacteria），因为α－变形菌被公认为线粒体的祖先。然而实际上，真核生物的细菌型基因来源远不仅限于此。根据已有研究的大致推测，至少有25种不同的现代细菌类群都为真核生物提供过基因。古菌型基因的来源情况也类似，只不过牵涉的类群比细菌的少一些。更有趣的是，马丁的研究显示（图21），在生命树的真核生物分支内部，所有这些细菌型和古菌型基因都一起分支、共同演化。很明显，真核生物在演化早期就获得了它们，所以从那时起，这些基因就拥有了共同的历史。这就排除了在真核生物的后续演化途中，持续的水平基因转移的影响。真核生物起源之初，似乎发生了一件奇怪的事。最早的真核生物，一下子就从原核生物身上取走了好几千个基因，然后就再也没与原核生物进行过基因交流。对此最简单的解释，不是细菌式的水平基因转移，而是真核细胞式的内共生。
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图21 真核生物的广泛基因嵌合现象
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许多真核生物基因都能在细菌或古菌中找到对应的基因，然而来源范围广得惊人。如马丁与他的团队制作的这张树图所示。图中展示的是有明显原核生物来源的真核基因，与它们最相似的细菌或古菌类群之间的对应关系。较粗的线表示，通过这个来源获得了较多的基因。例如，真核生物显然从广古菌门（Euryarchaeota）那里获得了很大一部分基因。基因来源的广泛，可以用多次内共生事件解释，也可以用水平基因转移来解释。但是，形态研究无法提供证据确定，也很难解释为什么这些来自原核生物的基因，在真核生物中的分化路径是一致的。这意味着在真核生物演化的早期，在一段短暂的时间内发生了大量基因转移，但之后的15亿年间几乎没再发生。更简单、更现实的解释是，一个古菌与一个细菌之间发生了一次内共生事件，二者的基因组与任何现代的细菌和古菌类群都不一样。由此产生的后代与其他原核生物之间发生了水平基因转移，从而造就了现代这些有多种来源基因的类群。
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从表面证据来看，演化史上确实有可能发生过多次内共生，就像序列内共生理论预测的那样。但要说曾经有25种不同的细菌和7～8种不同的古菌在演化早期全体参与了一场基因乱交派对，或者说一次单细胞生物的共生狂欢节，而在之后的整个真核生物史中，彼此都不再联系，这实在令人难以置信。可如果不是这样，那又如何解释这种基因嵌合模式呢？有一个很简单的解释：水平基因转移。请注意，我并没有自相矛盾。真核生物起源之初，可能发生过一次内共生事件，之后细菌与真核生物之间就基本没有基因交流；但在这段漫长的时间中，各个细菌种群之间却不断地发生水平基因转移。为什么真核生物的基因会与多达25种细菌型基因一起分化？表象背后的原因，很可能是真核生物最初是从某一群细菌中一次性获取了大量基因，而这群细菌后来慢慢分化了。假设我们从今天识别的25种细菌中随机抽取一些基因，然后放入一种细菌体内。再假设这个“新”种群是线粒体的祖先，生活在15亿年以前。现代细菌中找不到和这个种群相似的细菌，但既然细菌中的水平基因转移如此盛行，当然应该找不到了！这群细菌的一部分被内共生作用俘获，剩下的仍然保持细菌的自由生活，在之后的15亿年间奉行水平基因转移，四处散播它们的基因。所以，它们古老的基因组合，现在会散布在很多现代细菌种群之中。
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同样的现象也发生在内共生事件的宿主细胞上。假设从那7～8种与真核生物有联系的古菌身上取出一些基因，放到某一群15亿年前的古菌中。同样，这群古菌中的某些成员捕获了内共生体（后来变成了线粒体），其他的则继续过着古菌的正常生活，通过水平基因转移散布基因。请注意，我们的这些假设均采用逆向工程④的方法，除了已知事实之外，没有引入任何其他假设。水平基因转移在细菌和古菌中很常见，在真核生物中则很少见。另外还要注意一个假设：某个原核生物（一种古菌，根据定义，它无法通过吞噬作用吞下其他细胞）可以通过吞噬作用之外的某种机制获取内共生体。我们暂且先接受这个假设，后面再详细讨论。
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在所有关于真核生物起源的假说中，这可能是最简单合理的一种，即一个古菌宿主与一个细菌内共生体之间，发生了一次基因嵌合事件。我并不奢望读者马上就能信服。我只是认为，这个假说与目前所有的真核生物种系发生学研究结果非常符合。当然还有其他几种假说也很符合，我个人比较倾向于这个假说，只是因为它最符合奥卡姆剃刀原理（对相同数据的所有解释中，它最简单）。另外，纽卡斯尔大学的演化生物学家马丁·恩布利（Martin Embley）和他的团队也提出了越来越充分的种系发生学证据，支持这个假说（图22）。不过，鉴于真核生物种系发生学研究仍然有很多争议，针对这个问题，是否还有其他的解决方法呢？我认为有。如果说真核生物是通过两个原核生物（细菌和古菌）发生内共生作用而诞生的，而其中的内共生体后来变成了线粒体，那么我们就能从另一个更具观念性的角度来探索这个问题。为什么当一个细胞进入另一个细胞体内后，会彻底改变原核生物的命运，释放出真核生物无尽的复杂性呢？有一个很关键的原因，而它与能量有关。
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