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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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图22 生命分为两域，而非三域
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恩布利团队的研究认为真核生物起源于古菌。小图A是传统的三域生命树，每一个域都是单系类群（互相没有混合）：最上面的是真核生物域，最下面的是细菌域，古菌域被分成几大类群，类群之间的关系都比它们与细菌或真核生物的关系更近。小图B是根据恩布利团队的新近研究绘制的生命树，有更多的证据支持。这项研究基于更广泛的抽样，涉及更多参与转录和转译的信息基因。在这张图中，真核生物的这些信息基因在古菌域内部分支，与泉古菌（eocytes）类群最接近，所以这个假说得名为“泉古菌假说”。这意味着，真核生物起源时获得细菌内共生体的宿主，是一个不折不扣的古菌，类似于泉古菌，而不是某种“原始的吞噬细胞”。图中的TACK代表古菌域中的一个“超门”，包含了奇古菌门（Thaumarchaeota）、曙古菌门（Aigarchaeota）、泉古菌门（Crenarchaeota）和初古菌门（Korarchaeota）。
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为什么细菌仍然是细菌
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这个问题的关键，在于原核生物都利用化学渗透提供能量，无论细菌还是古菌。我们已经在上一章中看到，最早的细胞如何能在热液喷口结构的薄壁之间诞生，那里的天然质子梯度如何驱动碳代谢与能量代谢，以及为什么对质子梯度的依赖性能迫使细菌与古菌彻底分化。对这些问题的探讨，确实可以解释化学渗透偶联是如何出现的，但并没有解释为什么它会永远保留在所有的细菌、古菌和真核生物身上。难道没有某种生物丢弃化学渗透偶联，代之以其他更好的能量机制？没有这种可能吗？
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确实有。以酵母为例，它们大部分时间都在进行发酵作用，另有几种细菌也是。发酵作用可以直接产生ATP，速度较快，对原料的使用效率却较低。单纯进行发酵作用的生物很快就会污染周围的环境，导致自己无法生长。酒精或乳酸等发酵作用的终产物，会被其他微生物利用。使用化学渗透的细胞，可以利用氧气或硝酸盐等氧化剂与这些废物反应，获取更多的能量，生长得更充分。在有其他细菌参与消解废物的情况下，发酵作用还是很好用的，但单独使用局限性很大。⑤有充分的证据显示，在演化过程中，发酵作用是在呼吸作用之后出现；如果从热力学上的局限性来看其出场顺序，也非常合理。
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发酵作用，是生物除了化学渗透偶联之外唯一已知的产能方式。这倒是让人比较意外。各种形式的呼吸作用和光合作用、各种形式的自养作用，只要是完全利用简单无机分子供细胞生长的机制，都彻底依赖化学渗透。其根本原因，我们已在第二章做过较为充分的解释。化学渗透偶联还特别灵活，它像是一个公共操作系统，支持多种电子供体和受体即插即用，还允许小范围的改装来产生更好的效果。同样，相关基因可以通过水平基因转移在种群之间交流，就像把新的应用程序安装到其他兼容系统中。所以，化学渗透偶联能让生物的代谢适应几乎任何一种环境，而且适应得非常快。难怪它会一统天下！
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更优越的是，化学渗透偶联可以从任何环境中挤出最后一滴能量。以产甲烷菌为例，它们利用氢气和二氧化碳反应驱动碳代谢和能量代谢。我们讨论过，氢气和二氧化碳本身并不容易发生反应，一开始必须注入一些能量来克服活化能障壁，反应才能进行。产甲烷菌巧妙地利用电子歧化作用，来迫使它们反应。关于这个反应的能量水平，“兴登堡”号飞艇事故能提供一例参考。“兴登堡”号是一艘巨型德国飞艇，气囊中充满了氢气，横跨大西洋后意外起火，像一颗燃烧弹一样猛烈爆炸，从此让氢气蒙上了危险的坏名声。氢气和氧气在一起时，原本是稳定不反应的，但一簇小火花就能提供活化能，启动反应，释放出巨大的能量。而氢气与二氧化碳的反应，恰好面临相反的问题：启动反应所需的“火花”相对较大，反应释放的能量却少了许多。
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如果一种反应释放的可用能量小于启动注入能量的两倍，细胞要直接利用它，就会受到一种奇特的限制。还记得从前在学校配平化学反应式吗？必须是整个分子参与反应，不可能是半个分子与另外四分之三个分子反应。如果细胞用掉一个ATP分子，生产出的ATP分子却少于两个，情况就非常尴尬。因为不存在1.5个ATP分子，只有完整的一个或者两个。能量不可能无中生有，只能浪费，所以细胞花掉一个ATP分子只能获得一个ATP分子，能量净收益为零。这就排除了细胞直接利用氢气和二氧化碳反应的可能。不仅是氢气和二氧化碳这一对，很多其他氧化还原对（即可以进行氧化还原反应的一对电子供体和受体）的能量水平也是这样，比如甲烷与硫酸盐。但是尽管存在这种化学上的限制，细胞还是把这些氧化还原对用得好好的。原因在于，从定义上看，跨膜质子梯度就是一种渐变（gradations）。化学渗透偶联的优势，就在于它完全超越了化学。它让细胞可以把能量“零钱”储存起来。如果需要10个质子才能合成1个ATP分子，而某个化学反应释放的能量只够泵出4个质子，那只需要把反应重复3次，泵出12个质子，再抽出其中10个就可以用来制造ATP分子。这一机制不仅对于某些形式的呼吸作用绝对必要，也能为所有的生物带来极大的好处，因为它让细胞可以把点滴的能量储存起来；如果没有化学渗透，这些能量就只能以热量的形式浪费掉。这一个特点让质子梯度相对普通的化学反应永远占优势，这就是“微操作”的强大威力。
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化学渗透偶联在能量方面的优势，足以解释为什么它的核心地位历经40亿年而不变。然而它还在其他一些方面融入了细胞的功能。一种机制越是根深蒂固，其他不相关的特征就越有可能以它为发展基础。质子梯度被广泛使用于细胞的其他各种功能之中，比如摄取营养和排泄废物；它也被用来转动细菌的鞭毛（一种可以旋转的外部推进结构），让细菌可以自由运动；它还可以被故意耗散，用来产生热量，褐色脂肪细胞就会这样做。最有趣的是，质子梯度的崩解还被用来启动细菌种群突然的“程序性死亡”。一个细菌细胞被病毒侵染后，它的死亡几乎已经注定。但是它如果死得够快，在病毒自我复制之前就干掉自己，那么它附近的亲族（周围带有相似基因的细菌）就有可能幸免于难。因此，指挥细菌自杀的基因会普遍散布在整个种群之中。但是这些死亡基因必须迅速发挥效力才能起作用，而洞穿细胞膜正是最快的细胞自杀机制之一。许多细菌正是这样做的：一旦遭到感染，它们就会在自己的细胞膜上形成孔洞。依赖细胞膜的质子动力当然会随之瓦解，细胞的死亡程序也会随之启动。这个意义上，质子梯度是细胞健康状态的终极感应器，生与死的裁决者。在本章的后面部分我们会看到，这个功能影响深远。
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总而言之，化学渗透偶联的普遍性看起来绝非偶然。它的起源很可能与生命的起源关系紧密，也和细胞在碱性热液喷口环境（目前看来最有可能的生命孵化器）的诞生有关。几乎所有的细胞都使用化学渗透，其实是理所当然的。它曾经显得十分诡异，但只是表面上反直觉而已。根据我们的分析，化学渗透偶联应该是宇宙中所有生命共有的特征。也就是说，其他星球上的生命也会面临地球上细菌和古菌同样的问题，其根源就是原核生物把质子泵出细胞膜。对真正的原核生物来说，这没有碍到什么事（恰恰相反，这让它们的能量代谢极其灵活多变），但确实限制了某些可能。我认为，那些被化学渗透机制限制的可能，就是我们从未见过的东西：大尺寸、形态复杂、带有大型基因组的原核生物。
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问题的本质就在于平均每个基因能得到的能量。多年以来，我自己的思路曾经绕来绕去逼近这个概念，但直到与马丁一次唇枪舌剑的脑力激荡之后，这个概念才真正清晰起来。经过好几周的对谈，以及意见和视角的交换，我们突然开悟：演化出真核生物的关键在于“每个基因的平均能量”这样一个简单的概念。我兴奋不已，在一个信封背面写写画画，开始计算。我花了一周时间，用掉好多个信封，最终算出的结果让我和马丁都震惊了。这个答案是从各种文献数据中推断出来的一个数字，显示了区分原核生物与真核生物的能量差距。根据我们的计算，真核生物平均每个基因的能量，高达原核生物的200,000倍。20万倍的能量差距！终于，我们发现了两种生物之间的巨大鸿沟，这道深渊精辟地解释了为什么细菌和古菌一直没能演化出真核生物的复杂度。同理，我们大概永远不会遇到一位由细菌式细胞组成的外星人。设想所有生命处在某种象征能量的地貌中，山峰代表高能量，谷地代表低能量。细菌会全部待在最低的谷地、能量的深渊之中；四周的山壁对它们来说直入云霄，绝对不可攀登。难怪原核生物只能永远滞留于此。让我好好解释这个概念。
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