1700001009
1700001010
1700001011
图22 生命分为两域，而非三域
1700001012
1700001013
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）。
1700001014
1700001015
为什么细菌仍然是细菌
1700001016
1700001017
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？
1700001018
1700001019
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。
1700001020
1700001021
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！
1700001022
1700001023
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。
1700001024
1700001025
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。
1700001026
1700001027
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。
1700001028
1700001029
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。
1700001030
1700001031
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。
1700001032
1700001033
每个基因的平均能量
1700001034
1700001035
大体上，科学家比较的是类似的事物。要比较生物的能量水平，最公平的方法是比较平均每克物质的能量。我们可以比较一克细菌和一克真核细胞的代谢率（测量标准是氧气的消耗速率，又称呼吸速率）。结果可能不会让你惊讶：细菌的呼吸速率通常比单细胞真核生物更快，平均快3倍左右。这样平淡无奇的结果，让绝大部分研究者到此为止，因为再追究下去，比较就有可能变得“不伦不类”。但是我和马丁继续追究下去。如果比较单个细胞的代谢率会得到什么结果呢？这样的比较好像很不公平！我们的抽样包括50种细菌和20种单细胞真核生物，这些真核生物的平均体积大约是细菌的15,000倍⑥。已知它们的呼吸速率是细菌的1/3，那么平均每个真核生物细胞每秒消耗的氧气是细菌细胞的5,000倍。这一数字当然反映了真核细胞的体积比细菌大得多，DNA也多得多。即便如此，单个真核细胞还是比细菌细胞多了5,000倍的能量。这么多能量用在哪里了？
1700001036
1700001037
这些多出来的能量，直接用于DNA复制的并不多。单细胞生物复制DNA，大概只用到总能量的2%。根据英国微生物能量学大师弗兰克·哈罗德（Frank Harold）的研究（哈罗德是我的偶像，虽然我们的意见并不总是一致），细胞把多达80%的能量用于合成蛋白质。因为细胞主要由蛋白质组成，细菌大概有一半的脱水干重是蛋白质。制造蛋白质的代价也很高昂。蛋白质是氨基酸串成的长链，通常由几百个氨基酸组成，通过“肽键”互相连接。每连接一个肽键至少要花费5个ATP，5倍于聚合核苷酸生成DNA花费的能量。每种蛋白质都以成千上万的数量制造，才能翻新和修补细胞平时的损耗。所以粗略而言，细胞消耗的能量几乎都用来制造蛋白质了。每一种独特的蛋白质，都由一个基因编码。假设细胞的所有基因都转译成了蛋白质（大致接近事实，虽然各个基因的表达状态不同），那么一个基因组中基因越多，合成蛋白质所需的能量就越多。这一结果可以通过简单统计核糖体数量来估算，因为核糖体是制造蛋白质的微小工厂，核糖体的数量与蛋白质合成的工作量有直接的线性关系。大肠杆菌这样的普通细菌，平均有13,000个核糖体；而一个肝脏细胞至少有1,300万个核糖体，数量是细菌的1,000～10,000倍。
1700001038
1700001039
平均每个细菌大约有5,000个基因，真核生物大约有20,000个，多的可达40,000个，比如池塘中很常见的草履虫等大型原生生物，它们的基因数量是人类的2倍。这样，真核生物每个基因平均分配到的能量，比原核生物基因多了1,200倍。如果我们再做一次“校准”，把细菌基因组的大小（5,000个）比例放大到真核生物基因组的水平（20,000个），那么细菌每个基因的平均能量，就只有真核生物的1/5,000。换言之，真核生物要么能够负担比细菌大5,000倍的基因组，要么能为每个基因的表达提供比细菌多5,000倍的能量（比如为每个蛋白质制造更多份拷贝）。实际情况是，二者兼而有之。
1700001040
1700001041
你也许会觉得“这有什么了不起的？”，真核生物细胞的体积本来就比细菌大15,000倍，更大的体积总要用什么东西填满。而前面已经提过，细胞中大部分物质都是蛋白质。所以再校正一下体积，这样比较才有意义。让我们把细菌的体积也增大到真核生物的平均尺寸，再来计算每个基因要花费多少能量。你或许会想，更大的细菌可以制造更多的ATP；没错，但是更大的体积也需要合成更多的蛋白质，因此会消耗更多的ATP。总体的平衡，取决于这些因素之间互相关联的消长。根据我们的计算，细菌如果真要变大，代价会十分沉重：尺寸确实很重要，但是对细菌来说并非越大越好。恰恰相反，如果存在大如真核细胞的细菌，它每个基因的平均能量，比起同体积的真核细胞只有二十万分之一。很奇怪吧？听我解释。
1700001042
1700001043
把细菌放大几个数量级后，马上就会出现一个大问题：表面积与体积之比。真核生物细胞的体积平均比细菌大15,000倍。简单起见，我们先假设细胞都是球形。细菌放大到真核生物的尺寸，它的细胞半径会增加25倍，表面积则会增加625倍。⑦表面积是关键参数，因为ATP合成依赖细胞膜。如果简单近似，认为ATP合成与表面积的增加成正比，那么前者也会增加625倍。
1700001044
1700001045
但是合成ATP需要蛋白质：需要呼吸链蛋白来泵出质子，也需要ATP合酶来利用质子回流。如果细胞表面积扩大了625倍，且呼吸链蛋白与ATP合酶也同比例增加，它们均匀地分布在膜上，使单位面积的蛋白质密度不变，那么ATP合成只能增加625倍。这些计算没错，但推理过程漏洞百出。所有这些额外的膜蛋白都需要先制造出来，再插入细胞膜，这个过程还需要足够的核糖体和各种组装因子，所以还需要先准备好这些物质。氨基酸和RNA必须运送到核糖体处，这些也得先制造出来，还要加上负责基因操作和运送的蛋白质。为了支持这些额外的工作，更多养分需要从细胞膜附近运送进来，这也需要专门的运输蛋白。当然还需要合成新的细胞膜，那就需要更多催化脂质合成的酶……以此类推。仅凭细菌的基因组，不可能应付这种暴涨的活动规模。想象一下，小小的基因组孤单地坐在细胞核里，现在要负责生产数量暴涨625倍的核糖体、蛋白质、RNA和脂质，还要在扩张到这么大的细胞空间内运送它们，成果仅仅是与从前一样的每单位面积ATP合成速率？这显然不可能做到。就像一座城市的面积增加了625倍，新的学校、医院、商店、游乐场、垃圾场成比例增加，负责运作一切设施的市政府只凭原先那点可怜的预算，当然无法支撑。
1700001046
1700001047
考虑到细菌的生长速度，及其精简的基因组具有的优势，细菌基因组现在承担的蛋白质合成规模很可能已经逼近极限。要让蛋白质合成增长625倍，就需要625份完整的细菌基因组，而且每个基因组都以同样的方式运作。
1700001048
1700001049
乍一看，这真是疯狂的想法。其实不然，等一下我们再回来讨论。现在，让我们只考虑能量开销的问题。我们多了625倍的ATP，却也多了625份基因组，每个都会消耗差不多的能量。现在还没有精巧的细胞内运输系统，因为那需要许多代时间和无数能量注入才能演化出来。每一份基因组可以管理一个体积大小与标准细菌相仿的区域，包括细胞质、细胞膜等。或许，想象一个放大版细菌的最佳方式，不是作为单个的细胞，而是把它看成625个相同的细菌融合在一起而构成的聚集体。这样对每个细菌成员来说，每个基因的平均能量就跟原来一模一样。因此，细菌增加表面积，没有一点能量方面的好处。放大的细菌相对于真核细胞，仍然处于巨大的能量劣势。前文讲过，真核生物每个基因的平均能量比“标准”的细菌多5,000倍。如果细菌的表面积增大625倍，却没有增加每个基因可以获得的能量，那么它们的平均能量还是会降为真核生物的1/5,000。
1700001050
1700001051
真实情况比这还糟糕。我们是让能量的生产与消耗都增加了625倍，才使得细菌的表面积也能增加625倍。但是内部体积呢？细胞的内部空间现在可是放大了15,000倍。我们前面描述这种放大，只是把细胞吹成了一个大泡泡，内部的代谢活动还没有明确；我们把它当成空白处理，即能量需求算成零。如果这个细胞里面只是塞了一个毫无代谢活动的巨大液泡，这倒是正确的算法。但这样一来，这个放大的细菌就无法与真核细胞相提并论，毕竟真核细胞不只在体积上增加了15,000倍，其内部还充满了各种复杂的生化机器。这些内容物大部分也由蛋白质组成，有类似水平的能量开销。与前面的分析同理，如果体积增加了15,000倍，基因组大致也需要增加这么多倍。但是，ATP合成已经无法再等比例地增加，因为ATP需要在细胞膜的周围区域合成，而我们已经把这里的增加考虑进去了。所以，把细菌放大到真核细胞的大小，虽然ATP合成增加了625倍，但能量开销却增加了15,000倍，每份基因拷贝的平均能量反而减少为原来的1/25。另外，细菌和真核细胞每基因平均能量差距本来就有5,000倍之大（校正基因组大小之后的数字），5,000除以1/25，125,000倍！这就是细菌的基因组和体积校正到真核细胞的水平后每基因平均能量的差距。这还只是与平均意义上的真核细胞进行比较，如阿米巴原虫等大型单细胞真核生物的每基因平均能量会比“大细菌”多20万倍。这就是前文提到的20万倍这个数字的来历。
1700001052
1700001053
你也许会想，这不过是在玩数字游戏，并没有实际意义。我承认，我自己也曾有过类似的担心，因为这些数字让人相当难以置信。但是，这种理论推演至少给出了明确的预测：巨大的细菌必须把自己的整个基因组复制好几千份。这一预测不难验证，因为世上确实存在一些巨大的细菌，虽然它们并不常见。其中有两个菌种已经被详细研究过。刺骨鱼菌（Epulopiscium）是一种厌氧菌，仅见于刺尾鱼（surgeonfish）后肠的无氧环境中。它可算是细胞中的银河战舰，流线型的狭长身躯大约有半毫米长，肉眼可见。这比大部分真核细胞都大得多，包括草履虫（图23）。为什么刺骨鱼菌会长到这么大，我们还不知道。另一种巨型细菌名为嗜硫珠菌（Thiomargarita），还要更大，是直径接近一毫米的球菌，其绝大部分体积都由一个硕大的液泡占据。单独一个嗜硫珠菌可以长到果蝇的头那么大！嗜硫珠菌生活的海水环境，含有周期性上升洋流带来的大量硝酸盐。它们以此为呼吸作用的电子受体，并把富余的硝酸盐留存在体内的液泡中。当数天乃至数周都缺乏硝酸盐时，它们就会动用体内的库存。这很有趣，但不是要点。要点在于：刺骨鱼菌和嗜硫珠菌都是“极度多倍体”（extreme polyploidy）。也就是说，它们的整个基因组都有巨量的拷贝。刺骨鱼菌的基因组拷贝多达20万份；嗜硫珠菌细胞虽然大部分都是液泡，也有18,000份基因组拷贝。
1700001054
1700001055
1700001056
1700001057
1700001058
图23 身为“极度多倍体”的巨型细菌