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每个基因的平均能量
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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？
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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图23 身为“极度多倍体”的巨型细菌
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小图A是巨大的刺骨鱼菌。箭头所指的黑点是“典型”的细菌：大肠杆菌，放在图中作为比较。图下方露出一半的细胞是真核原生生物草履虫，与这个巨舰一般的细菌一起，相形见绌。小图B是刺骨鱼菌的DNA用DAPI染色呈现的图像。细胞膜附近的每个白色小点都是一套完整的基因组拷贝，大一点的细菌有多达20万份拷贝。这就是“极度多倍体”。小图C是更大的巨型细菌嗜硫珠菌，直径约为0.6毫米。小图D是嗜硫珠菌的DNA用DAPI染色呈现的图像。细菌的绝大部分体积都被巨大的液泡占据，也就是图上部的黑色区域。一层薄薄的细胞质围绕着液泡，其中含有多达2万份完整的基因组拷贝（白色箭头所指）。
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刚才仿佛信口开河的15,000份基因组，一下子变成了现实。这些基因组不仅在数量上，而且在分布方式上都符合预测。这两种巨型细菌的基因组位置都很靠近细胞膜，分布在细胞膜内侧附近（图23）。细菌的中心位置则没有什么代谢活动。嗜硫珠菌的中心是一个大液泡，刺骨鱼菌的中心则是空荡荡的“繁殖场”，供生产子代细菌使用。细菌中心几乎没有代谢活动，意味着它们节省了蛋白质合成的能量开销，所以不需要在这些位置留下基因组。理论上，它们每基因平均能量应该大致与普通细菌相同；每一个多余的基因组都与一部分生物能量膜联系在一起，能够生产足够多的ATP，来支持每个基因的那么多份拷贝。
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实测得的每基因平均能量也确实符合理论预测。这些细菌的代谢率经由科学家精密测定，我们也知道它们基因组拷贝的数目，因此可以直接计算每基因平均能量。结果不出所料，这个数字与最平凡的大肠杆菌十分接近，在同一个数量级。巨型细菌长这么大，不管有什么其他好处和代价，从能量上看并没有优势。正如理论预测的，这些细菌的每基因平均能量，小于真核细胞的1/5,000（图24）。请注意，这个差距不是我们前面算出的20万倍，原因是这些巨型细菌的很多份基因组只分布在细胞膜周边，中间的大部分体积几乎没有代谢活动。这让它们很难分裂，也能解释为什么它们很少见。
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图24 细菌和真核生物的每基因平均能量比较
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小图A是细菌（a，灰色条）和单细胞真核生物（b，黑色条）平均每个基因的代谢率比较（基因组大小进行了等比均衡）。小图B是同样的比较，但对基因组大小和细胞体积（真核生物大15,000倍）都进行了均衡处理。注意这些图的Y轴都是对数尺度，每个单位刻度都差了10倍。所以，真核生物每个基因的平均能量，是细菌的10万倍。小图C显示平均每克体重的代谢率比较，真核生物只有细菌的1/3。这些数据中，代谢率是根据实际测量，基因组大小与细胞体积的校正则是理论数值。小图D是每个基因组平均代谢率的比较，考虑了基因组大小、基因组拷贝数（多倍体）和细胞体积的均衡校正。图中可见，理论与现实情况相当符合。a是大肠杆菌，b是嗜硫珠菌，c是刺骨鱼菌，d是眼虫藻，e是大变形虫（Amoeba proteus）。
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细菌和古菌安于它们目前的形态。细菌很小，其基因组也很小，在能量供应方面并不窘迫。只有当我们在理论上把它们放大到真核细胞的尺寸时，这些问题才会出现。把细菌放大，并不会让它们像真核生物一样扩张基因组或者提升能量供应；相反，它们每个基因的平均能量会大幅下降，与真核生物的差距变得极大。所以，细菌无法扩充它们的基因组，也不能积聚几千个新的基因家族、编码几千种新功能，这些都是真核生物的特征。现实中的巨型细菌并不是演化出一个单独的大型核基因组，而是复制成千上万份细菌标准的小基因组。
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真核生物如何摆脱桎梏？
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那么，同样的尺寸问题，为什么没有阻止真核生物变得复杂呢？差别就在于线粒体。前面我们探讨过，真核生物应该起源于一个古菌宿主和一个细菌内共生体组成的基因嵌合体。种系发生学的证据与这个理论十分吻合，但证据本身还不足以证明理论的正确性。然而，细菌受到的严重能量限制倒是强有力的证据，可以证明嵌合起源是复杂生物诞生的必备条件。我下面将论证，只有两种原核生物之间的内共生作用，才能打破加在细菌和古菌身上的能量桎梏。而原核生物的内共生本身又是演化历史中极其罕见的事件。
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细菌是一种细胞，是独立存在、自我复制的个体。但基因组不是。巨型细菌面临的问题是，要保持巨大的形态，它们就必须把整个基因组复制上几千次。每个基因组都必须完美复制，至少要接近完美；但是一旦复制出来，基因组就无所事事了。蛋白质可以在基因上工作，根据基因序列进行转录或转译；细胞也可以凭借蛋白质和代谢活动进行分裂，但基因组本身全然没有活性，就像计算机硬盘一样，没有复制自身的能力。
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这有什么意义呢？意义在于细胞内所有的基因组是彼此完全一样的拷贝。即使有些细微的差异，也不受制于自然选择，因为它们不是自我复制的个体。同一细胞内的众多基因组即使出现变异，经过数代之后，也会像杂音一样消失。但如果是细菌个体之间彼此竞争，情况就完全不同了。如果有一支细菌出现某种特性，让它们可以复制得比别人快2倍，那么它们每一代的优势都会加倍，数量也会以指数级递增。几代之后，快速分裂的细菌就会在种群中取得绝对优势。生长速度上这么大的优势当然并不常见，但细菌的生长速度本来就很快，即使只是稍占优势，很多代之后种群的构成也会发生显著变化。细菌一天就可以繁殖70代之多，如果以人类的生命周期类比，同一天的黎明，到晚上就已经像耶稣诞生日一样久远。要获得生长速度上的微小优势，一个办法就是从基因组中丢弃一些DNA，比如剔除一个目前不用的基因。不管以后会不会再次需要这个基因，只要现在丢弃它，细菌就可以复制得更快一些；几天之内，它们的后代就会在种群中占多数。保留无用基因的细菌，则会被逐渐淘汰。
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