1700001062
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。
1700001063
1700001064
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。
1700001065
1700001066
1700001067
1700001068
1700001069
图24 细菌和真核生物的每基因平均能量比较
1700001070
1700001071
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）。
1700001072
1700001073
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。
1700001074
1700001075
真核生物如何摆脱桎梏？
1700001076
1700001077
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。
1700001078
1700001079
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。
1700001080
1700001081
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。
1700001082
1700001083
环境在不断改变，刚才那个无用的基因，现在可能又有用了。缺了它，细菌现在无法生长，除非通过水平基因转移再次获取。这种丢弃又重新获取基因的动态变化不断轮回，主导了细菌种群的构成。随着时间推移，细胞基因组的大小会逐渐稳定为一个最小可行的尺寸，而单个细菌可以随时从一个大得多的宏基因组（metagenome，整个种群的基因总和，另外还包括可以进行基因交流的亲缘种群）中获取基因。一个大肠杆菌有4,000个基因，但大肠杆菌的宏基因组大概有18,000个基因。细菌从宏基因组中获取基因当然有风险，可能会获得无用的基因、突变的基因，或者是基因寄生物。但从长远来看，这种基因动态共享策略十分成功，因为自然选择会剔除不适应的个体，只留下幸运的赢家，延续种群。
1700001084
1700001085
现在考虑一群细菌类的内共生体。同样的原理也适用于它们，因为这还是一群细菌，只不过数量较少，生活范围也较为局限。同样，丢弃不必要基因的细菌会稍许提高复制速度，逐渐成为主流。关键差异在于环境的稳定性。外部的自然环境时时都在变动，但细胞质是非常稳定的环境。当初，内共生体进入细胞质并生存下来也许很不容易，然而一旦成功立足，它就可以依靠源源不绝的养分安居乐业。自由生活的细菌那种无限的基因得失轮回，现在被另一种趋势取代：大部分基因会被逐渐丢弃，基因组趋于极简化。在这里，不需要的基因就永远都不需要了。内共生体可以永久性地丢弃它们，基因组单向萎缩。
1700001086
1700001087
前面提到过，因为原核生物没有吞噬作用，无法吞噬其他细胞，所以它们之间的内共生作用很罕见。但是在细菌中，我们又确实知道几个现成的例子（图25）。这些例子的意义很清楚：原核生物的内共生确实会发生，虽然因为没有吞噬作用而极少发生。几种真菌也有内共生体，虽然它们和细菌一样，也不会进行吞噬作用。而那些真正有吞噬作用的真核生物经常包含内共生体，已知的例子就有好几百个。⑧所有这些内共生体的共同发展趋势，都是丢弃自己的基因。最小的细菌基因组通常都发现于内共生体。比如立克次体（Rickettsia），这种曾经毁灭了拿破仑侵俄大军的斑疹伤寒病原体，其基因组只有100万个碱基对，不到大肠杆菌基因组的1/4。另一种细菌Carsonella是寄生于木虱科昆虫的内共生体，它有目前已知最小的细菌基因组，只有大约20万对碱基，比某些植物的线粒体基因组还小。对于原核细胞内共生体的基因丢失情况，我们几乎一无所知（因为实例太少），但没有理由认为会与真核生物的内共生体有所不同。实际上，我们确信它们会以同样的方式丢弃基因。毕竟，线粒体就曾经是古菌宿主体内的内共生体。
1700001088
1700001089
1700001090
1700001091
1700001092
图25 生活在细菌体内的细菌
1700001093
1700001094
小图A是一群生活在蓝细菌体内的细菌。右边的细胞中，波纹状的内膜是类囊体膜，是蓝细菌进行光合作用的场所。围绕着细胞的深黑色线是细胞壁，细胞壁外侧裹着一层半透明的凝胶外壳。内共生的细菌包在颜色较淡的区域内，这个结构可能被误认为吞噬泡（phagocytic vacuole），但应该只是制备样本时人为造成的缩水现象，因为有细胞壁的细胞无法通过吞噬作用吞入其他细胞。这些细菌到底是如何进去的，至今仍是个谜。但毫无疑问，它们就是进去了。所以，自由生存的细菌体内住着另外的细菌，即使极为罕见，但确实有活生生的实例。小图B是一群生活在β－变形菌宿主体内的γ－变形菌，而这些β－变形菌又生活在多细胞生物粉蚧的真核细胞内。左图中，位于中间的粉蚧细胞（细胞核正要进行有丝分裂）内有6个内共生细菌，而每个细菌体内又有若干个杆状细菌。右图为共生细菌的放大图。这个例子也许没有小图A中的蓝细菌那么有说服力，因为在真核细胞内部同居，与在一个真正自由生存的宿主内部共生不是一回事。尽管如此，两个例子都表明，细菌之间的内共生并不一定需要吞噬作用。
1700001095
1700001096
基因丢失会造成深远的影响。丢掉基因的一个直接好处是令内共生体加快复制，还可以节省ATP。我们来做一个简单的思想实验。假设一个宿主细胞有100个内共生体。每个内共生体开始都是一个正常的细菌，然后不断丢失基因。假设每个内共生体开始都有标准的细菌基因组，包含4,000个基因。它们可能会先丢弃200个（5%）负责合成细胞壁的基因，住在宿主体内就再也用不着这些基因了。这200个基因都编码蛋白质，生产这些蛋白质也都会消耗能量。现在不制造这些蛋白质，可以节省多少能量呢？细菌的蛋白质，平均会制造2,000个拷贝，平均每个拷贝有250个氨基酸。形成每个肽键（把氨基酸连起来形成蛋白质的化学键）要花费大约5个ATP分子。所以，100个内共生体的200种蛋白质，每种2,000份拷贝，一共要花费500亿个ATP分子。假设宿主细胞每二十四小时分裂一次，而上述能量开销是在它的一个生命周期内发生的，那么制造这些蛋白质的能量消耗是每秒钟58万个ATP分子！如果不制造这些蛋白质，这就是节省的ATP数量。
1700001097
1700001098
当然，细胞也没有什么特别的需求，一定要把这些ATP省下来花在其他地方（还有其他的可能因素，回头再讨论）。不过，我们先看看，如果细胞把这些省下来的能量花在其他地方，会有什么不同？真核生物有一个相对简单的特征区别于原核生物，即动态的细胞骨架。细胞骨架可以自由重组，改变形状，以支持细胞运动，或者在细胞内运输物质。细胞骨架的主要成分之一是肌动蛋白（actin），那么每秒58万个ATP的能量，可以制造多少个肌动蛋白呢？肌动蛋白的构造，先由多个单体（monomer）连接形成长链，两条这样的长链再互相缠绕，形成一条肌动蛋白纤维。每个单体都有374个氨基酸，每一微米长的肌动蛋白纤维都含有两条长链，各条包含2×29个单体。形成肽键花费的ATP基本相同，那么一微米长的肌动蛋白纤维要花费131,000个ATP。所以，理论上每秒省下的58万个ATP可以用来制造4.5微米长的肌动蛋白。如果你对这个数字没什么概念，想想普通的细菌，它们的长度一般只有两三微米。⑨所以，有了内共生造成的基因丢失（此处只考虑了5%而已）节省下来的能量，可以很轻松地支持动态细胞骨架的演化，事实上它也发生了。另外，100个内共生体其实也是非常保守的估计。某些大型的阿米巴原虫有多达30万个线粒体。
1700001099
1700001100
而且，实际发生的基因丢失比例远远超过5%。线粒体几乎丢光了自己的基因。人类以及所有动物的线粒体，只保留了13个能够编码蛋白质的基因。如果线粒体确实起源于类似现代α－变形菌的细菌祖先，那它们原先也应该有大约4,000个基因。经过漫长的演化，它们的基因组丢弃了99%以上的基因。以我们上面的计算方式，如果100个内共生体都丢掉了99%的基因，那么细胞在24小时的生命周期中，可以节省一万亿个ATP，或者每秒大约节省下1,200万个ATP。然而，线粒体的功能恰恰是生产ATP，而不是节能。线粒体制造ATP的能力与它们独立生存的祖先一样，同时还可以大量减少普通细菌生活所需的一般能量开支。真核生物细胞可以说拥有了多个细菌的能量，又节省了细菌蛋白质合成所需的能量。或者可以说，它们饱餐多细菌能量，但面对合成蛋白质的能量代价时却“逃单”了。
1700001101
1700001102
线粒体丢掉的绝大部分基因中，有一部分转移到了细胞核中（下一章将详细讨论这一点）。这些基因中有些继续它们之前的工作，生产同样的蛋白质，所以在这种情况下没有节省下能量。但也有很多丢弃的基因，无论是对宿主还是对内共生体都已经完全不需要。它们进入细胞核后就成了基因界的浪人，可以任意改变功能，也不受自然选择限制。这些多余的DNA片段，就成为真核生物演化的基因原材料。其中有些衍生出整个基因家族，家族中的每个基因都可以特化，执行专门的任务。我们知道，与细菌相比，最早的真核生物多了大约3,000个新的基因家族。在不增加能量消耗的情况下，线粒体的基因丢失让细胞核累积了很多新的基因。原则上，如果一个细胞拥有100个内共生体，每个内共生体都丢掉200个（5%）基因，那么宿主的细胞核就能累积20,000个新基因，几乎与人类基因组的基因总数相当！新的基因可以被改造来执行各种各样的新功能，而且没有新增的能量开销。线粒体真是令细胞受益无穷。
1700001103
1700001104
还有两个问题尚待解决，而且它们紧密相关。首先，以上的整个论证，都基于原核细胞表面积体积比带来的限制。但一些细菌（例如蓝细菌）会内化自己的生物能量膜，把细胞膜向内折叠成繁复的盘绕结构，这样可以大幅增加膜面积。为什么细菌不能通过这样的膜内化作用脱离化学渗透偶联的限制呢？其次，如果基因丢失如此重要，那为什么线粒体没有完全丢弃整个基因组，让能量收益达到极致呢？这两个问题的答案，恰恰能够更清楚地解释：为什么过了40亿年，细菌仍然一成不变。
1700001105
1700001106
线粒体，通往复杂性的关键
1700001107
1700001108
线粒体为什么始终保留着一小群基因？理解这个问题很不容易。在真核生物的演化早期，几百个编码线粒体蛋白质的基因就转移到了细胞核。这些蛋白质现在都在胞质溶胶（cytosol）中合成，然后再转运到线粒体中。但是，仍有一小群编码呼吸蛋白的基因一直保留在线粒体中。为什么呢？经典教科书《细胞分子生物学》（Molecular Biolog of the Cell）是这样说的：“我们找不到什么必然的理由，让某些蛋白质一定要在线粒体和叶绿体中，而不是在胞质溶胶中生产。”这句话在2008年、2002年、1992年和1983年的各个版本中从来没变过。这不禁令人怀疑，这么多年来，作者们到底有没有认真思考过这个问题。
1700001109
1700001110
从真核生物起源的角度来看，我认为有两种可能的答案：一种是无关紧要的，另一种则是必然的。我说“无关紧要”，并不是说那不值得研究。我的意思是，也许并没有什么必然的生物物理原因，让这些基因非得留在线粒体中不可。它们之所以没有转移到细胞核中，并不是因为不行，只是因为演化史发展到现在，它们还没有转移。“无关紧要”的答案认为，留在线粒体内的基因本来是可以转移的，但是在概率和自然选择的平衡影响下，有些基因就留了下来；可能产生影响的因素包括线粒体蛋白质的大小和疏水性，或者基因编码的少许改变。这种解释认为，所有留下来的基因，原则上都可以转移到细胞核中，只不过需要先微调一下它们的序列，然后细胞就可以完美运作。现在有些学者正努力尝试把线粒体基因转移到细胞核中。他们的研究动机是，这样做有可能防止细胞衰老（第七章会详细讨论衰老问题）。这是一个充满挑战的问题，其意义之重大，绝非我们随口说“无关紧要”那样轻描淡写。但这些学者认为线粒体基因留在线粒体中的理由无关紧要，所以把它们转移到细胞核中可能带来巨大的好处。我衷心希望他们成功。
1700001111