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图25 生活在细菌体内的细菌
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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线粒体，通往复杂性的关键
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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。
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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。
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但是我并不同意他们的推理。另一种“必然”的解释认为，线粒体之所以保留这些基因，是因为需要这些基因；如果没有保留这些基因，线粒体就不能存在。其中的原因是不可改变的，这些基因不可能被转移到细胞核中，原理上就不行。那么，到底为什么不行呢？我认为英国生物化学家约翰·艾伦（John Allen）给出了正确的答案。我相信艾伦，并非因为他是我共事了很久的同事和朋友。恰恰相反，我们成为朋友，很大程度上是因为我相信他的答案。艾伦思想活跃，提出了许多创新的假说。几十年来他一直致力于验证这些假说，其中有一些我们还争论了好多年。在线粒体基因问题上，他提出了一些有力的证据，证明线粒体（叶绿体也一样，基于同样的原因）必须保留这些基因才能控制化学渗透偶联。他认为，如果把保留下来的线粒体基因转移到细胞核，无论它们能通过多么巧妙的改变来适应新的环境，细胞都难逃一死。这些线粒体基因必须坚守现场，紧挨它们为之服务的生物能量膜。曾经有人教给我一个军事术语来描述这种情形——“青铜控制”（bronze control）。⑩在战争中，“黄金控制”指中央政府，负责制定长远战略；“白银控制”指军队的指挥层，负责人员和武器调度；但战争的胜负是在战场上决定的，掌握在“青铜控制”的手中；他们是那些真正与敌军交锋的勇士。他们做出战术决定，激励手下部队，作为伟大的战士被历史铭记。线粒体基因就是青铜控制，现场的决策者。
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为什么有必要进行这样的现场决定呢？在第二章中，我们讨论过质子动力的强大威力。线粒体内膜的两侧有大约150～200毫伏的电位差，而膜的厚度只有5纳米。这可以换算为每米三千万伏特的电场，威力堪比一道闪电。如此强大的电力如果失控，你会被收拾得很惨！会出现的问题不只是ATP无法合成（虽然这个问题本身也足够严重）。如果呼吸链不能好好地把电子传递给氧气（或其他任何电子受体），那就会导致类似短路的状况，即电子逃逸后，直接与氧气或氮气分子发生反应，形成反应性很强的自由基（free radicals）。ATP数量陡降，生物能量膜去极化，以及自由基的释放，这三种情况是启动细胞程序性死亡最常见的原因。前文提过，细胞程序性死亡是一种广泛存在的现象，即使在单细胞细菌中也很常见。简单地说，线粒体基因可以对现场情况的变化做出实时反应，在局部变化酿成灾难之前，把膜电位调节到稳定的范围内。艾伦的理论认为，如果线粒体基因被移到细胞核内，那么当发生氧气浓度改变、基质缺乏或自由基泄漏等严重情况时，线粒体几分钟内就会失去对膜电位的控制，细胞就会死亡。
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我们必须持续呼吸才能维持生命，才能精确控制横膈膜、胸腔和咽喉的肌肉。在线粒体层面，线粒体基因也以类似的方式调节呼吸作用，确保能量输出始终能精确配合能量需求。没有比这更重要的理由能够解释，为什么所有真核生物都保留了线粒体基因。
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这个“必然的”理由，还不只是要求基因留在线粒体里。真正的必然要求是，基因必须紧靠能量膜驻扎，不论膜在何处。所有能进行呼吸作用的真核生物，其线粒体都保留了同样的一小群基因，绝无例外。极少数真核生物丢掉了全部的线粒体基因，它们也失去了呼吸能力。比如氢酶体和纺锤剩体（发现于源真核生物体内、由线粒体特化形成的细胞器），一般都失去了所有基因，代价就是失去了化学渗透偶联的能力。相反，前面讨论过的巨型细菌，总是把基因（应该说整个基因组）保留在生物能量膜旁边。对我来说一锤定音的例子，是拥有盘曲折叠内膜的蓝细菌。如果这些基因确实有必要留在现场才能控制呼吸作用，那么虽然蓝细菌小得多，也应该与巨型细菌一样，把整个基因组复制很多份，放在膜附近。它们的确是这样的。比较复杂的蓝细菌通常有好几百份完整的基因组。与巨型细菌的情况类似，这么多份基因组也限制了蓝细菌每个基因的平均能量，因为不得不累积多个小型的细菌基因组，它们无法把任何一个基因组扩充到真核生物细胞核基因组的大小。
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这就是为什么细菌无法长到和真核细胞一样大，因为只靠内化生物能量膜和扩大体积是行不通的，它们还必须把必要的基因放置在膜旁边。但在没有内共生作用的现实条件下，它们只能把整套基因组都放过去。从每基因平均能量的观点来看，变大没有任何好处，除非变大是由内共生作用支持。有了内共生作用，它们才有可能丢弃基因，缩小线粒体基因组，从能量和原料上支持核基因组扩大好几个数量级，直至真核生物的大小。
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你也许会考虑另一种可能：利用细菌的质粒（plasmid）。质粒是半独立的环状DNA，有时可以携带几十个基因。为什么不能把负责呼吸作用的基因放在一个大质粒上，然后在生物能量膜旁配置许多份它的拷贝呢？细节的实现可能会遇到难以解决的困难，但是原则上可行吗？我认为不行。对原核生物来说，变大本身并没有优势，生产过剩的ATP也不会增加什么好处。微小的细菌并不缺少ATP，它们的能量供应完全能够自足。稍微变大一些并多生产一点ATP没有什么好处，反而是变小一些且刚好有够用的ATP更能带来优势，因为这样可以加快复制。单纯变大的第二个缺点，是细菌需要建立补给线来支持细胞内更远的代谢活动。大型细胞需要把物质运送到各处，真核细胞正是这样运作的。但是这样的运输系统不会在一夜之间演化出来，而是需要很多代时间。在这段时间内，更大的尺寸必须要提供其他优势才行。所以，质粒的假设并不可行，这种想法是本末倒置。至于运输物质的问题，最简单的解决方案就是完全避免它，即干脆整套复制很多份基因组，让每个基因组负责体积相当于一个细菌的细胞质。巨型细菌就是这么做的。
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那么，真核生物是如何突破尺寸的约束而演化出复杂的运输系统的呢？考虑两种情况：一个大型的真核细胞，拥有多个线粒体，每个线粒体都有质粒大小的基因组；一个巨大的细菌，拥有多个质粒，分散开来控制呼吸作用。二者之间的根本差异在哪里？马丁和米勒提出的真核生物起源假说认为，在真核生物诞生之初，宿主和内共生体的“交易”其实与制造ATP没有一点关系。他们提出，宿主和内共生体之间是一种新陈代谢的“互养”（syntrophy）关系，意义在于彼此交换生长所需的基质，而不只是能量。他们的“氢气假说”认为，最初的内共生体为宿主（产甲烷菌）提供了生长所需的氢气。我们不需要关心他们的理论细节，只需明白重点：如果没有内共生体提供的基质（在这个例子中是氢气），宿主细胞无法生存。内共生体提供了宿主生长所需的所有基质。宿主体内的内共生体越多，就可以获得更多的基质，生长越快，内共生体的生存条件也越好。所以，在内共生作用的影响下，细胞越大越有好处，因为它们能装下更多的内共生体，获得更多的燃料。当它们为内共生体发展出运输网络之后，还可以更上一层楼。这才是把本（能量供应）置于末（物质运输）之前。
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当内共生体开始丢弃基因时，它们对ATP的需求也随之降低。这会产生一个矛盾现象。细胞的呼吸作用使用ADP来生产ATP；当ATP裂解成ADP时，会释放出能量供细胞的各种活动使用。如果细胞不消耗ATP，那么当所有的ADP都转换成ATP后，呼吸作用就会停止。在这种情况下，呼吸链就会开始累积电子，变成高还原态（第七章将详细讨论这一点）。这时它会直接与氧气反应，释放自由基，破坏周围的蛋白质和DNA，甚至启动细胞自杀程序。演化提供了一个关键的蛋白质来救场：ADP-ATP转运蛋白（ADP-ATP transporter），它让宿主细胞能够把内共生体制造的ATP释放出来为自己所用，刚好也解决了内共生体的困境。通过把ATP运送出来，同时补充内共生体所需的ADP，宿主细胞限制了内共生体的自由基泄漏，减轻了细胞受损和死亡的风险。这也可以解释，为什么在建造动态细胞骨架等奢侈项目上“挥霍”ATP，其实对宿主和内共生体双方都有利。⑪要点在于，内共生关系发展的每一步都提供某种优势。这就完全不像质粒假设，体形变大或者生产更多的ATP，本身都不能为细胞提供任何好处。
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真核生物的起源，是一起奇妙的单一演化事件，在地球40亿年的演化史中只发生过一次。如果从基因组和信息的角度来考虑，这条奇特的演化之路几乎完全无法理解。但如果从能量与细胞物理结构的角度看，一切都显得很有道理。我们已经讨论过，化学渗透偶联如何能从碱性热液喷口环境中创生，以及为什么它会作为所有细菌和古菌的基本能量代谢方式一直保持下来。我们也同样见证了化学渗透偶联为原核生物带来了奇迹般的适应性和灵活性。在其他行星上，当生命从岩石、水和二氧化碳这样简单的条件中诞生时，这些因素也很可能起到同样的作用。现在我们也认识到，为什么自然选择在无限长的时间中作用在无限多的细菌种群身上，却仍然无法让它们演化成我们现在称之为真核生物的大型复杂细胞，除非通过极为罕见、偶然发生的内共生作用。
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通往复杂生命之路，在演化历史上并不是注定出现或者普遍存在的。宇宙并没有承诺我们的存在。复杂生命有可能出现在其他星球上，但不太可能是普遍现象；基于同样的原因，它在地球上也没有重复发生过。对此的解释，前半部分很简单：原核生物之间的内共生现象非常罕见（但我们确实已知那么几个例子，所以知道这有可能发生）；后半部分没那么明显易懂，而且暗合萨特的哲学：他人即地狱⑫。亲密的内共生关系或许打破了束缚细菌的死局，但在下一章中我们会发现，真核细胞作为新生的存在，其曲折坎坷的诞生经历可以解释：为什么这种事件会非常罕见，以及为什么所有复杂生命都共有一些奇异的特征，包括性与死亡。
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① 化用自西方谚语“罗马不是一天建成的”。——译者注
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② 严格来说，实际上还是有可能的。因为一个基因还是有可能由两个背景历史不同的基因片段拼合而成。不过，一般不会发生这种情况，种系发生学用单个基因去追溯演化历史时，通常也不会考虑去重建自相矛盾的历史。
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