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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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③ 原文是“jerk”和“creep”。这两个词分别也有“浑蛋”和“变态”的意思，所以是双关语笑话。——译者注
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④ 逆向工程，对目标进行逆向分析与研究，演绎出该目标的形成流程、组织结构等要素。
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⑤ 移除发酵作用终产物最快且最可靠的办法，就是利用呼吸作用消耗它们。这样终产物就成了二氧化碳，很容易消散在空气中或者变成碳酸盐沉淀。所以，发酵作用很大程度上依赖呼吸作用才能运作。
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⑥ 要进行这样的比较，必须知道每种细胞的代谢率、细胞尺寸和基因组大小。或许你会觉得，50种细菌和20种真核生物对于这种比较未免不太够。不过考虑一下，要获取每一种细胞的这些数据是相当困难的工作。有时我们已知生物的代谢率，但不知道它们的基因组大小和细胞尺寸；有时候恰好反过来。即便如此，我们根据文献资料计算出来的数字仍然相当可靠。如果你对详细的计算过程感兴趣，请参见参考文献中列出的论文（Lane and Martin，2010）。
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⑦ 球体的体积与半径的立方成正比，表面积与半径的平方成正比。所以球体的半径增加时，体积增加得比表面积快。对细胞来说，变大的问题就是表面积相对于体积的比值会变小。改变形状可以缓解这个问题，比如很多细菌都呈杆状，这让它们的表面积与体积之比可以比较大。但是当实际尺寸增加好几个数量级时，改变形状也只能有限缓解一下。
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