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如果只有少数几个基因是这样，那么我们可能倾向于第一个解释。但发现的事实是，数以千计的内含子都插在数百个真核生物的共有基因中，而且在完全相同的序列位置。这样第一个解释就说不通了。内含子一起插入共祖基因组是更加直截了当的解释。如果的确如此，那么在真核生物诞生之初，很早期就必定有一波内含子入侵，从一开始就插入了这些位置。之后它们又经历了某种突变侵蚀，被剥夺了移动能力，从此就留在这些位置上，一直传给所有真核生物后代，如同尸体周围擦不掉的粉笔轮廓。
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还有一个更有说服力的证据可以支持早期内含子入侵的假说。我们通常把两种不同的基因类型区分为直系同源基因（ortholog）和旁系同源基因（paralog）。直系同源基因基本是继承自共祖的共同基因，在不同物种的体内执行一模一样的功能。例子我们刚才举过：所有的真核生物都有柠檬酸合酶基因这个直系同源基因，都继承自共同祖先。第二类基因即旁系同源基因，同样来自一个共同的祖先，但那个祖先基因却在同一个祖先细胞中经历了多次复制，形成了一个基因家族。这样的基因家族可以包含多达20～30个成员基因，每个成员最终都发生了一些特化，负责稍微不同的工作。血红蛋白家族就是一个例子，大约有10个基因，每个基因都编码很相似的蛋白质，具体功能稍有差别。简单来说，直系同源基因就是不同生物中的相同基因，而旁系同源基因是同一个生物体中的基因家族成员。当然，在不同种的生物中也能找到整个家族的旁系同源基因，它们都遗传自某个共同祖先。例如，所有的哺乳动物都拥有旁系同源的血红蛋白基因家族。
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我们可以再把这些旁系同源基因家族区分为“古老”和“近代”两类。库宁在他精巧的研究中就是这么分的。他把存在于所有真核生物中，但没有在任何原核生物中分化复制过的基因家族，定义为古老旁系同源基因。根据这一定义，我们可以把形成这些基因家族的复制过程，定位到真核生物的早期演化阶段，发生在最后的真核生物共祖出现之前。近代旁系同源基因，是指只有在某些特定的真核生物种类中才有的基因家族，比如动物或植物。这种基因家族内的复制发生得较晚，是在那个特定生物种类的演化中发生的。
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库宁认为，如果真核生物演化早期确实发生了内含子入侵，这些移动内含子应该是随机插入不同的基因中间。在同一时期，古老旁系同源基因正在积极复制，从而形成家族。如果早期内含子入侵尚未停止，那么在旁系同源基因家族扩张的过程中，这些移动内含子就会插到每个新家族成员的不同位置上。相反，对于近代旁系同源基因家族来说，所有家族的扩张复制都发生在内含子入侵之后。因为没有新的插入发生，所以新的家族成员基因应该通过复制保留了原本的内含子位置。简而言之，库宁的预测是，与近代旁系同源基因相比，古老旁系同源基因中内含子的位置应该更不规则。基因组测序的分析结果表明，库宁的预测非常准确。近代旁系同源基因中所有内含子的位置，在家族内部都没有变化，而古老旁系同源基因的内含子位置则十分混乱。
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这些证据全都表明，早期的真核生物确实遭受了内共生体带来的移动内含子入侵。但是这样，为什么这些内含子在细菌和古菌体内受到严格的控制，在真核生物细胞内却大肆扩散呢？有两种可能的解释，而且多半都对。第一个解释是，最早的真核细胞（其实那时基本上还是个原核细胞，底子是一个古菌）基因组遭到了细菌内含子的大轰炸，来源近在咫尺，是从自己的细胞质而来。这就像是棘轮⑤的运作方式。内共生作用是大自然的一个实验，有可能失败。如果宿主细胞死亡，实验也就结束了。反过来却不是这样。如果宿主体内有很多内共生体，其中一个死亡并无大碍，实验可以继续进行；宿主还活着，其他内共生体也活着。但是这个已经死亡的内共生体，会把自己的DNA释放到胞质溶胶中。这些跳船的DNA很可能通过标准的水平基因转移方式，与宿主细胞的基因组发生重组。
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这个实验很难停下来，直到今天仍在继续。我们的核基因组中充斥着数千个线粒体DNA片段，即核内线粒体序列（nuclear mitochondrial sequences），它们就是通过上述机制到达细胞核的。偶尔会出现新近到达的核内线粒体序列，当它们破坏某个基因而导致遗传疾病时，就会引起我们的注意。真核生物诞生之初还没有细胞核，这类基因转移必定更为普遍。如果真的有某种选择机制，可以引导内含子插入基因组中的某些特定位置而避开其他位置，那么混乱的基因转移很可能导致更糟糕的后果。一般来说，细菌内含子已经适应了细菌宿主，而古菌的内含子也适应了古菌宿主。但在早期真核细胞中，细菌内含子入侵的是古菌的基因组，其序列与细菌基因组完全不同。现在没有任何适应性的制约，也就没有什么能阻止内含子失控扩散。结果很可能是种群灭绝。最好的结果，就是一小群基因不稳定的病态细胞。
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第二种解释认为，没有什么自然选择压力来限制早期内含子扩散。部分原因在于，比起一大群健康细胞，一小群病弱细胞之间的竞争要和缓得多。这就要求最初的真核细胞对内含子入侵时具有前所未见的耐受力。毕竟这些内含子都来自内共生体，也就是未来的线粒体。内共生体虽然让基因付出了代价，却也提供了能量上的优势。对细菌来说内含子纯粹是麻烦，因为它们在能量和基因方面是双重负担。上一章我们讲过，DNA含量较少的小细菌，比DNA含量超过需求的大细菌繁殖得快；因此，细菌都会把自己的基因组精简到刚够生存的最小限度。相反，真核生物的基因组表现出一种极端的不对称性：它们可以自由扩充核基因组，正是因为内共生体的基因组不断缩小。宿主细胞并不会有计划地扩充基因组；之所以会扩充，只是因为更大的基因组也不会受到自然选择对细菌那样的惩罚。既然惩罚有限，真核生物就能通过各种各样的基因复制与重组累积起数千个新的基因，同时也能忍受愈加繁重的基因寄生物负担。这两件事必然是一起发生的。真核生物基因组中的内含子泛滥，是因为从能量角度来看，的确容得下它们。
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所以，最初的真核细胞是被自身内共生体放出的基因寄生物大肆轰炸。讽刺的是，这些基因寄生物“活着”的时候没有带来多少问题，反而是它们衰退、死亡之后，麻烦才来了。因为它们的残骸（也就是内含子）像垃圾一样乱扔在整个基因组中。这时宿主细胞就不得不把它们切掉，不然就会转译成毫无意义的蛋白质。如前所述，剪接体就是专门干这个累活的，它源于移动内含子的RNA剪刀。不过，剪接体尽管是精良的纳米机器，也只能解决一部分问题，因为它的速度很慢。直到今天，经过20亿年的演化改良，剪接体还是要花几分钟时间才能切掉一段内含子。偏偏核糖体的工作速度奇快，每秒钟可以组装10个氨基酸，制造一个标准的细菌蛋白质（长度约为250个氨基酸）只需不到半分钟。另外，剪接体要接触到RNA都不容易，因为一段RNA上常常嵌着好几个疯狂工作的核糖体。就算接触到了，它们慢吞吞的工作速度也来不及阻止核糖体生产大量无用的蛋白质，序列中夹杂着没有切出去的内含子。
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细胞如何防止此类错误灾难发生？马丁和库宁认为，在处理过程中插入一道障碍就行了。细胞核膜就是这道障碍，可以把转录和转译两个过程分开。在细胞核中，基因被转录成RNA转录本；在细胞核外，核糖体会读取RNA，再转译成蛋白质。最重要的是，缓慢的剪接过程在细胞核内进行，在核糖体有机会接触到RNA之前已经处理完毕。这就是细胞核真正的意义：把干劲冲天的核糖体挡在外面。这就解释了为什么真核生物需要细胞核，而原核生物不需要。原核生物根本没有内含子的麻烦。
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现在你也许会抗议：“等等！结构完美的核膜不会凭空出现，它一定需要经过很多代才会演化出来。在那之前，为什么早期真核生物没有灭绝呢？”好吧，毫无疑问，很多早期真核细胞在伟大演化实验的半道上牺牲了，但核膜的演化或许没那么难。这里的关键是另一件与细胞膜有关的怪事。基因分析表明，宿主细胞是一个货真价实的古菌，所以它的细胞膜必然含有古菌脂质。但是，今天的真核生物膜却含有细菌脂质。这个现象值得好好思索。在真核生物演化之初，一定有某种原因让宿主细胞的古菌型细胞膜换成了细菌型细胞膜。为什么？
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这个问题有两个方面需要解答。首先是可行性问题：这有可能发生吗？答案是肯定的。各种细菌脂质和古菌脂质混合形成的嵌合膜，其实都是稳定的。这相当出人意料，但已经在实验室里得到证实。所以，古菌的细胞膜确实有可能发生脂质逐渐置换，慢慢过渡成细菌型细胞膜。没有什么原因不允许这发生，但现实中，这样的替换转变非常罕见。这让我们考虑问题的第二个方面：什么罕见的演化力量可能驱动这种改变呢？答案是内共生体。
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从内共生体到宿主的混乱基因转移，一定包括了负责合成细菌脂质的基因。我们可以假设编码的这些酶都被合成出来且具有活性，它们马上开始制造细菌脂质，但合成脂质的过程一开始很可能不受任何控制。当脂质合成随机进行时，会发生什么事呢？如果是在水中合成的，它们会自行析出积聚，形成脂质囊泡。纽卡斯尔大学的杰夫·埃林顿（Jeff Errington）曾用实验证明，活细胞的行为也是这样的。如果诱发某种突变，导致细菌的脂质合成速度加快，多余的脂质就会积聚形成内膜。脂质在自己合成之处附近积聚，结果是围绕着基因组形成了一堆堆脂质“小袋子”。就像流浪汉会用塑料袋裹住自己来御寒（虽然也不怎么顶事），一堆堆脂质小袋子也可以在DNA和核糖体之间临时拼凑起一道不太完美的障碍，减轻一点内含子带来的麻烦。这道障碍其实必须有缺口。完全封闭的膜反而会让RNA无法接触核糖体。而有缺口的障碍只会减缓物质进出的速度，给剪接体多一些时间，在核糖体开始工作之前就切掉内含子。简而言之，一个随机出现（但是可预测）的起始事件，为自然选择提供了塑造解决方案的初始条件。它始于一堆围绕基因组的脂质小袋子，终点是核膜，上面布满了精巧的核孔。
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核膜的形态非常符合这个假设。脂质小袋子就像塑料袋一样，可以被压扁。一个压扁的袋子，其横截面是两片紧贴且平行的膜，即双层膜结构。核膜恰恰就是这种结构。它由一堆压扁的囊泡融合在一起，有很多核孔复合体镶嵌在缝隙中。当细胞分裂时，核膜会散开，还原成分离的小囊泡；分裂完成后，这些小囊泡会生长并再次融合，重新形成两个子细胞的核膜。
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负责编码细胞核结构的基因，其组合模式本来极难理解，在这个假设下也顿时显得合理。如果细胞核在获取线粒体之前就已演化出现，那么细胞核结构的每个部件，包括核孔、核纤层和核仁，都应该由宿主细胞的基因编码。但事实并非如此。所有这些部件都由嵌合来源的蛋白质组成，一些蛋白质由细菌基因编码，少数由古菌基因编码，剩下的编码基因只有真核生物才有。除非细胞核是在获取线粒体后才演化出现的，是那次基因大规模混乱迁移的后续事件，否则我们根本无法解释这种基因组合模式。常有人说，在真核细胞的演化过程中，内共生体被改造成线粒体，变化大得让人几乎认不出本来面目（好在我们还是认出来了）。但很少有人认识到，宿主细胞经历了更加翻天覆地的改变。起初它只是一个简单的古菌，得到了一些内共生体。内共生体用DNA和内含子轰炸毫无准备的宿主，驱动了细胞核的演化。还不仅仅是细胞核，有性生殖也携手而来。
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有性生殖的起源
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在真核生物的演化过程中，有性生殖出现得非常早。我已经在前文提及，性的起源或许与内含子入侵有关。为什么呢？让我先简单介绍一下当前的课题。
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真核生物进行真正的有性生殖，其特征是两个配子（对人类来说是精子和卵子）的结合。每个配子带有的染色体只有体细胞的一半。人类和大多数多细胞真核生物都是二倍体，即每个基因都有两份，一份来自父亲，一份来自母亲。更准确地说，我们的每个染色体都有两份拷贝，即两条姐妹染色体。标志性的染色体双螺旋图案经常让人误以为染色体就是这副模样，结构不会改变。但实际情况完全不同。形成配子的过程中，姐妹染色体会进行重组：染色体的一部分会与另一条染色体的一部分结合，形成前所未有的崭新基因组合（图28）。如果你顺着一条刚刚重组完的染色体审视一个个基因，就会发现其中一些基因来自父亲，另一些来自母亲。接下来，染色体会通过细胞的减数分裂进行分离，形成单倍体的配子，每个配子只含一套染色体。来自父本和母本的两个配子，每一个都带有一套经过重组的染色体，最终会结合在一起形成受精卵。它会发育成新的个体，拥有独一无二的基因组合。
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图28 真核生物的有性生殖和基因重组
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这是有性生殖周期的简图：两个配子结合后，通过两个阶段的减数分裂以及基因重组，形成拥有独特基因的新配子。A：两个配子细胞都有单倍的、对等（但是基因组成不同）的一套染色体，它们结合在一起形成一个合子，拥有两套染色体。B：注意染色体上的黑色条纹，它可能代表一个有害的突变基因，或者有益的基因变体。C：减数分裂的第一阶段，染色体排列好之后进行复制，形成四条对等的染色体。D：两条或多条染色体进行基因重组。E：DNA片段会在染色体之间彼此交换，形成新的染色体；这些新染色体上的一些片段来自原先的父本染色体，另一些则来自原先的母本染色体。F：连续进行两轮减数分裂，四套染色体分离，形成G中的四个配子细胞。注意这四个配子细胞，其中有两个染色体与父本、母本的两个配子一模一样，另两个则不同。如果黑色条纹代表有害突变，有性生殖就制造了一个不含突变的配子，以及一个带有两个突变的配子；后者可能被自然选择淘汰。反之，如果黑色条纹代表有益的基因变体，有性生殖就把它们集中到同一个配子中，让自然选择能够同时选择它们。简而言之，有性生殖增加了配子之间的多态性，让它们更多暴露在自然选择之下，通过长期运行淘汰有害突变，选出有益的变体。
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有性生殖的起源，问题不在于需要演化出很多全新的机制。基因重组时，两条姐妹染色体必须并排在一起：一条染色体的一小段在交叉点（cross-over point）断开，然后转移到另一条染色体上；对方也同样转移一段过来，与之交换。染色体这种排列整齐进行基因重组的现象，在细菌和古菌的水平基因转移过程中也有出现，但一般不是对等进行的。细菌只是用这种机制修复受损的染色体，或是重新纳入以前丢弃的基因。两类基因重组用到的分子机器基本相同。而有性生殖的特别之处在于重组的规模和对等基因交换。有性生殖在整个基因组中进行广泛的对等基因交换和重组，后续还会有生殖细胞之间的结合，以及整个基因组的物理转移。这些在原核生物中就算真的存在，也非常罕见。
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有性生殖曾被认为是20世纪生物学难题中的“皇后”，不过现在我们深入理解了它的优势（至少相对于严格的无性生殖——比如克隆）。有性生殖可以打破原本固定的基因组合，让自然选择可以“看见”单独的基因，把我们的特质逐个分列出来。这有助于生物抵御寄生物的侵袭，适应变化的环境，以及维持种群中必要的多态性。中世纪的石匠在雕刻时，就算石像的背部会被教堂的神龛完全隐藏，他们也会在背面精雕细刻，因为上帝无所不见。有性生殖也是这样，它让自然选择的全能之眼能够一个基因一个基因地审视自己的作品。有性生殖让真核生物拥有“流动”的染色体，组合中的基因版本不断变动（同一个基因的不同版本用专业术语说就是等位基因⑥），让自然选择以前所未有的精细程度作用于生物个体。
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设想有100个基因排列在一条染色体上，从不进行重组。对这种固定组合，自然选择只能鉴别整条染色体的适应能力。假设这条染色体上有几个非常重要的基因，稍有突变就会导致个体死亡。然而，对其他不太重要的基因突变，自然选择几乎无动于衷。轻微却有害的突变会在这些基因上逐渐积累，因为它们导致的小麻烦，会被保留几个关键基因带来的重大利益抵消。长此以往，这条染色体以及生物个体的健康都会被逐渐破坏。男性的Y染色体就在经历类似的衰退。Y染色体因为无法进行基因重组，上面的绝大多数基因都在慢慢衰朽退化，只有几个最关键的基因⑦承受自然选择的作用，因此保持着活力。最终，整条Y染色体都可能消失。土黄鼹形田鼠（Ellobius lutescens）就是一个例子，其Y染色体已经完全丢失。
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但如果自然选择积极地作用于固定基因组合，结果可能更糟。假设某个关键基因发生了一个罕见且非常有益的突变，它带来的显著优势会让突变扩散至整个种群。继承了这个新突变的生物因为显著的优势，在种群中的占比越来越高；最终，这个突变基因会扩散到“固定”（fixation）的程度，即种群中所有的个体都携带它。然而，自然选择只能“看见”整条染色体。所以这条染色体上的其他99个基因也会搭上优秀基因的便车，在种群中固定下来。这是一种灾难。假设种群中的每个基因都有两三个版本（即两三种等位基因），这100个基因本来可以提供一万到一百万种不同的等位基因组合。但这条染色体固定之后，所有这些多态性都被一扫而空；从此，这一百个基因在种群中只会有一种组合：就是这条染色体上的组合，不过是碰巧与有益的突变基因共享一条染色体罢了。这种多态性的丢失是灾难性的。100个基因的例子还只是过度简化。无性生殖的生物通常有数千个基因，它们的多态性会在某一次类似的选择性清除（selective sweep）过程中全部消失。“有效”种群的规模会严重萎缩，这使得无性生殖的生物种群相当容易灭绝⑧。对无性生殖的原核生物来说，这是常态。而几乎所有无性生殖的动物和植物，都会在数百万年内灭绝。
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这两种过程：累积轻微但有害的突变，以及选择性清除造成种群的多态性丧失，合在一起被称为选择干扰（selective interference）。如果没有基因重组，对特定基因的自然选择就会干扰其他基因的选择情况。而有性生殖产生的染色体承载着等位基因千变万化的组合，即流动的染色体。这使得自然选择能够直接作用于每个基因。自然选择如同全知的神，逐个检视每个基因的优劣并加以裁决——这才是有性生殖最大的优点。