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我刚才描述的，是细胞内部的一系列奇特过程，首次发现于20世纪90年代中期，在当时的生物学界引起了“一片目瞪口呆”。这就是细胞程序性死亡（或称细胞凋亡，apoptosis）的触发机制。细胞进入凋亡程序后，如同以精心编排的芭蕾舞动作自杀，上演着细胞版的“天鹅之死”④。它不会简单地分解成碎片，而是会从内部释放出一大群蛋白质刽子手：半胱天冬酶（caspase enzyme）。它们会把细胞中的DNA、RNA、碳水化合物和蛋白质等大分子切成碎片。这些碎片会用小块的细胞膜包起来，形成一个个囊泡，再喂给周围的细胞。几个小时之内，这个细胞的一切存在都会消失，连一丁点历史痕迹都不会留下。整个过程干净利索，就像克格勃在莫斯科大剧院抹去某个人的存在。⑤
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对多细胞生物来说，细胞凋亡完全合理。胚胎发育时期需要这样的过程来塑造组织，也需要它来清除和替换受损的细胞。真正令人惊讶的是线粒体在这个过程中的中心地位，尤其是最标准的呼吸蛋白——细胞色素c的关键作用。为什么细胞色素c从线粒体泄漏，会成为细胞的死亡信号呢？这个机制自从发现以来，变得越来越神秘。现在我们发现，这一整套事件，包括ATP水平下降、自由基泄漏、细胞色素c泄漏和膜电位崩解，是所有真核生物共有的信号。从植物细胞到酵母菌，面对这套信号的共同反应都是自杀。这出乎所有研究人员的意料。然而，从基本原理出发，考虑自然选择作用于两个基因组的话，这是不可避免的结果，而且可以预料它是所有复杂生物共有的特征。
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如果线粒体基因和核基因不能协调工作，电子在配合不良的呼吸链上拥塞，生物物理过程的自然结果就是细胞凋亡。这个例子完美展现了自然选择如何雕琢一个必然发生的过程的：这是一种经由自然选择精雕细琢的天然趋势，最终演变成了复杂的基因机制；而在机制的深处，仍然埋藏着它的起源线索。大型复杂细胞若要生存，必须由两个基因组协调工作，否则呼吸作用就会出问题。如果它们配合不佳，细胞就会以凋亡的方式被消灭。这可以看作是一种功能性选择，剔除那些两个基因组不匹配的细胞。正如俄裔演化生物学家狄奥多西·杜布赞斯基（Theodosius Dobzhansky）的名言：“如果不从演化的角度来看，任何生物学现象都没有道理。”
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这样我们有了一个机制，可以淘汰基因组搭配不良的细胞；搭配良好的细胞则会留存下来。很多代之后，结果正如我们所见：线粒体基因组和核基因组互相适应，一个基因组的序列变化会造成另一个基因组的补偿性序列变化。我们在上一章中讨论过，两种性别可以增加雌性生殖细胞之间的多态性。子代的卵子含有亲代线粒体种群的克隆，而不同的卵子放大了不同克隆的差异。有些线粒体克隆种群恰好可以与受精卵的细胞核良好配合，其他的则差一些。协调不够好的细胞都会通过细胞凋亡淘汰，配合运作良好的会存活下来。
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在什么过程中存活呢？对多细胞生物来说，答案显然是发育。从一个受精卵（合子）开始，细胞会不断分裂，形成新的个体。这个过程会受到精密的调控。在发育过程中，意外凋亡的细胞会危及整个发育程序，可能导致胚胎发育失败，造成流产。这不一定是坏事。从自然选择的无情立场来看，与其投入过多的资源、让不够完美的发育完成，不如早点终止。如果任其发育到出生，新个体的核基因和线粒体基因无法兼容，可能导致线粒体疾病；病从胎来，结果就是早夭。另一方面，如果核基因和线粒体基因一出现不兼容的迹象就早早终止发育，生殖力当然会降低。如果不能发育到成熟的胚胎占的比例太高，后果就是生物的不育。子代的品质 vs. 亲代的生殖力，二者之间的利弊权衡是自然选择最核心的意义。何种程度的不兼容会启动细胞凋亡，而哪些情况可以容忍，二者之间的界定必须有精确的控制。
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这些听起来都是干巴巴的理论。而且，兼容与否真的很重要吗？非常重要！至少某些实例显示了它的重要性，而这只是整个生物界的冰山一角。美国斯克里普斯海洋研究院（Scripps Marine Research Institute）的生物学家罗恩·伯顿（Ron Burton）提供了一个最好的例子。伯顿研究加利福尼亚虎斑猛水蚤（Tigriopus californicus，一种海洋桡足类动物）线粒体与核基因的不兼容性，已经超过十年。桡足类是小型甲壳动物，身长1～2毫米，几乎分布在所有的潮湿环境中。伯顿研究的这种水蚤，生活在南加州圣克鲁斯岛（Santa Cruz）的潮间水洼中。他让分布在岛两侧的两群水蚤进行杂交。这两群水蚤的栖息地尽管相隔只有几公里，数千年间却各自独立繁殖。伯顿和同事记录了水蚤杂交中的杂种衰退（hybrid breakdown）现象。有趣的是，两个种群杂交产生的第一代子代并没有受到太大影响；但是，用第一代的杂种雌性与原来的亲本种群雄性回交，产生的后代却出现了严重的病态——用伯顿论文的标题来形容，就是处于“悲惨状态”。这种回交会产生各式各样的后果，但是平均而言，回交杂种后代都很不健康：它们的ATP合成降低了大约40%，反映在存活率、生殖力和发育时间上都显著（这里的发育时间指的是从出生到变态发育阶段所需的时间，取决于身体大小，因此也与生长速度有关）。
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这一切的后代品质问题，都可以归咎于线粒体基因与核基因的不兼容性，用一个简单的办法可以解决：杂种雄性后代与母本的纯种雌性回交，产生的后代品质完全回到了正常状态。反向的实验，即用杂种雌性后代与父本雄性回交，就没有任何好效果，后代不但仍然出现病态，还越来越严重。这些实验结果很容易理解：子代的线粒体永远来自母亲，若要良好运作，与它配合的核基因需要与母亲的核基因尽量相似。但杂交的雄性来自基因差异很大的另一个种群，会让母系的线粒体基因与一套不太兼容的核基因搭配运作。杂交的第一代子代问题还不太严重，因为核基因中还有一半来自母亲，与线粒体配合良好。但是，杂种雌性回交产生的第二代子代身上有75%的核基因来自不匹配的种群，就出现了严重的品质衰退。而将雄性杂种与母本的纯种雌性回交，可以让核基因中来自母本的成分增加到62.5%，与线粒体基因的匹配程度得到提升，个体恢复健康。但是反向的杂交操作结果正好相反，母系的线粒体基因有87.5%与核基因不匹配，难怪它们会呈现悲惨的病态。
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这就是杂种衰退。我们大多数人熟悉的概念是杂种优势（hybrid vigour）：远系杂交产生基因优势，因为亲缘关系较远的个体更不容易在相同基因上出现相同突变，所以，继承自母亲和父亲的等位基因很可能是互补的，可以增进个体的品质。但是，杂种优势也仅止于此。如果真让不同种的生物交配，后代很可能无法存活或无法生育，这就属于杂种衰退。事实上，亲缘关系相近的不同物种之间的生殖隔离，远不如教科书中的理论描述得那样滴水不漏。野生状态下的相近物种通常会因为行为模式的差异而忽略彼此；但在圈养状态下经常可以成功交配。传统的物种定义是，如果两个种群交配后产生的后代不可育，则二者划分为不同物种。对于很多相近的物种来说，这其实并不正确。不过，随着时间推移，不同的物种继续分化，确实会逐渐形成生殖隔离，最终，杂交产生的后代确实不可育。同一物种的不同种群必须各自独立繁殖很久（就像伯顿研究的水蚤那样），杂交时才会开始出现生殖隔离。在伯顿的例子中，杂种衰退完全可以归咎于线粒体基因组与核基因组的不兼容。而这种不兼容，是否造成了物种起源中更普遍的杂种衰退现象？
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我认为有可能。这当然只是众多机制之一，但是在很多物种之中，包括苍蝇、黄蜂、小麦、酵母甚至小鼠，都有这种“线粒体－核”（mi-tonuclear）衰退的现象。真核生物的两套基因组必须协调运作，这意味着物种分化（speciation）是真核生物不可避免的发展趋势。而且它的影响有时比其他机制更明显，原因就在于线粒体基因的演化速度。在桡足类动物的例子中，线粒体基因的演化速度比核基因快了50倍。而果蝇（Drosophila）的线粒体基因演化速度慢得多，只有核基因的两倍。因此，线粒体－核衰退的现象在桡足类动物中比果蝇严重得多。一定时间内，更快的变化速度会导致基因序列出现更多差异；所以当不同的种群杂交时，更有可能出现基因组不兼容的现象。
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为什么动物的线粒体基因演化速度比核基因快得多，原因还不清楚。线粒体遗传学先驱道格·华莱士（Doug Wallace）认为，线粒体处于生物适应的最前线。线粒体基因的快速演变，让动物能够迅速适应食物和气候变化。这是适应的第一步，之后才是更缓慢的形态适应。我喜欢这个理论，虽然至今没有多少证据来支持或反对它。但如果华莱士是正确的，那么适应是通过不断推出新的线粒体基因序列供自然选择而实现的。这些变化除了帮助生物适应新环境，同时也揭开了物种分化的大幕。这符合生物学中一条奇特的老法则，由演化生物学的奠基人之一霍尔丹（J. B. S. Haldane）首先提出。对这条法则的最新诠释，揭示了线粒体－核的相互适应对于物种起源、对于我们自身的健康都有重大意义。
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性别决定与霍尔丹法则
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霍尔丹有很多独具慧眼、令人难忘的观点。1922年，他提出了下面这条著名的法则：
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异种动物相互交配产生的杂种一代中，如果有一种性别缺失、稀少或者不育，那么这一性别就是杂合（heterozygous，也可称为异配heterogametic）性别。
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如果他用的不是“杂合性别”这个艰涩的术语，而是直接说“雄性”，别人会更容易理解，但普适性会差一些。哺乳动物中的雄性是杂合的（或称异形配子），即它们有两种不同的性染色体：一条X和一条Y染色体。雌性有两条X染色体，所以它们的性染色体是纯合的（homozygous），或称同形配子（homogametic）。鸟类和某些昆虫的情况正好相反。它们的雌性反而是异形配子，有W和Z两种染色体；雄性则是同形配子，有两条Z染色体。假设有两个亲缘关系很近的物种，雄性与雌性杂交，生下了可以存活的后代。但仔细考察这些杂种后代会发现，要么所有的后代只有雄性或雌性一种性别；要么虽然两种性别都有，但是其中一种不育或残废。霍尔丹法则指出，这个缺少或者有缺陷的性别，在哺乳类中是雄性，在鸟类中是雌性。自1922年以来，科学家搜集到了多达数百个符合霍尔丹法则的物种，广泛分布在很多动物门中。例外情况非常少，在生物学这个充满例外的领域中格外引人注目。
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霍尔丹法则有很多言之成理的解释，但没有一种可以解释所有情况，所以没有一种能够令人完全信服。比如，一种解释认为，性选择对雄性的影响更大，因为雄性必须彼此竞争以吸引雌性的注意力（准确地说，与雌性相比，雄性之间的生殖成功率存在更大的方差，使雄性性征更加突出，性选择的作用更强）；因此不同动物杂交时，雄性更容易受到杂种衰退的影响。这个解释的问题在于，它无法解释为什么雄鸟反而比雌鸟更不容易受到杂种衰退的影响。
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另一个困难在于，霍尔丹法则广泛适用，似乎超出了性染色体能够解释的范围，在更宽广的演化视野中，只通过性染色体解释演化现象显得有些狭隘。许多爬行动物与两栖动物根本不含性染色体，而是通过环境温度来决定性别。在比较温暖的环境中孵化的卵会发育成雄性；在比较寒冷的环境中孵化的卵会发育成雌性——偶尔也会倒过来。性别显然是动物基础而重要的特征，但不同的物种决定性别的机制五花八门，令人困惑。寄生虫、染色体数量、荷尔蒙、环境因素、压力、种群密度，甚至线粒体，都可能决定动物的性别。即使在性别完全不由性染色体决定的情况下，两种性别之一还是会因为杂交而衰退。这意味着，还有更深刻的机制在发挥作用。决定性别的具体机制如此多样，而两种性别的发育又如此一致，这也意味着性别决定（即雄性发育或雌性发育的过程）应该有一个非常根本的共同基础，不同基因的作用只是表层的细节点缀而已。
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一个可能的共同基础是代谢率。其实早在古希腊，人们就认识到男性比女性更“热”，即所谓的“暖男假说”（hot male hypothesis）。人类或小鼠等哺乳动物两性之间最早出现的差异是生长速度，雄性胚胎比雌性胚胎长得快一点。在受孕后几小时内，这种差异就可以用尺测量出来（千万不要在家中操作这个实验）。人类Y染色体上的SRY基因控制着男性发育，它会启动一些生长因子，加快男性胚胎的生长速度。这些生长因子本身并不属于特定的性别，通常在男女体内都有活性，只不过在男性体内的活性较高。能够提高这些生长因子活性的突变，就能诱发性别转换，让本来没有Y染色体（或SRY基因）的雌性胚胎发育成雄性。相反，降低生长因子活性的突变会有反向的效果，会让Y染色体功能正常的雄性胚胎发育成雌性。这些现象表明，至少在哺乳动物中，生长速度才是性别发育背后真正的推动力。基因只是控制速度的缰绳，在演化中可以被轻易替换。某个控制生长速度的基因可以换成另一个，功能完全不变。
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雄性生长速度较快的概念，很符合两栖和爬行动物性别由环境温度决定的事实。二者之间的联系在于，生物的代谢率部分取决于温度。在一定范围内，爬行动物的体温每增加10℃（比如通过它们最喜欢的“活动”：晒太阳），代谢率会增加大约两倍，因此会长得比较快。这些动物的卵在较高温度下孵化时发育成雄性，虽然并不总是这样（其中有各种微妙的原因），但是性别与生长速度之间的关系（无论是由基因还是温度控制）比其他任何机制更加根深蒂固。在不同阶段，不同的基因似乎是靠偶然机遇掌握了发育控制权，通过调整生长速度来控制性别发育。这就是为什么男人并不需要害怕Y染色体灭绝，因为它的功能会被其他因素取代，可能是其他染色体上的某个基因，它仍然会通过设定雄性发育所需的更高代谢率来实现控制。或许这也可以解释，为什么哺乳动物的睾丸会长在体外这么脆弱的位置：调整合适的温度是我们非常基础的生理需要，比阴囊的位置优先得多。
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这些观念对我启发很大。实际上，生物学家厄休拉·密特沃克（Ursula Mittwoch）提出性别由代谢率决定的假说已经有几十年了。密特沃克是我在伦敦大学学院的同事，虽然已是90岁高龄，但仍然十分活跃，不断发表重要的论文。她的论文没有得到应有的重视，可能是因为在分子生物学和基因测序的时代，测量那些“不够精密”的参数，比如生长速度、胚胎尺寸、生殖腺DNA和蛋白质含量，显得有些过时。现在，我们已经进入了表观遗传学（epigenetics，研究是什么因素在调控基因的表达）的新时代，她的理论会引起更大反响，我也希望她的理论能在生物学发展史中获得应有的地位。⑥
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但这一切与霍尔丹法则有什么关系呢？不育和无法存活都代表着某种功能缺陷。缺陷严重到一定程度，器官和生物个体就失灵了。功能的限制取决于两个简单的衡量标准：完成任务（比如制造精子）所需的代谢量，以及能够获取的代谢供应。如果能量供给低于能量需求，器官和个体都会死亡。在基因网络的精密世界里，这些标准显得直白粗暴；但正因为这样，它们非常重要。如果你把一个塑料袋套在自己头上，那就切断了代谢能量供应，低于你的需求。一分多钟后，你的身体功能就会从大脑开始停止。大脑和心脏的能量需求很高，所以它们会最先死亡；皮肤和小肠细胞的能量需求较低，所以可能会挺很久。你体内残存的氧气足以支撑它们的代谢需求，长达几小时甚至几天。如果考虑组成我们身体的全部细胞，死亡并不是非黑即白，而是一个连续的过程。我们是一大团细胞，它们不会同时死亡。通常，能量需求最高的细胞会最先发生能量短缺而死亡。
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这正是线粒体疾病的问题所在。大部分线粒体疾病都会导致神经肌肉退化，影响大脑和骨骼肌，因为它们的代谢率高。其中，视力往往最容易受影响，因为视网膜和视神经细胞的代谢率是全身所有细胞中最高的。莱伯氏（Leber’s）遗传性视神经萎缩症（线粒体疾病的一种）就会直接影响视神经，导致失明。线粒体疾病的症状表现很难概括，因为它们的严重程度与很多因素有关，比如突变的种类、数量，以及在不同组织中的分布情况。但无论这些因素具体如何，线粒体疾病总是会影响代谢需求最高的组织。
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假设两个细胞有相同的线粒体，数量也一样，生产ATP的能力相仿。但如果两个细胞的代谢需求不同，那么结果也会不同（图33）。假设第一个细胞的代谢需求较低，那么它完全能满足需求，制造的ATP还供过于求，可以充分完成任务。再假设第二个细胞的代谢需求高得多，甚至超过线粒体生产ATP的最大能力。细胞开足马力满足需求，它的所有生理活动都用来配合这种高能状态。电子涌入呼吸链，但呼吸链的通量太低，电子进入比离开更快。于是氧化还原中心变成高还原态，与氧气反应产生自由基。自由基氧化附近的膜脂质，造成细胞色素c释放。接下去膜电位崩解，细胞凋亡。这仍是一种功能性自然选择，虽然是在组织层面发挥作用。无法满足代谢需求的细胞被淘汰，留下满足需求的细胞。
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图33 细胞的命运取决于满足能量需求的能力
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图中的两个细胞拥有同等能力的线粒体群，但面对的需求不同。小图A中的细胞能量需求适中（需求用箭头粗细表示）；线粒体无须紧绷到高度还原的状态（用浅灰色表示低还原态）就能轻松满足需求。小图B中的细胞起初的能量需求也不大，但后来需求大增。进入线粒体的电子也相应增加，但线粒体的工作能力不堪负荷，呼吸蛋白复合体变成了高还原态（用深色表示）。除非线粒体能很快提升能力，要不然后果将是通过凋亡程序死亡（如图32所示）。