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生命的起源：所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的？ [:1700256310]
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·悬疑，推测，线索·
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进化的素材是遗传信息的随机突变，越复杂的生理结构就会集成越多的随机突变，在概率上就越是不可重现——这就如同打牌，每个人摸到什么牌都是随机的，每一回合怎么打也是自由的，要出现从头到尾一模一样的两局牌，就算全世界的人从出生开始一刻不停地打牌打到宇宙灭亡也办不到。
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同理，如果某种极其复杂的结构同时出现在了细菌和古菌身上，就只有两种可能了：它们从末祖那里继承了这个结构，也就是遗传信息的“垂直传递”；或者，一方通过性行为，从另一方那里“学”来了这个结构，也就是遗传信息的“横向转移”。
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“横向转移”这个概念对大多数人来说非常陌生，这不奇怪，因为它在我们真核生物身上通常是不可能发生的，因为我们有着相当严格的“生殖隔离”，跨物种的杂交绝少产生可繁殖的后代，所以勒达不能从天鹅那里获得遗传信息，乌龟也不能从蛇那里获得遗传信息[5]。
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因此，在我们真核域的内部，要通过遗传信息获知不同物种的进化关系，就是非常容易的事情，我们会得到一个类似家谱的树形图，什么是祖先的性状、什么是衍生的性状一目了然。
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但在细菌域和古菌域，事情不是这样的。它们的性行为与生殖没什么关系，最常用的做法就是细胞与细胞彼此紧贴，然后在细胞膜上打开一个小洞，拿出一部分基因互相交换。这样的性行为没有物种的隔阂，可以让它们一瞬间获得原本没有的复杂结构，对进化非常有利。在过去的半个世纪中，我们不断比较各种细菌和古菌的遗传信息，结果发现遗传信息的横向转移要比想象的更加广泛，更加剧烈，而且越是在进化早期，这样的事情就越是频繁。结果，除了末祖一早就分化成了细菌域和古菌域，我们实在无法从遗传信息里再读出什么肯定的答案了。
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我们不能在遗传信息的迷宫里困死，必须从中退出来，另辟蹊径。
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那么回到复杂结构本身中去，我们很有理由认为，复杂结构虽然可以通过横向转移获得，但这种转移更可能是“如虎添翼”，而极难“脱胎换骨”。也就是说，细菌和古菌可能通过基因的横向转移获得某种新的酶，使代谢更加丰富有效，比如让自己有能力利用曾经不能利用的资源，破解以前不能破解的毒素，却不太可能抛弃原来有着至关重要的生理功能的结构，完全换成一套新东西，因为这样的动作实在牵连面太广，彻底更换极有可能招致严重的灾祸，在进化中是不利的。
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这样一来，我们就在古菌和细菌的细胞内部发现了两个重大的疑问。
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古菌和细菌都服从相同的中心法则，遗传信息在DNA、RNA和蛋白质三种物质间的流向和机制完全相同，甚至使用相同的标准遗传密码。对照中心法则在图2—42中的那些箭头，我们发现，细菌和古菌用来转录的酶是同源的，也就是像各种鸟的喙一样，在进化上有同一个源头。我们还发现，用来翻译的酶，尤其是核糖体，也是同源的。这些都是顺理成章的事，毕竟，如果不是从一开始就有同源的中心法则，那么后续的横向转移根本不可能发生。所以，这些复杂的结构，必然是继承自末祖。
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但令我们诧异的是，细菌和古菌用来复制DNA的酶系统虽然也有类似的地方，但整体看来却相当不同，甚至不同到了“完全相反”的地步。考虑到这个酶系统非常复杂，我们暂不详细阐述它，等到第五幕再来重新讨论，这样两套不同的酶系统在目前看来，实在不可能来自末祖。
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所以第一个疑问就是：末祖会用怎样一套酶系统来复制DNA呢？
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我们在第三章里讲述了细胞呼吸的机制，其中最关键的步骤被称为“化学渗透”，而这也是细菌和古菌都具备的能力。虽然“奇境里的微生物”一节里出现的几种古菌都生活在非常极端的环境里，使用着与我们完全不同的能源物质，但它们制造ATP的主要方式都一样：硫也好，乙酸也好，阳光也好，别的什么东西也好，其中的能量首先把氢离子泵出细胞膜，再由返回细胞内的氢离子推动ATP合酶持续旋转。正如我们在第三章结尾时概括的，一切细胞的呼吸作用都采用同样的化学渗透机制，考虑到生命活动的能量供应一刻也不能停止，化学渗透也一定是从末祖那里继承下来的。
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但奇怪的是，细胞膜看似化学渗透的关键，在细菌和古菌身上却大相径庭，干脆是由两种不同的物质组成：细菌的细胞膜和真核生物的细胞膜一样，主要由甘油二酯的磷脂构成，而古菌的细胞膜主要由甘油二醚的磷脂构成。不仅如此，细菌和真核生物的细胞膜都是双层分子，古菌的细胞膜的两层分子却经常连接起来，最后成了单层分子。
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那些不了解有机化学的读者也不用太在意这具体是什么东西，我们同样会在第五幕循序渐进地讨论它们，目前只需明白细菌和古菌的细胞膜极其不同，连合成它们的酶系统都非常不同。看来这个结构也无法追溯到同一个进化原型上。
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所以第二个疑问就是：末祖的膜系统究竟是哪一种呢？
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图2—85 左侧是细菌的磷脂膜结构图示，右侧是古菌的磷脂膜结构图示。左下角和右下角像火柴头一样的东西，是图1—3的简化版。我们用一个紫红色圆球表示磷脂分子的亲水端，那就是这两个分子式中的磷酸基。而疏水端的两条尾巴，在细菌和古菌那里就很不相同了。首先，作为中间的连接，细菌的甘油是左旋的，古菌的却是右旋的。其次，甘油连接尾巴的化学键，在细菌是酯键，在古菌是醚键。再次，那两条尾巴本身，细菌的是脂肪酸，古菌的却是类异戊二烯。此外，如两边的火柴头模型和键线式所示，在细菌那里，双层膜两面的磷脂分子互相独立，所以是双分子膜，但是在古菌那里，这两面的分子却常常勾连起来，令它们的细胞膜成为事实上的单分子膜。（作者绘）
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面对这两个疑问，我们可以有三种推测。
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第一种推测最简单也最站不住脚：末祖有两套复制DNA的酶系统，也有两套膜系统，细菌和古菌分家之后分别丢失了其中一套。然而，末祖不该有两套系统。这是因为，如果每套系统都能正常使用，那么拥有两套系统无疑是没事找事，浪费宝贵的资源；如果两套系统必须配合使用，那么细菌和古菌又不可能把其中一套系统丢失得这么干净。
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第二种推测一度占据了主导地位：末祖复制DNA的酶系统和膜系统都与细菌的一样，古菌的这两套系统最初也当然和细菌一样，但在后来的进化中，古菌适应了各种极端的环境，在强烈的选择压力下发展出了现在这两套更独特的系统。
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看起来，这种推测的确很有道理，因为刚提到的那三种古菌嗜好极端，人类最初发现的其他古菌也几乎全都来自极端环境：沸腾的间歇温泉、浓度极高的盐湖、地下深层的高压油田，甚至深海的高压热液喷口。而且，我们也的确发现古菌的诸多特征都具有相当高的化学稳定性，比如它们基因组中的CG碱基对要比AT碱基对比例更高，因为CG碱基对有三个氢键，而AT碱基对只有两个氢键，在极端环境下，前者要更稳定。
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但这同样遇到了难题：正如本章前两节介绍的，这些古菌都与细菌相伴而生，如果古菌在适应极端环境时进化出了特殊的系统，为何同样条件下的细菌不为所动？而且更重要的，古菌并不总是生活在极端环境中，经过半个世纪的观察，我们现在意识到，古菌和细菌一样广泛占据了地球上的各种环境，从土壤到空气，再到水体、动植物体内，甚至包括人类的皮肤、口腔和直肠，古菌们占据地球生物总质量的20%之多。那些与细菌生活在相同环境中的古菌，同样拥有这些不同于细菌的奇怪特征。
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这就令第三种推测无论多么离奇都变得更加可信起来：末祖有中心法则，但是复制DNA的酶系统并没有完善起来；末祖有化学渗透系统，但是细胞的膜系统也没有完善起来；后来，古菌和细菌在进化上分道扬镳，各自进化出了这两套系统，这两套系统当然也就大相径庭了。这就是我们在第二幕里得到的第四条线索。