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这些简单细胞的繁殖方式是一分为二，每个新细胞都是母体的克隆。不过，这些简单细胞通过让临近的细胞进入自己的细胞膜，就可以交换遗传物质。这给它们带来了遗传的灵活性，这是复杂的生物做不到的。它们能快速变异。
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大约过了20亿年（约15亿年前），细菌完成了一次相当艰难的大动作：一些细菌与其他细菌融合。宿主菌没有将进入的细菌食用并消化掉，而是与对方结合，形成了共生关系。通过这种方式，一种新的、更为复杂的细胞产生了，叫作“真核生物”或“有核细胞”，细胞中央是一个受保护的细胞核。
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这些新细胞都非常大，一般比没有细胞核的细胞大10倍到100倍不等。新细胞具备了类似骨架的结构，还有细胞膜包围并保护细胞核中的遗传物质。有核细胞还具备两个小部分，叫作细胞器——之前都是作为独立的细胞存在的。这两个细胞器分别是线粒体和细胞质体（在光合作用的细胞中）。这些细胞器依然具备各自独立的DNA，生物学家由此推知，它们过去是独立的细胞。
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细菌再次重复了这个过程。它们发现了进化成更复杂细胞的方式。此外再也没有新的细胞种类产生。
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我在这部分的描述中把细菌拟人化了，把它们描述得像人一样有意识地进行创造。这么写，是想读者朋友们读起来更有趣些，读者朋友可都是有思想、有意识的生物。不过，我跟多数生物学家一样，认为细菌是没有思想、没有意识的生物。其革新都是环境所喜欢的随机变异，并通过自然选择而传递了下来。这就是自然选择的进化的含义。
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琳恩·马古利斯
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微观世界的特立独行者
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马古利斯是位坚持己见的生物学家，她指出有核细胞一定是在小细菌融合为新类型的细胞时出现的。
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琳恩·马古利斯（Lynn Margulis，1938—2011），美国生物学家，她对有核细胞起源的研究让进化研究延伸到了30亿年前。
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琳恩·马古利斯原名琳恩·亚历山大，在伊利诺伊州的芝加哥南区长大。父亲是波兰裔犹太人，从事律师工作，母亲经营一家旅行社。琳恩有3个妹妹。
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从四年级到八年级，琳恩就读的是芝加哥大学的实验学校，那是一间私立走读学校，隶属于芝加哥大学，由教育哲学家约翰·杜威（John Dewey）创立。八年级时，琳恩决定去一所大点儿的学校上学，那样的话好找男朋友。她在父母不知情的情况下报名进入了海德公园高中，这是一所管制的公立学校，在校生有5000人。
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琳恩是个早慧的学生，15岁时，就被芝加哥大学录取，19岁大学毕业。她选修了“历史名著”的课程，她说这门课教会了她具有怀疑批判精神。后来她又在威斯康星大学获得了遗传学和动物学硕士学位，1965年在加利福尼亚大学伯克利分校获得了遗传学博士学位。她先是在波士顿大学工作了20年，边教学边研究，后来到马萨诸塞大学阿默斯特分校工作了23年。
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马古利斯获得博士学位后不久，就陆续发表了一些论文，表达了她的革命性见解：进化是从细菌开始的。几种细菌融合成为一种大细胞，有核细胞出现。有关这一观点的第一篇论文，她自己也承认内容复杂难懂，文笔也不好，被退回了15次之多，直到1967年才得以发表。1970年，她的著作《真核细胞起源》（The Origin of Eukaryotic Cells）出版。
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最初，马古利斯的观点并没有引起人们的注意，要不就是遭到嘲笑。然而在20世纪80年代，人们发现了相关证据，表明有核细胞细胞器中的DNA与细胞本身的DNA并不相同。由此可以推断，细胞器一开始一定是独立的细胞。随后，生物学界接受了这个观点。
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1986年，马古利斯出版了她的科普著作《小宇宙：细菌主演的地球生命史》（Microcosmos: Four Billion Years of Microbial Evolution）。她因此荣获了许多科学奖项。1999年，克林顿总统给她颁发了国家科学奖章。
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马古利斯与詹姆斯·拉夫洛克（James Lovelock，见下文）合作，提出了“盖亚假说”，指出地球本身是一个能使自身永久存在的生态系统，能够维持自身持续发展的条件。拉夫洛克比马古利斯观点更激进，认为地球本身是一个生物体。
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马古利斯有两次婚姻，一次是在19岁，嫁给了著名天文学家卡尔·萨根，一次是在29岁，嫁给了X射线晶体研究专家托马斯·马古利斯（Thomas Margulis）。她一生育有4个子女，儿子多里翁·萨根（Dorion Sagan）与她合作完成了前述《小宇宙》一书。65岁时，她依然在早上6点骑自行车去上班。73岁时，她因中风去世。
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有核细胞
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有核细胞由细胞核和细胞膜组成，细胞膜保护其遗传物质。整个细胞外部还有一层膜，细胞内各个部分十分活跃。
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大约10亿年前，一些有核细胞演进产生了第4次重大的变革——有性繁殖。有性繁殖发生在藻类、阿米巴（变形虫）和黏菌之间。有些细胞的繁殖，在分裂的时候偶尔没有成功复制DNA。DNA单链细胞能够与另一个具有单链DNA的细胞配对，产生后代。相比细胞分裂复制DNA来说，这个过程在基因指令中产生了更多新的组合或变化。这种新出现的有性繁殖产生了更多的变异，因此后代的变异也就更多，发生革命性变化的速度开始加快。
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下一章我们来学习有性繁殖出现后的情况。讲完这部分故事，我们需要思考一个问题：在地球存在的最初20亿至30亿年的时间里，细菌在整个地球系统中扮演了什么样的角色？
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地球系统
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