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复杂生命的起源 [:1700000017]
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复杂生命的起源 6 性，以及死亡的起源
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“自然讨厌真空”，亚里士多德如是说。两千年后，牛顿的观念与亚里士多德的思想相呼应，两位都在思索，究竟是什么物质填满了空间？牛顿认为，那是一种名为以太（æther）的神秘物质。进入20世纪后，这个观念在物理学领域被破除，落得声名狼藉，不再被主流研究考虑。然而在生态学中，“空白恐惧”（horror vacui）的观念仍然大行其道。一首古老的童谣形象地描述了“填满所有生态位”的原则：“大跳蚤背上咬着小跳蚤，小跳蚤背上咬着更小的跳蚤，无穷无尽。”每个可以占据的生态位都会被占据，每种生物都精巧地适应自己所处的环境。每个植物、每个动物、每个细菌，本身都是一处栖息地；对于各式各样的跳跃基因、病毒和寄生虫来说，这些场所都是机遇无限的丛林沃野，更不用说对更大型的掠食者意味着什么了。怎么都行，什么都有。
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但这只是表象，事实并非如此。绵延不断的生命画卷只是一种表面印象，生命问题的核心赫然存在着一个黑洞。是时候直面生物学中最大的悖论了：为什么地球上所有的生物会被区分为形态简单的原核生物和具有众多复杂特征的真核生物这两大类？真核生物的共同特征，在原核生物中完全找不到。在两种生物之间，一条鸿沟、一团虚无、一片真空，大自然理应不能容忍这种状态。所有的真核生物基本上共有这一切形态特征；而从形态上看，所有的原核生物几乎一样都没有。《圣经》中曾有最准确的描述：“凡有的，还要给他，叫他丰足有余。”
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我们在上一章中讨论过，发生在两个原核生物之间的内共生作用，打破了永无止境的简单循环。一个细菌进入另一个细菌体内，生存下来，还要一代又一代延续下去，这绝非易事。但我们的确发现了几个实例，证明内共生事件即使非常罕见，也确实能发生。然而，细胞中的细胞只是一个开始，只是生命史上一个意味深长的时刻，远不是全部。我们必须以此为起点，描绘一个带有所有真核生物特征的细胞的演化路线，找到通往真正复杂性的演化途径。我们从没有任何复杂特征的细菌开始，到一个完整的真核细胞为止；它必须有细胞核、有丰富的内膜和内部分隔、有动态细胞骨架，还有有性生殖等复杂行为。真核生物的最后共祖已经拥有这一切，然而我们的起点，即体内住着一个细菌的细菌，则什么都没有。两者之间没有任何中间型存活下来，所以我们无法通过观察得知演化出复杂真核生物特征的缘由，以及它们是如何演化的。
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有人认为，内共生作用促使真核生物崛起不是达尔文式的演化，因为它不是一系列逐代继承的微步改变，而是突然一跃进入未知领域，一下子制造出一头“有希望的怪物”（hopeful monster）①。一定意义上，这种看法没有错。之前我曾说过，即使自然选择在无限长的时间内作用在无限多的细菌种群身上，也仍然无法令它们演化成复杂的真核细胞，除非是通过内共生作用进行才有可能。这种事件无法用标准的分支生命树图来展示。内共生作用是反向的树状图，它的树枝不是分叉，而是融合。但是内共生作用也是一次单一事件，发生于演化史中的一个时间节点，并不能一下子制造出细胞核，或者真核生物的任何其他主要特征。它的作用是触发了一系列后续事件，而这些事件的发展过程是标准的达尔文式演化。
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所以，我的观点并不是说真核生物的起源不符合达尔文式的演化理论。我认为，原核生物之间的单一内共生事件，使自然选择的整个场景彻底改观。自此之后，一切生命仍然沿着达尔文式的演化轨迹发展。问题在于，这种改观具体是怎么进行的？获得内共生体会如何影响自然选择的进程？这种变化是可预测的吗？也就是说在其他行星上，生命的演化是否会遵循相似的路径？还是说一旦打破能量限制，演化就如洪水出闸，可以无拘无束任意发展了？我认为，至少有一部分真核生物特征是由宿主和内共生体之间的亲密关系塑造而成的，所以它们的出现可以根据基本原理来预测，这些特征包括细胞核、有性生殖、两性，甚至还包括不朽的种系，以及它的代价：寿数有限的肉体。
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以内共生作用为起点，立即对各个事件的发生顺序产生了一些限制。例如，细胞核与内膜系统必定出现在内共生作用之后；演化的实际发生速度也受到了一定限制。达尔文式的演化与渐变论（gradualism）经常被混为一谈，但所谓的“渐变”，究竟是什么意思呢？渐变的意思很简单：演化不会大跨步飞跃进入未知领域。所有的适应性变化，都应由微小而不连续的分步构成。渐变论其实对基因组自身的变化模式就不适用。基因组可能发生大面积缺失、重复、易位，或者是调控基因不正常关闭或开启而造成的突然重构。但是这些变化与内共生一样，都不是适应性的，只是改变了自然选择作用的起始条件。例如，认为细胞核会突然凭空出现，就是没有分清基因突变造成的是跳跃式演化还是适应性演化。细胞核是一个适应得非常精巧的构造，并不仅仅是基因的贮藏室。细胞核又由若干内部构件组成，例如核仁，会大规模制造新的核糖体RNA；还有双层核膜，上面镶嵌着精密度令人叹为观止的核孔复合体（图26），每一个核孔都由几十种蛋白质组成；还有核纤层（lamina），一种柔软、具有弹性的蛋白质网状结构，它作为核膜的内衬，可以保护细胞核内的DNA不受伤害。
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图26 核 孔
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以上是电子显微技术先驱唐·福塞特（Don Fawcett）拍摄的经典照片。小图A中，围绕真核细胞核的双层膜清晰可见，小箭头所指的开口是核孔。细胞核中的深色区域是相对不活跃的部分，这里的染色质处于超螺旋的“浓缩”状态；浅色区域是正在活跃进行转录的部分。核孔旁的明亮区域正在主动运输物质进出细胞核。小图B是核孔复合体组成的阵列。每个复合体都由数十个蛋白质组成，是控制物质进出的复杂机器。这些复合体的核心蛋白质是所有真核生物共有的，因此真核生物的最后共同祖先也肯定已经有核孔结构。
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这样的构造是自然选择经过长时间的作用而形成的，还需要几百种精巧的蛋白质协同合作才能实现。这个过程是纯粹的达尔文式演化。但这并不等于是说，这个过程在地质时间上一定会很慢。在化石记录中，我们常常可以发现时间跨度很长的停滞期，中间偶尔间隔着一些快速变化期。真核生物的演化在地质时间上发生得很快，但是如果用经历的世代来计算就未必了。这种演化之所以能发生，只是因为从前在正常情况下那些阻碍改变的制约条件，现在不能再阻碍了。自然选择鼓励变化的情况相当罕见，在大多数情况下它都阻碍改变，会不断清除一个适应度地形（adapative landscape）中的变异尖峰。只有当这个“地形”（即环境）经历了翻天覆地的改变时，自然选择才会鼓励变异，而非压制。而由此带来的演化速度，可能快得惊人。眼睛的演化就是一个绝佳的例子。眼睛出现于寒武纪大爆发时期，在大约两百万年之内就演化出来了。前寒武纪时期的生命演化节奏在几亿年间几乎没有任何变动，与之相比，两百万年显得十分匆忙。为什么停滞了这么久，然后又突飞猛进？也许是因为氧气浓度上升，自然选择随之开始青睐运动力较强的大型动物，然后就出现了捕食者与猎物、眼睛与甲壳。②一个著名的数学模型曾经计算过，某种蠕虫身上原始的感光眼点演化成眼睛需要多长时间。假设平均生命周期为一年，每一代形态改变都不超过1%，答案是只需要50万年。
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细胞核需要多长时间才能演化出来？有性生殖和吞噬作用呢？有任何理由认为它们需要比眼睛更长的演化时间吗？计算从原核生物演化成真核生物最少需要多少时间，是未来可以开展的一个科研项目。在讨论这个项目是否值得启动前，我们需要更深入地了解相关事件发生的先后顺序。我们不能先入为主地假设，这些演化过程一定需要几亿年的漫长时间。两百万年有什么不可以呢？就算假设细胞每天只分裂一次，两百万年几乎是十亿代了。实际上需要多少代呢？一旦突破了阻止原核生物变复杂的能量限制，真核生物有什么理由不能快速演化出来呢？相对于原核生物长达30亿年的演化停滞，真核生物的快速演化可能显得太过突兀，但它的确严格遵循达尔文式演化。
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快速演化在理论上可行，并不等于它真的就发生了。然而，“自然讨厌真空”，我们有充分的理由相信，真核生物的演化很可能是迅速发生的。问题在于，真核生物共有一系列特征，而原核生物什么都没有。这暗示了某种不稳定性。我们在第一章中讨论过源真核生物，它们是相对简单的单细胞真核生物，过去一度被误认为是介于原核生物和真核生物之间的演化中间型。后来才发现，这些异类其实都是更复杂的真核生物后代，其祖先拥有全套的真核生物特征。无论如何，源真核生物仍然是真正的生态中间型：它们占据了介于原核生物与真核生物之间、形态复杂度中等的生态位。它们填充了这个空白。所以乍一看，已经没有空白了，生物的形态复杂度由简及繁，呈现连续不断的分布，从最简单的基因寄生物到大型病毒、细菌、简单真核生物、复杂真核细胞，直到多细胞生物，一切都稳妥完美。然而最近的研究发现，源真核生物其实名不符实，演化生物学中令人恐慌的巨大空白才浮现在我们面前。
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源真核生物并未在竞争中灭绝，这证明简单的“中间型”生物很适应它们的生存空间。所以，没有理由认为，真正的演化中间型不能占据相同的生态位，比如没有线粒体、没有细胞核、没有过氧化物酶体的细胞，或者没有高尔基体和内质网等内膜系统的中间型细胞。如果真核生物演化得很慢，需要几千万甚至几亿年的时间，那就应该出现很多稳定的、缺少某些真核生物特征的中间型细胞，它们就应该占据今天源真核生物的中间生态位。其中至少有一部分，作为填充空白生态位的真正中间种，就应该能存活至今。然而一个都没有！科学界苦苦寻找许久，却从来没找到过。如果它们不是被竞争灭绝了，那为什么没有一个幸存者呢？我认为，原因在于它们的基因太不稳定。要跨越原核生物与真核生物之间艰险的鸿沟，基因组合上可行的路径并不多，大部分探索者都中途而亡。
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这意味着最初的种群应该很小，这么推论也很合理。庞大的种群意味着演化上的成功。如果早期真核生物一下子就取得了演化成功，那么它们应该子孙繁盛，占据新的生态位，进一步分化。它们的基因应该很稳定，至少其中一部分应该可以存活至今。但这些并未发生。现在看来，最初的真核生物基因都不稳定，它们在一个很小的种群内快速演化，挣扎求生。
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还有另一个原因让我们相信事实正是如此：所有的真核生物都拥有众多完全相同的特征。仔细想想这有多奇怪！所有人类都有一样的特征，比如直立的姿势、无毛的身体、拇指对握、大容量的脑、发达的语言能力，因为人类都源自同一群互相交配的祖先。还有性。一群可以互相交配生殖的生物个体，就是对“物种”最简单的定义。种群内的生物如果无法互相交配产生可育后代（即生殖隔离），就会分道扬镳，各自演化出不同的特征，最终变成不同的新物种。然而在真核生物诞生之初，生殖隔离似乎并未发生，因为所有的真核生物都有一样的基本特征，很像是一个可以互相交配生殖的种群。有性生殖。
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还有任何其他的生殖方式可以达成这样的结果吗？我认为没有。无性生殖（即“克隆”）会导致深远的发散演化，因为不同种群内的不同突变都会累积下来。这些突变在不同的环境中接受自然选择，面对的优势和劣势也迥然各异。克隆虽然可以制造出完全相同的个体，但反而会因此在不同种群中累积不同的突变，致使它们分化。有性生殖则形成鲜明的对比。有性生殖在种群内部形成基因池，不断地混合匹配各种特征，从而阻止分化。所有真核生物都具有一样的基本特征，这表明它们起源于一个互相交配、进行有性生殖的种群。这又意味着它们的种群不会太大，才能在严格意义上互相交配，形成单一基因池。种群中的任何细胞只要不能进行有性生殖，就无法留下后代。《圣经》又一次言中：“引到永生，那门是窄的，路是小的，找着的人也少。”
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那么，在细菌和古菌中十分普遍的基因分享方式——水平基因转移，可能造成这样的结果吗？与有性生殖一样，水平基因转移也涉及基因重组，也会变换不同的基因组合，造成“流动”的染色体。但是它与有性生殖的不同之处在于，水平基因转移并不是对等交换基因，也没有细胞融合或全基因组的系统性重组。水平基因转移是零敲碎打，而且是单向的，它无法对种群中的个体特征进行各种组合，反而会造成个体之间的分化。以大肠杆菌为例，单个细胞大约有4,000个基因，但大肠杆菌的宏基因组（所有菌株的基因总和。不同的大肠杆菌菌株以核糖体RNA的差异程度来划分）差不多有18,000个基因。水平基因转移盛行的结果，是同一种细菌的不同菌株之间可能有多达一半的基因都不一样，比所有脊椎动物之间的基因差异程度还要大。简而言之，原先细菌与古菌的主要遗传模式，无论是克隆还是水平基因转移，都无法解释真核生物神秘的一致性。
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如果我在十年前撰写本书，那不会找到多少证据来支持有性生殖出现在真核生物演化早期的观点。那时候，不少真核物种都被认为是无性生殖的，包括多种阿米巴原虫和被误认为早期演化分支的源真核生物（例如梨形鞭毛虫）。甚至直到今天，还没有研究者能把梨形鞭毛虫捉奸在床，发现它们确实在进行微生物性交。不过，我们在对这些物种生活史了解不足的情况下，常常可以通过技术手段来弥补。我们已经测定了梨形鞭毛虫的基因组序列，其中有减数分裂（即形成配子的细胞分裂）所需的基因，而且这些基因完全处于可用状态。还有它们基因组的结构，也明显经历过规律的有性生殖基因重组。几乎每一种我们研究过的真核物种，或多或少都有类似的现象。也有例外，比如有些后来才演化出无性生殖的真核生物，但它们通常很快就灭绝了。所有已知的真核生物都进行有性生殖。因此我们可以认为，它们的共同祖先也进行有性生殖。总而言之，有性生殖出现在真核生物非常早期的演化阶段，而且只有假定有性生殖是在一个小且不稳定的始祖种群中演化而来，才能解释为什么所有的真核生物都有这么多共同特点。
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至此，我们就要面对本章的中心问题：两个原核生物之间的内共生作用是否有某种特殊效应，推动了有性生殖的演化？当然是的。除此之外，还带来了许多重要的后果。
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基因结构的秘密
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真核生物有着“破碎的基因”。纵观20世纪的生物学研究，很少有比这更让人大吃一惊的发现。我们一度被早期的细菌基因研究误导，认为人类染色体上的基因也应该像漂亮的珠串一般，按照有意义的顺序排列。而实际发现的情况，就像遗传学家戴维·潘尼（David Penny）形容的那样：“如果有一个委员会设计了大肠杆菌的基因组，我会很荣幸参与其中。然而如果有一个人类基因组设计委员会，我绝对不会承认跟我有关。即使是那些低能的大学委员会，都不至于把工作做得这么糟。”
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到底是什么这样糟糕呢？真核生物的基因是一个烂摊子。它们由好几个较短的序列组成，每一段编码蛋白质的一部分；这些编码区域之间插入了长长的非编码DNA序列，我们称之为内含子（introns）。每个基因中通常都插入了好几段内含子（基因通常的定义是，编码一整个蛋白质的DNA序列）。内含子的长短差异非常大，但通常都比真正的编码序列长得多。内含子也会被转录到RNA上。RNA是用来指定蛋白质氨基酸序列的模板，会被转运到核糖体；而核糖体是细胞质中的蛋白质制造工厂，会根据RNA模板（RNA transcript，又名RNA转录本）的序列把游离的氨基酸组装成蛋白质。不过在抵达核糖体之前，RNA上的内含子就已经被全部剪切掉。这可不是一项容易的工作，要靠另一种精巧的纳米蛋白小机器——剪接体（spliceosome）来执行。我们稍后再来讨论剪接体的重要意义。现在你只需要注意，这一整套执行程序是多么奇怪迂回。如果在剪切内含子的过程中稍有失误，一连串毫无意义的RNA转录本就会送到核糖体，随即会制造出一大堆毫无意义的蛋白质。核糖体就像卡夫卡小说中的官僚③，一丝不差地执行着它们的官僚程序，从不多想。
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为什么真核生物有如此破碎的基因？有几个已知的好处。同一个基因可以通过不同的剪接方式拼出不同的蛋白质。例如，免疫系统就可以通过这样的蛋白质重组机制，把不同的蛋白质片段拼接成数十亿种不同的抗体。对于任何细菌或病毒，这样丰富的抗体中总有一款能选择性地黏附上去，形成免疫标记，启动免疫系统中的杀手机器去消灭它们。然而，免疫系统是大型复杂动物后期才发展出来的产物。在演化早期，破碎的基因有什么好处吗？福特·杜利特尔（Ford Doolittle）是20世纪的演化生物学老前辈，他曾在70年代提出一个假说，认为内含子可能出现于生命起源之初。这就是所谓的“内含子早现理论”（introns early）。他认为，早期的基因因为缺少现代基因复杂的修复机制，在复制过程中一定会迅速累积许多错误，这让它们非常容易遭受突变熔毁（mutational meltdown）。因为突变概率很高，DNA的长度会决定DNA上累积的突变数量，所以只有很短的基因组才可能避开突变熔毁的命运。如果只能有很短的DNA，那又如何大量制造各种各样的蛋白质呢？内含子就是解决方案，只需要重新组合许多小片段即可。这个理论非常精彩，至今仍有少数拥趸，不过杜利特尔本人已经倒戈。像所有优质的假说一样，这个假说也提出了一些预测。不幸的是，这些假说都被验证是错的。
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