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對生命起源和演化的探討，可能永遠沒有終極答案，但卻吸引著無數執著聰慧的大腦。

隨著時光隧道向前追溯，現在看到這段文字的你，我打賭愈會對生命的演化感到驚奇。放大尺度來看，這絕對是一不乏奇跡和精彩的長篇樂章。

第一章 演化大斷層

細菌和真核細胞間的落差在生物學的范疇內是無可比擬的。就算我們勉強接受菌落是真正的多細胞生物，它們的組織也從未超過最初階的程度。這不可能是因為它們缺乏時間和機會——細菌統治了這個世界長達二十億年，所有你想得到的地方它們都占領過，連你想不到的地方都占領了不少，現在它們的生質量依舊超過所有多細胞生物加起來的總合。不過因為某些原因，細菌始終沒有演化成大家能輕易辨識的那種多細胞生物。而根據主流看法，真核細胞的出現相形之下遠比細菌來得晚，卻在短短數億年之內引發了我們身邊所見的生命涌泉，而這不過是細菌可以運用的時間的一小部分而已。

諾貝爾獎得主杜維一直對生命的歷史和起源感到興趣，在他睿智的終極論述《演化中的生命》一書中，他暗示真核細胞的發端與其說是機緣湊巧，不如說是一個關鍵瓶頸——換句話說，真核細胞的誕生幾乎是不可避免的命運，是當時環境狀況相對上的突然轉變（比如大氣和海洋中氧濃度的上升）所造成的。當時的所有原始真核生物里，碰巧有一種對新環境適應得比較好，并且快速擴充族群，突破了瓶頸，在變動的環境里占得優勢，它們繁盛興旺的同時，較不適應新環境的競爭物種死絕了。這樣的結果導致了某種錯誤的印象，讓我們以為這一切是隨機的。這樣的可能性是否存在，取決于事件發生的正確順序，以及牽涉其中的篩選壓力，除非能肯定這兩項因素的實際狀況，否則我們都不能排除這種可能。當然，我們討論的是二十億年前的篩選壓力，可能永遠不會有肯定的一天；但正如我在引言部分說過的，就算如此，我們還是可以藉由現代分子生物學的幫助，排除一些可能性，然后專注于剩下的，最有希望的那些選項。

雖然我非常尊重杜維，但我覺得他的瓶頸論不是很有說服力。這個觀念說的是一派獨大，和生命幾乎無所不包的絕對多元性互相抵觸。世界的轉變并不是一口氣全面進行，許多不同的生態區位都留存了下來。或許最重要的一點是，缺氧的環境（無氧或低氧）也大規模地留存了下來，直到今日仍是如此。在這樣的環境生存所需的生化技能，和含氧的新環境是相當不同的。就算已有某些真核生物存在于當時，應該也不會妨礙各式各樣的「真核生物」在不同的環境里演化才對（例如海底死氣沉沉的爛泥里）。可是這樣的事情卻沒有發生。事實上，很驚人地，生活在這種地方的單細胞真核生物，全都和呼吸氧氣、生活在清新空氣里的生物體有所淵源。我不認為第一個真核細胞有那么勇猛，可以殲滅各種環境條件下的所有競爭者，尤其是那些生存條件不適合其本性的環境。而以細菌為例，真核生物確實也沒有將這個競爭對手殲滅，而是為自己開啟了新的生態區位，與細菌并肩而行。在生命的其他故事里，也找不到類似的例子，任何規模下都沒有。真核生物變成呼吸氧氣的能手一事，并沒有造成細菌的絕跡。盡管它們一直毫不留情地競爭著相同的資源，許多細菌還是堅忍不拔地從好幾十億年前堅持到了現在，這才是普遍的狀況。

讓我們研究一下甲烷菌的例子。這類細菌（專業點應該要叫古細菌）以利用氫氧和二氧化碳合成甲烷的方式維生。這部分我們將會略花些篇幅，因為甲烷菌在接下來的故事里很重要。甲烷菌會遭遇一個問題：盡管二氧化碳很充足，氫氧卻不是，氫氧總是會很快地和氧氣作用而形成水，在含氧的環境里總是倏忽即逝。甲烷菌因而只能生存在有管道取得氫氧的環境里，這樣的地方通常就是完全無氧的環境，或是火山活動頻繁，氫氧的補充速度比消耗還快的地方。可是甲烷菌不是唯一使用氫氧的細菌，它們從環境中取得氫氧的效率也沒有特別高。另外有一種叫做硫酸鹽還原菌的細菌，靠著還原硫酸鹽，使之轉變為硫化氫這種帶有臭蛋味的氣體（實際上是臭蛋會散發硫化氫）而得到能量。它們也要使用氫氧才能實行這個作用，而在競爭這種稀有資源的場合，它們通常比甲烷菌要來得強。即便如此，甲烷菌也在適合它的生態區位存活了三十億年，它們居住在那些其他條件不利于硫酸鹽還原菌的地方——通常是缺乏硫酸鹽。比方說，活水湖里的硫酸鹽極其貧乏，因此硫酸鹽還原菌無法在此安身；而甲烷菌就可以在湖底的淤泥或是不流動的沼地區域立命。它們散發出的甲烷氣體被稱為沼氣，不時會燃亮神秘的藍色火焰，在沼澤上方出沒，這個現象也就是所謂的鬼火，許多鬼怪或幽浮的目擊聲明其實都該算到它頭上。不過甲烷菌的甲烷產量可是一點也不含糊，任何人只要支持以天然氣取代日漸短缺的石油，就該向甲烷菌說聲謝謝，它們基本上可以負責我們所需的全部供應量。甲烷菌也出現在牛的，甚至于人的腸道里，因為后腸也是個極度缺氧的地方。甲烷菌在素食者體內格外的繁盛，因為植物的硫化物含量普遍較低。肉類富含硫，因此在肉食者體內，硫酸鹽還原菌通常會取代甲烷菌。改變你的飲食習慣，在某些尷尬時刻你會發現有所不同。

關于甲烷菌我想強調的是，遇到瓶頸時它們是競賽中的輸家，盡管如此它們還是能找到適當的生態區位存活下來。在較大的規模上，輸家徹底消失，或是后起之秀連搖搖擺擺的立足之地都找不到案例，也同樣十分罕有。鳥類演化出飛行能力，并沒有妨礙到其后演化的蝙蝠，它們還成為哺乳類中數量最豐的物種。植物的演化沒有使藻類消失，維管束植物的出現也不曾消滅苔蘚。就算是大滅絕也鮮少會消滅一整個生物網。恐龍雖然絕跡了，但爬蟲類還在我們身邊，盡管哺乳類和鳥類一直執拗地與它們競爭著。在我看來，在演化史上，能和杜維所設定的狀況比擬的瓶頸只有生命的起源本身：生命可能只發源過一次，也可能是發源過許多次，但只有一種型體最終存活了下來——以后者而言，這就是一個瓶頸。或許吧，但這不是個好例子，因為我們無從證實。我們只知道，現存的所有生命都具有共同的祖先，發源自同樣的始祖。連帶的這也排除了某一類言論，認為侵略者一波波地輪番移居到我們的星球。地球上所有生物之間在生化上的密切關聯，和這個觀點是不相容的。

如果真核生物的誕生不是個瓶頸事件，那么它恐怕是一整套極為不易發生的系列事件所造成的，因為這整套事件只發生過一次。身為一個真核生物，我的發言可能有有失公允，但我不相信細菌可以登上這座順暢的斜坡而獲得知覺能力，或是升格成任何黏液之外的東西，不管是在這里，或是在宇宙他處。不，復雜生命體的奧秘在于真核細胞的嵌合本質，一個有前途的怪物，從二十億年前一次不可能的并吞中誕生，而且至今還固定在我們最深層的構造里，支配著我們的生命。

一九四零年，高施密特首度提出了有前途的嵌合怪物這樣的概念，同年，艾弗里證明了基因是由DNA構成的。高施密特被某些作者當成笑話，而被另一些人擁戴為反達爾文陣營的英雄。這兩種評語都不適用于他，因為他的理論既非無稽之談，也不違反進化論。高施密特主張，突變（基因的微小變化）的逐步累積雖然重要，但只能用來解釋種內的變異。突變逐步累積的力量不夠大，它所能造成的深化革新不足以解釋新種的誕生。高施密特相信，物種之間巨大的遺傳差異并非一連串微小的突變所能造成的，而是需要更深刻的「巨型突變」，就像是怪物的大腳一跨，越過「基因空隙」——意思是兩段基因序列間的隔閡，也就是從一段序列成為另一段序列所需的變化總合。他意識到，隨機的巨型突變會使基因序列突然大幅變化，極有可能會使突變種的生理機能無法運作，因而他將那百萬分之一次的成功命名為「有前途的怪物」。對高施密特來說，一個有前途的怪物不是由一連串小小突變累積而來，而是遺傳因子大幅遽變的幸運成果，就像典型瘋狂科學家在實驗室耗盡一生，歷經使人發狂的失敗后，創造出來的那種東西。現在我們學過了現代遺傳學，知道巨型突變并不是種化的原因，至少在多細胞生物不是（雖然對細菌來說可能是，就像瑪格利斯所主張的那樣）。不過，在我看來，兩個基因體的融合，產生了第一個真核細胞，這應該比較適合被看做是一項巨型突變，是它創造出了有前途的怪物，而不是小型基因變化的累積。

所以，第一個真核生物是個什么樣的怪物？它的起源又有什么不可思議之處？想要知道這些答案，我們必須先思考真核細胞的特質，以及它們和細菌在許多方面的驚人差異。我們在引言的部分已經接觸過這些主題；現在，我們應該專注于差異的規模，看看斷層裂隙那大大張開的嘴巴。

真菌和真核生物的差異

與細菌相比，大部分的真核生物都很巨大。細菌的長度很少會超過一毫米的千分之幾（幾微米）。相形之下，雖然有一些名為真核超微藻類的真核生物和細菌一般大，但大部分真核生物的直徑都比細菌大上十到一百倍，換算成體積就是細菌的一萬到十萬倍。

大小不是唯一的問題。真核細胞的核心特征，也是它命名的由來，就是它的「真」細胞核。這細胞核一般是球形，高密度的DNA（即遺傳物質）被蛋白質包裹著封裝在雙層膜之中。此處就有三個地方和細菌大大不同。首先，細菌根本沒有細胞核，或該說它們只有沒被膜封起來的原始版本細胞核。因此細菌也被稱為「原核生物」（prokaryote），希臘文的意思是「在核出現之前」。這個命名堪稱先見之明，雖然有些研究人員認為，有核和沒核的細胞出現的時間一樣早，但大部分專家同意原核生物的名字取得很好：它們的演化確實發生在有細胞核的細胞，也就是真核細胞之前。

細菌和生物間的第二個不同之處在于基因體的大小，也就是基因的總量。普遍上，即使是和酵母菌這樣簡單的單細胞真核生物相比，細菌的DNA也遠少于它們。它們之間的差距可以用基因的數目（通常是數百到數千個），也可以用DNA含量來表示。后都被稱為C值，用以計算DNA的「字母」數量。C值不只有把基因算在內，還包括一段段所謂的非編碼DNA，指的是不表現蛋白質的DNA，所以它們不能被稱做基因。（目前基因的定義已不局限于蛋白質的表現與否，有些序列的表現產物是具功能性的RNA，這些序列亦屬基因。）基因數目和C值的差異都很有啟發性。像酵母菌這樣的單細胞真核生物，基因的數目是大部分細菌的好幾倍，人類則差不多是細菌的二十倍。C值，或說DNA含量的差異，則更為顯著，因為真核細胞的非編碼DNA比細菌多上許多。真核生物的總DNA含量超乎尋常地橫跨了五個數量級。無恒變形蟲這種大型變形蟲的基因體，比微小的真核細胞兔腦炎微孢子菌大上二十萬倍。這巨大的范圍無關乎復雜度，和基因的總數也無關。事實上無恒變形蟲的DNA含量是人類的兩百倍，可是它的基因數目遠小于人類，而且它們很明顯地不像人類那么復雜。這古怪的矛盾被稱為C值悖論。這些非編碼DNA是否有演化上的意義？看法莫衷一是。其中一些部分確實是有意義的，但絕大部分仍舊令人費解，我們也很理解變形蟲為什么會需要這么多非編碼DNA（在第四部我們會回來討論這個問題）。盡管如此，真核生物的DNA通常比原核生物多出好幾個量級，這是事實 ，需要一個解釋。擁有這么多的DNA不是沒有代價的。復制這許多額外的DNA，還要確認它們的正確復制，這些工作耗費的能量會影響細胞分裂的速度和狀況，帶來的影響我們稍后會再繼續探究。

第三個差別在于DNA的包裝和構造。正如前言部分所說過的，大部分細菌具備的是單一環狀的染色體。它們的染色體若非局部固定在細胞壁上，就是在細胞內任意漂動，隨時可以快速地進行復制。細菌也有一些基因「零錢」，是自成小圈的DNA，名為質體，它的復制獨立于細菌染色體，而且可以由一個細菌傳遞給另外一個。細菌日常交換質體的行為就像我們用零錢購物一樣稀松平常，這說明了為什么抗藥性的基因在細菌群體里散播得這么快——就像一天可能會經手二十個不同的的人。現在再回到細菌的基因中央銀行，幾乎沒有細菌把主要染色體用蛋白質包裹起來，反之，它們的基因是「裸露」的，易于取用，是現金帳戶而非儲蓄帳戶。在細菌中，目的相同的基因往往被排在一起，形成一個作用單位，被稱為操縱組。反觀真核生物，目的相似的基因也不會排列在一起。真核細胞具備許多彼此分離的線性染色體，它們通常是二倍體，相匹配的染色體兩兩成對，就像人類的二十三對染色體。真核生物基因在染色體上的排列基本上是隨機的，更麻煩的是，基因還會被長段的非編碼DNA分割成片段。制造蛋白質時必須先讀過大量的DNA，才能將真正的基因拼接合并起來，形成可以表現蛋白質的通順轉錄本。

真核生物基因不僅排列隨機，支離破碎，而且還很難以觸及。染色體被緊緊包裹在一種名為組蛋白的蛋白質上，這會阻擋基因的使用通路。當細胞分裂，基因要復制時，或是為了制造蛋白質而要復寫轉錄本時，組蛋白的組態就必須改變，開放DNA的存取，而這又受到一種名為轉錄因子的蛋白質調控。

總結來說，真核生物基因體的構造是件復雜的事務，光是補充說明就能填滿一座又一座的圖書館。第五部我們會討論這個復雜裝置的另一個層面（細菌所沒有的性）。然而現在最重要的結論是：這樣的復雜性有其能量成本。相較于細菌幾乎永遠在精簡自己提升效率，大部分的真核生物既拐彎抹角又雜亂無章。

骨架和小房間

真核細胞在細胞核之外的部分，也和細菌相當不同。真核細胞一直被描述為「有內容」的細胞（圖2）。它大部分的內容物由膜所構成。膜是由名為脂質的油脂分子所形成的夾心結構，薄到讓你感覺不到它的存在。膜形成小囊泡、管子、盆狀物和餅狀物，包裹出一間一間以脂質屏障隔絕水狀細胞質的封閉小房間。不同的膜系專門負責各式不同的任務，例如制造構成細胞的材料，或是分解食物產生能量，或者用于運送、儲存或是降解。有趣的是，雖然尺寸形狀千奇百怪，但大部分的真核細胞小房間，都是由最簡單的囊泡變化而來的：有些被拉長壓扁，有些被塑成管狀，有些就是單純的泡泡。最不尋常的是核膜，它看起來像是兩層連續的、包住細胞核的膜，實際上卻是一系列大而扁的囊泡相接而成的，而且驚人的是，它還和細胞內其他的膜隔間相連。因此核膜在構造上和細胞的表層膜不相同，這些表層的膜都是連續不中斷的單層（或雙層）構造。

細胞內還有一些微小的器官，例如粒線體，還有植物和藻類細胞內的葉綠體。葉綠體值得特別一提。它們負責行光合作用，將太陽能轉化為攜帶化學能的生物性分子貨幣。葉綠體也跟粒線體一樣，源自于某類細菌——藍綠菌，它們也是唯一能夠行真正的光合作用（會產生氧氣）的一群細菌。值得注意的是，葉綠體和粒線體都曾是自由生活的細菌，還保有一些半獨立的特征，包括一小群自己的基因。它們都和替宿主細胞生成能量的活動有關。這兩個胞器都和真核細胞其他的膜系統胞器明顯不同，而這樣的不同使它們鶴立雞群。和細胞核一樣，粒線體和葉綠體都有兩層膜，不同于細胞核的是，它們的雙層膜形成不中斷的、真正的屏障。粒線體和葉綠體的雙層膜特征，連同它們自己的DNA、自己的核糖體、自己的蛋白質組裝以及半自動的分裂，一同指證了它們的細菌起源。

細胞細菌（a）和真核細胞（b）的比較示意圖。這兩張圖未依實際比例繪制；細菌大小約等同于（b）圖中的粒線體。為了清晰起見，真核細胞內只零星描繪了一些膜所形成的構造，實際上兩者內部的構造差異比圖未更明顯。即使是在電子顯微鏡下，也很難觀察細菌。

如果我們說真核細胞有內容，那細菌就是什么都看不見。它們沒有真核細胞那樣繽紛的內膜系統，只有表面的一層細胞膜，它偶爾會向內折疊，賦予細胞一些紋理。即便如此，真核細胞繁盛的膜系和細菌稀疏的膜，兩者的基本成分是相同的。都是由磷酸甘油構成的親水性「頭部」，接上幾條脂溶性的長脂鏈所構成的。正如清潔劑會自然地形成微滴，脂質的化學結構會自然地促使它們愈合形成膜：親水的頭向兩面突出，將脂鏈夾在中間。這種細菌和真核生物間的一致性，有助于說服生化學者兩者有相同的遺傳來源。

在我們進一步討論這些異同之處的意義之前，先讓我們完成真核細胞的參觀之行。我還想提兩個它們和細菌間的相異之處。首先，除了膜系構造和胞器之外，真核細胞還具有蛋白質織維所構成的致密內部支架，名為細胞骨架。第二，真核細胞不像細菌具有細胞壁，或至少可以說它們沒有細菌型的細胞壁。（植物細胞和部分藻類以及真菌是有細胞壁的，但它們的細胞壁和細菌很不一樣，而且演化出現的時間較遲。）

內部的細胞骨架和外部的細胞壁是截然不同的概念，然而卻著同樣的功能，它們都能提供結構性的支持，就像昆蟲體外的幾丁質和我們體內的骨骼都用來支持個體的結構。細菌細胞壁的構造和成分不一，但普遍都提供了堅硬的框架維持我細胞形狀，使之在環境突然改變時不至于脹破或是塌陷。除此之外，細菌細胞壁的固體表面讓染色體（還有染色體上的基因）可以定置于此，各種推進構造，像是鞭狀的細絲（或稱鞭毛）也可以固定于其上。相比之下，真核細胞通常只有柔軟的外膜，靠內部的細胞骨架使之穩固。細胞骨架并不是一種固定不變的構造，它隨時都在進行重整，這項耗能的過程使得細胞骨架擁有細胞壁所沒有的機動性。這意味著真核細胞（或至少是真核細胞中的原生動物）不會像細菌細胞那么堅固，但它們可以改變自己的形狀（通常相當激烈），因而得到數不清的好處。經典的例子像是變形蟲，它們四處爬行，行吞噬作用將食物吞入體內。吞噬作用發生時，細胞會暫時將凸出一部分，這叫做偽足，意思是假的腳。細胞以偽足包圍獵物后再次融合，將獵物包裹起來，形成細胞內的食泡。偽足的穩定靠的是細胞骨架不斷地變化。它們之所以可以輕易地再次融合，是因為細胞膜是流體，就像肥皂泡一樣，可以輕易地萌發小泡，然后再次融合。單細胞真核生物改變形狀以及靠吞噬作用進食的能力，使它們成了真正的掠食者，和細菌產生了區別。

孤獨之路——從細菌到真核生物

真核細胞和細菌大體上是以相同的材料打造出來的（核酸、蛋白質、脂質和糖類）。它們使用的遺傳密碼完全相同，膜脂質也是極為相似。很明顯的，它們擁有共同的祖先。然而另一方面，真核生物和細菌的構造幾乎沒有一處相同。真核細胞體積平均是細菌的一萬到十萬倍，具有細胞核、膜系以及胞器。它們攜帶的遺傳物質通常比細菌多上數百數千萬倍，基因排列沒有規則，還被分割得零零碎碎。它們的染色體不是環狀，而是線性的，并且被包裹在組蛋白之中。它們大部分藉性行為繁殖，或至少偶爾會這么做。它們靠動態的細胞骨架從內部提供支撐不見得會有細胞壁，這使它們能夠到處覓食，還能吞下整只的細菌。

粒線體只是一大串差異中的一項，看起來好像只是隨意添上的一筆。然而它不是，接下來我們將會明白這一點。可是，還有一個問題沒有解決：為何真核生物的演化之路如此壯盛，而細菌在將近四十億年的時間里卻幾乎毫無改變？

真核細胞的起源是生物學最受矚目的話題之一，道金斯將之稱為「偉大的歷史交會」。這個議題擺蕩在科學和臆想間，絕妙的平衡，恰足以在理當冷靜公正的科學家之間掀起狂暴的激情。實際上，有時會讓人覺得好像每出現一個新證據，就會產生一項新的假說解釋真核細胞的演化起源。這些假說傳統上可分為兩類，一類試圖將真核細胞解釋為許多不同細菌合并的結果；另一類則是試著在特定的分類里追溯真核細胞特征的可能起源，而不求助于那么多次的并吞。正如我們在引言部分所看到的，瑪格利斯主張粒線體和葉綠體的起源都是自由生活的細菌。她也主張真核細胞一些其他的特征——包括細胞骨架，還有組織細胞骨架的中心粒——也來自細菌的的并吞，但這次她沒有成功將領域中的學者拉到她這一邊。問題在于，細胞結構上的相似性雖然有可能來自于演化上的直接關聯性——內共生生物還沒有退化得面目全非，還可以分辨它們的來源；但也有可能是趨同演化造成了結構上的相似性，類似的篩選壓力無可避免地創造了類似的結構，畢竟正如先前所說，解決特定問題的招數就只有那幾種而已。

像細胞骨架這樣的細胞物件，不像葉綠體和粒線體擁有自己的基因體，很難確立它的出處。既然無法直接追溯家譜，就很難證明這個胞器是共生生物還是真核細胞的創作。多數的生物學家都傾向最單純的觀點，也就是真核生物大部分的特征，包括細胞核和胞器，除了葉綠體和粒線體，都純屬真核細胞的創作。

要從真核細胞起源的矛盾迷宮找到出路，我們只需要考慮兩個互相競爭的理論，在我看來，這兩者屬實的可能性最高。它們分別是「主流」觀點以及「氫假說」。主流觀點替換掉了瑪格利斯原始概念的許多細節，而這個新版本大半要歸功于牛津的生物學家卡瓦略史密斯。沒有學者像卡瓦略史蜜斯一樣，對細胞的分子結構和它們的演化關系了解得那么詳細，在細胞演化方面，他曾提出無數重要且引發爭論的理論。氫假說則是完全不同的理論，提出這個有力說法的是美籍生化學家馬丁，他任職于杜塞朵夫的海恩里希海涅大學。馬丁有遺傳學家的背景，他往往從生化的角度（而非構造性的觀點）來切入真核生物的起源。他的看法違反直覺，引起了熱烈的，在某些領域甚至是尖刻的反響，然而這些想法在生態方面的邏輯性干凈利落，不容忽視，可以為他撐腰。這兩個人時常在研討會杠上彼此，他們的意見讓這些會議仿佛籠罩在近似維多利亞時代通俗劇的氣氛下，使人不禁聯想到柯南道爾筆下的查林杰教授。倫敦皇家學會在二○○二年有場關于真核細胞起源的精采研討會，整場會議里，卡瓦略史密斯和馬丁不斷爭論著彼此的看法，令我印象深刻的是，會后數小時，他們還在當地的酒吧里持續著他們的辯論。

2024-07-06 16:33:29