>>>  讀書—連接古今充實信仰  >>>

簡體     傳統

多數人糾纏于結果，高手改變原因，智者改變模型。

模型是錯的，但卻是有用的。

邏輯上允許發生的，幾乎一定發生；邏輯上不允許出現的，幾乎一定不出現。

復雜是一種生存能力，簡單也是。

第七節 細菌為何如此單純

偉大的法國分子生物學家賈克柏曾說過，每個細胞的夢想就是變成兩個細胞。在我們的身體里，這番夢想受到層層關卡小心地控制；否則就會引發癌癥。不過賈克柏受的是微生物學的訓練，對細菌來說，一個細胞變成兩個不只是夢想。細菌復制的速度飛快。食物充足時，大腸桿菌每二十分鐘便可以分裂一次，一天分裂七十二次。一個大腸桿菌的體重約為一克的兆分之一（10-12克）。一天七十二次的細胞分裂相當于增殖272倍（=1072×log2=1021.6），也就是從10-12克增加成四千公噸。兩天之內，指數倍增的細菌將會重達地球質量的兩千六百六十四倍（也就是5.977×1021公噸）！

幸好這件事并不會發生，因為細菌通常都處于半饑餓狀態。它們火速地消耗掉所有可得的食物，然后它們的生長便再度因缺乏營養而受限。大部分的細菌大半輩子都處于停滯的狀態，靜待著一頓飽餐。即便如此，細菌獲得食物時投入復制的速度，生動地演示了篩選壓力的壓倒性力量。神奇的是，大腸桿菌細胞分裂的速度實際上比它們復制自己DNA的速度要來得快，復制DNA大約要花四十分鐘（是細胞分裂所需時間的兩倍）。它們能做到這點，是因為早在前一輪DNA復制結束之前，它們就開始了新一輪的復制。在細胞快速分裂的時期，每個細胞內都會同時制作好幾份完整的細菌基因體。

細菌被天擇毫不留情的暴政所控制。速度的重要性至高無上，細菌為何還是細菌的秘密就在這里。想像有一群細菌，它們的生長受限于養分的供應。現在，喂食它們。細菌細胞開始增殖。復制較快的細胞火速地稱霸這個族群，而復制較慢的個體則被取代。當養分來源耗盡時，留下的就是一個新的，處于沉睡狀態的族群（至少在下一餐出現前會是如此）。只要復制快速的個體夠強壯，足以在野外存活下來，那這個新的族群中，復制速的個體必定會占多數。這個道理很簡單，就像中國人在全球總人口中會愈來愈占優勢，除非他們嚴格的生育控制法令能成功限制一個家庭只能生養一或兩個小孩。

因為細胞分裂的速度比DNA復制來得快，所以細菌的最快分裂速度受限于DNA的復制能進行得多快。雖然細菌能靠著每次細胞分裂制造一組以上的基因體，好加快DNA的復制，但同時能制造的DNA套數還是有限。原則上，DNA復制的速度取決于基因體的大小，以及復制所需的可用資源有多少。對于復制來說，適當的能量儲備（也就是ATP）就算稱不上是一切，也是不可或缺的。產能效率較低或是資源不足的細胞，制造的ATP較少，因此復制基因體的速度往往較慢。換句話說，細菌為了繁盛生長，復制基因體的速度必須比競爭對手更快，而為了達成這個目的，基因體必須比別人小，要不然就是產能效率要比別人高。如果有兩種細菌細胞，生成ATP的速度相同，那么其中基因體較小者，復制速度就會最快，并終將逐漸主宰整個族群。

如果額外的基因能提升細菌生成ATP的效率，幫助它們在資源貧瘠時超越競爭對手，那么細菌細胞也可以容忍它們的基因體變大。寇許坦尼狄斯和提亞杰曾在密西根州立大學進行過一個有趣的研究，他們檢視了全部的一百一十五個完成定序的細菌基因體。他們發現，擁有最大基因體的細菌（擁有約九百萬到一千萬個字母，內含九千個基因）占據了那些資源含量稀少，但種類廣泛的環境，特別是土壤；在這類的環境里，生長速度緩慢幾乎不會造成損失。許多土壤細菌一年大約只能勉強繁衍三代，因此速度所承受的篩選壓力比任何其他復制條件都來得小。在這樣的狀態下，善用稀少資源的能力便非常重要，而為了增加代謝的靈活性，就要有更多基因編寫所需的一切。所以，多功能如果能在繁殖速度方面帶來明顯的優勢，它便是筆好投資。像放線菌這類常見于土壤的細菌，之所以會擁有代謝上的多功能性，以及與之匹配的巨大基因體，并不是偶然。

因此，只要是在生長緩慢，而且多功能性備受重視的時候，細菌就可以容忍比較大的基因體。即便如此，在所有的全方位細菌中，天擇仍會讓基因體較小的種類脫穎而出，這似乎替細菌基因體的大小設定了一個最高限額，大約是一千萬個字母。這是細菌所擁有的最大基因體，而大部分細菌擁有的基因數量遠不及它。細菌的基因體小，是因為大基因體需要更多時間和能量才能進行復制，在篩選時會被剔除，這個說法大體而言應該是公正的。即使是最多才多藝的細菌，它的基因體都比生活在同個環境的真核細胞來得小。即使最多功能的細菌都受篩選壓力所箝制，而真核細胞如何能從其中逃脫，便是這一章的主題。

基因流失的演化軌跡

為了維持基因體的小尺寸，細菌可能是消極地維持不變，手牌上永遠是一樣的基因，就像是膽小的賭徒；也可能是比較有機動性，持續地失掉基因然后又贏得新的，打掉手上的牌再抽其他的。說出來可能會讓人吃驚（至少對于把演化想像成穩定邁向更高精細度，同時也是更多基因的人是如此），其實細菌拿基因做賭注時一點也不手軟。它們輸贏的機會一樣多：基因的流失對細菌來說再平常不過了。

有個非常極端的例子可以用來說明基因流失，就是普氏立克次體，它會引起斑疹傷寒，這種恐怖的傳染病會在老鼠虱子橫行的環境下，襲擊過度密集的人群。歷史上，斑疹傷寒的疫情曾將軍隊整支整支地消滅，其中包括拿破侖在俄國的大軍，一八一二年時，軍隊的殘黨帶著斑疹傷寒，隨著許多來自波蘭和立陶宛的難民逃離了俄國。普氏立克次體這個名稱取自二十世紀初的兩名研究先驅，他們分別是美國人立克次以及來自捷克的普羅瓦茨。立克次、普羅瓦茨，以及法屬突尼西亞的尼柯爾，這三人發現了這種疾病是透過人類體虱的糞便傳播。遺憾的是，等到一九三〇年，該疾病終于發展出疫苗的時候，三名先驅中的立克次和普羅瓦茨都已死于斑疹傷寒。唯一存活下來的尼柯爾在一九二八年因其貢獻而獲頒諾貝爾獎。尼柯爾的發現在第一和第二次世界大戰發揮了成效，當時的衛生措施如刮臉、沐浴和燒掉舊衣，都有助于抑止疾病的傳播。

立克次體是種微小的細菌，幾乎就和病毒一樣小，它們寄生在其他的細胞體內。它們對這種生活方式適應得極為良好，以至于無法再生存于宿主細胞之外。瑞典烏普薩拉大學的安德笙和她的同事首先定序了它的基因體，定序的結果發表在一九九八年的《自然》期刊上，引起了熱烈的討論。立克次體的基因體極為精簡，因為它居住在其他細胞之中，生活方式就像我們的線粒體一樣——而且它所保留的基因和線粒體的序列相似性也很高，這促使安德笙及她的同事宣稱，立克次體是現存和線粒體最接近的近緣物種（不過我們在第一章就已經知道，其他人并不同意這個論點）。

此處我們關心的是立克次體丟失基因的癖性。在演化的過程中，立克次體已經丟掉了大部分的基因，現在只剩下八百三十四個會表現蛋白質的基因。雖然這個數字比大部分物種的線粒體還要多上數十倍，但若拿立克次體和親源關系最近的野外物種相比，它的基因數目幾乎不及后者的四分之一。它之所以能這樣拋棄自己的基因，單純就是因為不需要：生活在其他細胞內，只要能夠存活下來，剩下的就是飯來張口。這些寄生蟲住在闊氣大廚的廚房里，幾乎不需自行謀生。然而它們沒有變胖，反而減輕了體重，因為它們丟棄了多余的基因。

在此且讓我們暫停一下，想想造成基因流失的壓力。基因損壞是隨機的，可能在任何時間發生在任何基因上；但基因流失不是隨機的。任何細胞或生物體若是失去了重要的基因（或是受損導致其功能喪失）便會死亡——它再也無法在野外生存，因此會被天擇所淘汰。相反的，如果某個基因并不重要，那么按照定義，就算它消失或是損壞也不會造成災難。以我們自身來說，我們的靈長類祖先在數百萬年前丟失了制造維生素C的基因，但它們并沒有滅亡，因為它們的飲食中包括大量的水果，能為它們提供豐富的維生素C。它們存活了下來，并且興旺了起來。我們會知道這個故事，是因為這些基因大部分都還留在我們的「垃圾」DNA里，它們就像船底有洞的船只殘骸一樣，深具說服力。這些殘存的序列和其他物種中有功能的基因，彼此是密切呼應的。

在生化層級上，立克次體就是我們靈長類祖先的寫照。許多用來制造細胞內重要化學物質（例如胺基酸和核酸）的基因，它都不需要，就像我們不需要制造維生素C的基因。立克次體只要從宿主細胞把這些化學物質輸入體內就好了。如果用來制造這些物質的基因剛好壞掉了，那又怎樣？失去它們也無所謂，不痛不癢。立克次體具有一個在細菌間很不尋常的特征：它的基因體有四分之一是由「垃圾」DNA所構成。這些「垃圾」是新近沉沒的基因所遺留下來的可辨認遺跡。這些被擊沉的基因雖然壞掉了，但關于它們的記憶還未被消除，它們的殘骸還留在基因體里，漸漸腐朽。假以時日，這樣的垃圾DNA幾乎肯定會完全消失，因為它們會拖慢立克次體復制的速度。當有突變把多余的DNA刪除掉，這樣的突變就會被篩選出來，因為這會加快復制的速度。因此損壞是第一步，接著基因完全消失。透過這種方式，立克次體已經失去了基因體中五分之四的內容物，而這個過程今天仍在持續進行著。正如安德笙所說：「基因體定序只是演化過程中某個特定時間及空間的快照。」而此處，這張快照拍攝的就是一只在丟棄非必要基因的寄生細菌，它退化過程中的一個瞬間。

細菌基因的收支平衡

當然，絕大多數的細菌都不是細胞內的寄生菌，而是生活在外頭的世界。它們需要的基因比立克次體更多。盡管如此，他們仍面對著類似的篩選壓力，迫使它們丟棄多余的基因，只是它們沒辦法丟得那么豪邁罷了。自由生活的細菌丟失基因的傾向可以在實驗室中檢驗出來。一九九八年，匈牙利的學者賴維、塔卡珂絲和威達，報告了他們在布達佩斯的羅蘭大學所進行的一些單純（或許技術并不單純，不過概念上是），但有啟發作用的實驗。他們設計了三個細菌「基因環」，也就是質體（我們在第一章看過的基因「零錢」）。每個質體都包含一個基因，能使細菌耐抗生素，它們之間唯一的差別在于尺寸——每個質體含有數量不同的非編碼DNA。他們將這些質體加進大腸桿菌的培養菌液內。細菌吸收了質體，也就是被轉染了，而當細菌有需要的時候便可以召喚這些基因。

在第一組實驗中，這些匈牙利研究員將三種轉染菌養在有抗生素的培養基中。細菌只要失去了質體，就會失去對抗生素的耐受性，并被抗生素殺死。在這樣的篩選壓力之下，含有最大質體的菌落長得最慢，因為它們必須花更多的時間精力復制DNA。在短短十二個小時的培養后，擁有最小質體的細胞，數量已經增殖為它笨重表哥的十倍。在第二組實驗，則以不含抗生素的條件培養細菌。這時三種培養菌不論質體大小為何，生長的速度都很接近。怎么會這樣呢？他們再次檢查培養菌液確定質體是否存在，結果發現那些多余的質體全被丟掉了。三種培養菌能以相似的速率生長，是因為它們都拋棄了那些賦予它們抗生素耐受性的基因，當細菌被培養在不含抗生素的環境時，這些基因便無關緊要了。這些細菌只顧趕著加快復制的速度，于是丟掉了不需要的基因——標準的「不用則廢」！

這項研究顯示，細菌可在數小時或數天內丟掉冗余的基因。如此快速的基因流失，代表細菌只要能兼顧當下的生存，它們傾向于只在體內保留最少的基因。天擇就像一只把頭埋進沙子里的鴕鳥，不管長遠看來這個行為有多么愚蠢，只要它能提供一時的喘息空間就好了。以這個實驗為例，如果負責抗生素耐受性的基因不被需要，它便會從族群中大部分細胞的身上消失，即使未來可能還會有需要它的一天，也是如此。細菌丟失了抗生素耐受性的相關基因，同樣也會在某些特定時刻丟掉當下不被需要的基因。位于移動式的染色體（例如質體）上的基因比較易于被丟棄，不過細菌也有辦法丟掉主染色體上的基因，只是速度比較慢。不常被使用的基因，往往會因為隨機突變加上針對復制速度的篩選，就這么流失掉。相對于真核生物，細菌主染色體上的「垃圾」DNA量很低，基因數目很少，從這些地方都可以看出這類機制在它們身上的運作效率。細菌小而精簡，是因為它們一有機會就扔掉多余的行李。

不過，扔掉基因這回事其實沒有聽起來那么魯莽，因為細菌能夠再次撿回同樣的基因，也可撿回其他的基因。水平基因轉移，指的是細菌從環境（如死細胞），或是透過細菌接合作用（某種形式的交配），從其他細菌身上獲得DNA。這種機制的存在表示細菌能夠，并且也會籌集新的基因。主動取得基因可以抵銷基因的流失。在變動的環境中，全部的冗贅基因都在條件再次改變（比方季節轉換）之前從所有細菌的身上消失，是不太可能的，畢竟基因的流失是項隨機的作業。族群中至少會有一部分的細菌可能保有完好的「冗贅」基因，當環境條件再度改變，它們可以透過水平基因轉移，將這些基因傳送給整個族群。它們對基因的慷慨態度，說明了為何抗生素耐受性能火速地在整個細菌族群中傳播開來。

雖然學者早在七〇年代就明白了水平基因轉移的重要性，但直到最近我們才開始重視它對演化樹可能造成的干擾。在某些細菌物種中，我們觀察到的變異有百分之九十以上都來自水平基因轉移，而不是如傳統認知那般，從細胞株或是菌落的細胞，經過篩選淘汰而留下來的。基因能在不同種、不同屬，甚至不同域之間轉移，這代表細菌不會像我們交棒給我們的子女那樣，透過垂直遺傳把一貫的核心基因交棒下去。因此談論細菌時，要為「種」這個字下定義變得很讓人為難。在討論植物和動物時，種的定義是其族群中的個體能交配產生有繁殖力的后代。這種定義不適用于細菌，因為細菌是行無性分裂，復制出理當完全一樣的細胞。理論上，這些復制體會因為突變而漸行漸遠，在基因和形態方面造成足以被稱為「種化」的差異。但水平基因轉移常會混淆這結果。基因的轉變可以這么快，這么全面，以至于所有來自祖先的痕跡都會被雜訊洗掉。傳給子細胞的基因頂多只能傳個幾代，就會被來自不同祖先，其他細胞的等效基因取代。目前的紀錄保持者是淋病雙球菌，它重組基因的速度如此之快，要檢測它們來自哪一個菌株是完全不可能的事；即使是據稱能代表細菌真正譜系（血統）的核糖體RNA基因，也常常被調換，無法代表其祖先的身份。

時間一長，這樣的基因轉移會造成很大的不同。舉例來說，基因轉移已經制造出品系不同的兩「種」大腸桿菌，兩者基因組成的差異如此徹底（占它們基因體的三分之一，含有將近兩千個不同的基因），就算把所有哺乳類放在一起比較，或甚至所有的脊椎動物，都沒有這么夸張。在垂直遺傳（遺傳給子代，但經過少許修改）的情況中，基因只會在細胞分裂期間配送給子細胞，而垂直遺傳的重要性在細菌之間常常是令人猶豫的。譬若我們想借著檢視家族里的傳家寶追尋自己的出身，卻發現我們的老祖宗都是無可救藥的竊盜癖患者，永遠在偷摸別人的家當。而正因「生命演化樹」完全是依據垂直遺傳開枝散葉（而這是個錯誤的假設，以為傳家寶只會從父母傳到子女手上），它的真實性便令人質疑。至少以細菌來說，互聯網會是比較好的比喻。正如一名絕望的專家所說：「只有上帝能夠造出一棵樹」，這充分反映了建構生命演化樹的困難。

所以細菌為什么對它們的基因如此大方？為了整體族群而分享出遺傳資源，聽起來像是件無私之舉，但其實不；這仍是某種形式的自私，梅納德史密斯稱之為一種「穩定的演化策略」。比較一下水平轉移和傳統的「垂直」遺傳。對后者而言，如果一個族群的細菌面臨了抗生素的威脅，而只有少數細胞身上留著救命的基因，那族群中其他沒有防備的個體就會死亡，只剩下飽受摧殘的幸存者繼續繁衍，補滿整個族群。如果接下來環境條件又改變了，而且這次是有利于別種基因，一度存活下來的族群仍會慘遭屠殺。在瞬息萬變的環境中，只有十八般武藝樣樣精通的細胞能撐過大部分的緊急狀況，而這樣的細胞又大又笨重，在平和的過渡時期競爭不過快速繁殖的細菌。這些精簡的細菌當然也會受各種緊急狀況所威脅——但如果它們能從環境里撿基因來用就不會；這樣一來它們就可以結合快速的復制能力以及基因的靈活性，幾乎沒有應付不了的事。以這種方式拋棄又獲得基因的細菌，會取代笨重的基因大巨人，或是完全不撿新基因的細菌，并且蓬勃地生長。透過接合作用獲取新基因，想必會比從死細菌身上撿些可能受損的基因要來得有效率，因此，分享基因這項看似利他，實為利己的行為，便被保留了下來。于是整體而言，我們可以看到細菌身上兩股趨勢間的動態平衡——一股傾向丟棄基因.，視現有狀況將細菌基因體盡可能刪減至最小尺寸；另一股是根據需求，靠著水平基因轉移累積新的基因。

我曾援引立克次體和實驗室里的例子來說明細菌的基因流失，但說到「野生」的細菌，能夠證明基因流失對它們很重要的證據，頂多只有它們基因體輕薄這一點而已（基因數目少而且缺乏垃圾DNA）。不過，水平基因轉移在細菌間的重要性，也有助于證明迫使細菌丟棄多余基因的篩選壓力很強大，而且具有普遍性——否則它們不會淪落到非得事后再把這些基因撿回來。盡管細菌會獲得新的基因，但基因體的編制不會擴大，所以它們想必會以同樣的速率丟棄基因。而它們之所以用這樣的速度丟棄基因，是因為種內細胞之間（以及種外細胞之間）的競爭會不斷地削減基因體，在現有條件下使其尺寸縮減至最小。

所有已知細菌的基因體尺寸上限大約是九百萬到一千萬個字母，編寫約九千個基因。任何細菌獲得的基因只要超過這個數目，想必都會傾向于再度失去它們，因為復制額外的基因會拖慢復制的速度，它們又無法提供與之相稱的好處。在這一點上，細菌和真核生物便完全相反。愈是了解細菌，便愈難將它們一概而論。這幾年來，我們發現有些細菌具有線性的染色體，有些有細胞核，有些有細胞骨架，還有些有內膜系統，這些特征都曾被認為是專屬于真核生物的。那些所謂的決定性差異，在經過更詳細的檢驗后幾乎都被推翻了。極少數屹立不搖的差異之一就是基因的數目。為什么沒有細菌擁有超過一千萬個DNA字母，而（如我們第一章所說）無恒變形菌這種單細胞的真核生物卻能夠累積六千七百億個字母——多達最大細菌的六萬七千倍，人類的兩百倍？真核生物如何能從約束著細菌的繁衍枷鎖逃脫出來？我認為維賴與威達在一九九九年提出的解答直擊問題核心，而且單純到讓人無從懷疑。他們說，細菌之所以在實體大小、基因組成和復雜度方面受到限制，是因為細菌被迫利用細胞的外膜進行呼吸。我們且看這會構成什么問題。

幾何絆腳石

回想一下第二部中，呼吸作用的運行方式。氧化還原反應造就了膜內外的質子梯度，用來催動ATP合成。完好的膜對能量生產是必要的。真核細胞利用細胞內部的線粒體膜生產ATP，而沒有胞器的細菌，則必須利用表層的細胞膜。

細菌受到的限制是個幾何問題。為了單純起見，請把細菌想像成一個正立方體，然后把它的邊長變成兩倍。一個立方體有六個面，所以，如果我們的立方體細菌每邊長千分之一毫米（一微米），邊長加倍表面積就會變成四倍，從六平方微米（1×1×6）變成二十四平方微米（2×2×6）。而正立方體的體積是長乘以寬乘以高，因而提升了八倍，從一立方微米（1×1×1）變成八立方微米（2×2×2）。當正立方體每邊長一微米，其表面積對體積比為六比一，比值為六；邊長為二微米時，表面積對體積比為二十四比八，比值為三。現在這個立方體細菌的表面積對體積比值只剩下一半。當邊長再度倍增，同樣的情形會再次發生。現在表面積對體積的比值變成九十六比六十四，只剩一點五。細菌的呼吸效率取決于表面積（可用來產能的細胞外膜）對體積（消耗能量的細胞質量）的比值，這表示每當細菌變大，它的呼吸效率便會急遽下滑（或說得專業一點，和質量的三分之二次方成正比，在第四節我們會再詳談）。

呼吸效率下滑和一個相關的營養吸收問題密不可分：相對于體積，表面積的比例下降，代表相對于需求，食物吸收的速度受到了限制。改變細胞形狀（例如桿狀體的表面積對體積比就比球體大），或是把細胞膜折疊成許多薄片或是絨毛（就像我們的腸壁，它也需要盡其所能地吸收）某種程度上可以緩解這個問題。然而可以想見，復雜形狀的發展到達某個極限就會被淘汰，因為這樣的細菌太易碎，也太難復制了。有空間障礙的人都知道，在捏黏土模型時，（不完美的）球體是最堅固又最好復制的形狀。而吾道不孤——大部分的細菌都是球形（球菌）或是桿狀的（桿菌）。

談到能量，細菌的每個維度變成「正常」的兩倍時，每單位體積制造的ATP會變成原本的一半，但卻必須挪用更多的能量，去制作那些充塞細胞新增體積的細胞內容物，如蛋白質、脂質和糖類。小尺寸的變種基因體較小，幾乎是毫無例外地受到天擇青睞。因此，尺寸可和真核生物相提并論的細菌屈指可數，并不是件讓人意外的事情，而少數的幾個例外，也只是更加證實了這條規則。舉例來說，一種九〇年代晚期發現的巨型嗜硫細菌——納米比亞嗜硫珠菌（即「納米比亞的硫磺珍珠」），它在尺寸方面和真核生物相當，直徑大約在一百到三百微米之間。雖然這項發現確實引起了相當的騷動，但事實上，它幾乎全由一個大型囊泡所構成。這個囊泡里堆積著它們呼吸作用所需的素材（這些素材會被納米比亞海岸外的涌流不斷地沖來又洗去）。它們巨大的尺寸只是假象，它們的本體其實僅有包覆在球形囊泡表面那薄薄的一層，就像灌飽的水球的外面那層橡皮。

幾何問題不是細菌唯一的絆腳石。我們再來想想質子泵吧。細菌為了產能，必須泵送質子穿過表面的細胞膜，送到細胞外的空間。這個空間被稱為細胞周質，它的外側邊界是由細胞壁界定的。細胞壁應該有助于留住質子，使它們不至于完全消散。米歇爾本人曾觀察到，細菌在呼吸作用旺盛時會使培養基酸化，可以想見要是細胞壁消失了，就會有更多質子逸散出來。這樣的考量或許有助于解釋失去細胞壁的細菌為什么會變得脆弱——它們不只是失去了結構上的支持，同時它們的細胞周質也失去了外側的邊界（當然內側邊界，也就是細胞膜本身還保留著）。失去外側邊界，質子梯度更容易消散（至少就一定程度而言會如此），雖然有些質子似乎會被靜電作用力給「拴」在膜上。只要質子梯度發生逸散，就有可能會干擾化學滲透的能量生成，產能變得沒有效率。當能量生成逐步停止，其他方面的所有細胞常務也會被迫停止。脆弱不脆弱的問題根本就還在考慮之外；光是裸露的細胞居然還能存活，就已經夠讓人驚訝了。

失去細胞壁要如何存活？

許多種類的細菌確實會在生活史的某些階段失去細胞壁，但僅有兩群原核生物成功地永久擺脫細胞壁，并且還能存活下來訴說它們的故事。是什么樣的環境讓它們做到這一點？這實在是一個有趣的問題。

霉漿菌是其中的一群，它們大部分是寄生菌，許多成員都生活在其他細胞體內。霉漿菌細胞極小，基因體也小。于一九八一年被發現的生殖道霉漿菌，其基因體是所有已知的細菌細胞中最小的一個，只編寫了不到五百個基因。盡管簡單，但說到最常見的性病它也是榜上有名，它會引起類似披衣菌感染的癥狀。它是這么地小（直徑小于三分之一微米，比大部分細菌小上數十倍），一般必須要用電子顯微鏡才能看得見；而且它很難培養，因此一直等到九〇年代初期，基因定序技術有了重大的進步，眾人才意識到它的重要性。霉漿菌就像立克次體，幾乎失去了所有用來制造核酸、胺基酸等等物質的基因。然而跟立克次體不同的是，霉漿菌也丟棄了所有用來行有氧呼吸，或是任何形式的膜呼吸所需的基因。它們沒有細胞色素，因而必須仰賴發酵作用取得能量。如同我們在上一章所看到的，發酵作用沒有涉及泵送質子穿過膜的行為，這或許能解釋為何霉漿菌沒有細胞壁卻仍能存活。但每分子的葡萄糖透過發酵作用產生的ATP，只有有氧呼吸的十九分之一，這有助于解釋霉漿菌退化的特性——尺寸小，基因體組成稀少。它們活得像個隱士，幾乎什么都沒有。

第二群沒有細胞壁仍能旺盛生長的原核生物是熱原體屬，它們是嗜極端性的古細菌，生活在攝氏六十度的溫泉里，對它們來說最好的酸堿度是pH值等于二。它們在英國的炸魚薯條店應該會住得很開心，因為它們熱愛的生活環境等同于一盆熱騰騰的醋。瑪格利斯曾主張，熱原體屬可能是真核生物的遠古祖先，立論根據是因為它們沒有細胞壁卻能在「野外」生存；不過，正如我們在第一部所見，更強而有力的證據支持甲烷菌才是傳說中的原始宿主。二〇〇〇年時，嗜酸熱原體完整的基因體定序結果被發表在《自然》期刊上，而沒有證據顯示它和真核生物關系密切。

熱原體如何能在沒有細胞壁的狀況存活下來？很簡單，它們生活的酸性環境完美扮演了細胞周質的角色，所以它們根本不需自備細胞周質。一般而言，細菌會泵送質子穿過細胞膜，送到位于細胞之外，細胞壁內的細胞周質中。因此細胞周質這小小的空間是酸性的，而它的酸性狀態對化學滲透很重要。換句話說，細菌通常是浸泡在他們隨身攜帶的酸水浴中的。相形之下，熱原體原本就居住在酸水浴池，其功能就像是一個巨大的，公共澡堂式的細胞周質，因此它們大可放棄個人用的攜帶式酸水浴。只要細胞內能維持中性，它們便能利用膜內外天然的化學滲透梯度。那么它們要怎么維持內部的中性條件呢？答案依舊很簡單：它們就像其他細菌一樣，借由細胞的呼吸作用，將質子主動運輸到細胞之外。換言之，就像大部分的原核生物一樣，從食物中釋放出的能量被用來對抗濃度梯度，泵送質子到細胞之外；而進入細胞內的質子回流則被用來催動ATP酶，驅使ATP合成。

就原理來看，缺乏細胞壁對于熱原體的能量效率或基因體大小不會有什么影響，然而實際上這些細胞卻略有退化。雖然它們的直徑可長達五微米，但它們的基因體只有一到兩百萬個字母，編寫一千五百個基因，躋身最小細菌基因體之列；實際上，它的基因體是非寄生生物中已知最小的。或許，持續將高濃度質子摒于門外所需的額外努力，耗盡了熱原體原本能用來復制基因體的能量預算。

內線交易穩賺不賠

線粒體的優勢就是它們位于宿主細胞的體內。請回想一下，線粒體有兩層膜，一層外膜，一層內膜，它們分別圍出了兩個不同的空間：線粒體基質以及膜間隙。呼吸鏈的復合體和ATP酶都鑲在線粒體內膜上，它們將質子從最內側的基質泵送到膜間隙。如此一來，化學滲透所需的酸性環境便被包藏在線粒體內部，而不會影響細胞其他方面的功能。（嚴格說來它并不真的是酸性的，因為質子會受到緩沖，但這并不會影響此一論點的可信度。）

將生產能量的工作內化于細胞之內，代表細胞不再需要外部的細胞壁了。細胞壁的消失解放了細胞表面的細胞膜，使其能夠特化進行一些其他的任務，如訊息傳導、運動，以及吞噬作用。最重要的是，產能工作的內化，將真核生物從限制細菌的幾何問題中解放了出來。真核生物的體積平均是細菌的一萬到十萬倍，不過它們的呼吸效率并沒有隨著體積的增加而像細菌那樣下滑。要增加能量效率，真核生物只需要增加細胞內線粒體膜的表面積；要達成這個目標只要多擁有一些線粒體就夠了。因此產能任務的內化不只使細胞壁的消失化為可能，也使得細胞能夠增大它們的體積。在化石紀錄中，真核生物的尺寸一目了然地將它們和細菌區別開來，而以地質學的角度來看，這樣的大尺寸（以及產能系統的內化）出現得相當突然。二十億年前左右，大型真核細胞突然就出現在化石紀錄中；以這個現象來論定線粒體的起源年代應該頗為準確，雖說從化石上無法看出線粒體本身是否存在。

因此，細菌的尺寸承受著強大的篩選壓力，而真核生物則否。當真核細胞長得更大，它們只要在體內養更多的線粒體（就像圈養更多的豬只一樣）就能維持能量收支平衡。只要能找到足夠的食物進行氧化（足以喂飽這些豬只），它們就不會受到幾何性質的限制。尺寸大會使細菌處于不利的地位，但卻會為真核生物帶來好處。舉例來說，大尺寸有助于改變行為或生活型態。一個大型的、能量充沛的細胞不需要把所有的時間花在復制DNA，而是可以把時間和精力用來發展一座生產蛋白質武器的兵工廠。它可以像真菌細胞一樣，向周圍的細胞噴灑致命的酶，分解它們，然后吸收它們的汁液。或者它也可以成為掠食者，把較小的細胞整團吞下并在體內消化它們，以此為生。不管是哪一種生活方式，都不需要快速復制DNA以求領先競爭者——只要把競爭者吃掉就好了。原始真核生物這種掠食性的生活型態，是大型尺寸下的產物，細胞要能克服能量的障壁，變得更大，才會有這樣的生活方式。以人類社會做比喻的話，就像是農業實現了大型的社群：有更多的人力，才有可能在滿足糧食生產的需求之外，還剩下足夠的人組成軍隊，或是研發致命的武器。狩獵采集的謀生方式無法養活如此大量的人口，在競爭中注定會輸給人口眾多又分工精良的對手。

有趣的是，掠食和寄生的細胞往往會朝相反的方向發展。根據經驗法則，退化是寄生生物的特征，在這方面，寄生型真核生物也不例外。「寄生」這個字眼本身就傳達某種可鄙的味道。相反地，「掠食」這個字眼則讓人脊骨發涼。掠食行為往往會挑起演化上的軍武競賽，掠食者和獵物爭先長得愈來愈大：這就是紅皇后效應，為此雙方都必須不停歇地奔跑，才能（相對于彼此）維持地位不變。我不知道有哪個細菌擁有真核生物一般的掠食型態，會將獵物整只吞進肚內。或許我們不該感到意外。掠食的生活型態在捉到并吃下任何東西之前，就需要投資可觀的能量。特別是行吞噬作用吞入食物的步驟，從細胞的層級來看，這需要動態的細胞骨架以及猛然改變形狀的能力，而兩者都會消耗大量的ATP。因此，吞噬作用需要有三個因素才能達成：改變形狀的能力（細胞壁必須消失，然后要有更具機動性的細胞骨架）；足以將獵物吞入的大尺寸；還有供應充足的能量。

細菌可能會失去細胞壁，但從未發展出吞噬作用。之前我們見過的維賴和威達主張，吞噬作用的另外兩個條件——體型大和充足的ATP——阻礙了細菌，使它們無法成為像真核生物一樣有效率的掠食者。利用外側的膜呼吸意味著細菌只要體型變大，生產的能量（相對于尺寸）絕對就會減少。等到它們的體型大到能吞食其他細菌，它們更不可能會擁有足以完成這項工作的能量。更糟的是，如果細胞膜是專門用來生產能量的，那么吞噬作用就是有害的，因為吞噬作用會使質子梯度瓦解。如果細菌不呼吸，改靠發酵作用，就能避開這個問題了，因為發酵作用并不需要膜。然而發酵作用生成的能量遠低于呼吸作用，這可能會使細胞的吞噬能力受限而無法借此謀生。維賴及威達注意到，真核細胞中，只有寄生生物能搭配發酵作用和吞噬作用謀生，或許是因為它們可以在其他方面省下能量（例如不用自己合成核酸和胺基酸；它們分別是DNA和蛋白質的原料）。犧牲某些方面的能量開銷后，它們或許就能負擔吞噬作用所需的能量。不過我不曾看到任何研究就這個假說進行有系統的調查，而且很可惜的，維賴已經轉換研究領域了。

這些想法相當有趣，而且或許多少能解釋細菌和真核生物為什么會走上不同的道路，然而它們在我腦海深處留下了一個疑問：為何細菌毫無例外地會因為變大而受到懲罰？細菌是如此善于創造，然而它們之中竟然沒有誰曾克服過同時提升體型并且提升能量狀態的挑戰，實在是件不尋常的事情。這個問題聽起來不難解決，它們只消長出一些內膜來生產能量就好了。如果說產能工作的內化幫助真核生物在尺寸和行為特性方面跨出了一大步，那是什么因素妨礙了細菌擁有自己的內膜？有些細菌（如亞硝化單胞菌和亞硝化球菌）確實擁有相當復雜的內膜系統用來生成能量。它們長得一副「真核細胞臉」。它們的細胞膜大范圍地向內折疊，形成了很大的細胞周質空間。從這里走到徹底分出隔間的真核細胞，似乎只需要小小的一步；那這一步為何就是從不發生？

一種亞硝化單胞菌內部的生物能膜，這讓它看起來有點像真核生物。

在下一章，我們將著手處理第一章結尾時被我們置于一旁的故事，看看那不具核的第一個嵌合真核生物，接下來會怎么變化。我們在第二章探索過能量生成的法則，那將引導我們去了解，兩個細胞間的共生為什么成功，為什么細菌不可能光靠天擇的力量，在細胞內分隔出像真核生物一樣的隔間。我們將看見，在細菌主宰的世界里，為何只有真核生物能成為巨大的掠食者，永久地逆轉了原有的細菌世界。

2024-07-06 16:36:31