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在威爾斯（G. Orson Welles）的黑色電影《第三人》里面，有一句著名的臺詞：「在意大利，波吉亞家族（Borgias）三十年的統治下，他們充滿戰爭、恐懼、謀殺，跟各種流血事件；但是也誕生了米開朗基羅、有達文西，還有文藝復興。在瑞士，他們有手足之愛、有五百年的民主與和平，但是他們有什么？就咕咕鐘而已。」有人說，這句臺詞是威爾斯自己親手寫的。傳說瑞士政府為此，寄了一封憤怒的抗議信，信上說：「我們不生產咕咕鐘。」我對瑞士，或是對威爾斯，都沒有什么成見。講這個故事只是因為，對我來說它十足地反映了演化。自從第一個復雜的真核細胞，在約莫十五到二十億年前誕生后，生命界域中也有了戰爭、恐懼、謀殺，跟各式各樣的流血事件：大自然是沾滿鮮血的獠牙跟利爪。而在此之前的亙古年代，我們有二十億年和平時光、有共生、有細菌之愛（可不只是單純的愛而已），但是這些無窮無盡的原核生物，又為我們帶來了什么？絕對沒有什么像咕咕鐘這種看起來又大又復雜的東西。從形態上面來看，不論細菌還是古菌，都難以跟真核生物相比，連單細胞的真核生物，都勝過任何原核細胞。

這一點非常值得強調。原核生物的兩大域，不論是細菌域或是古菌域的生物，都有著令人嘆為觀止的遺傳機制或是生化反應。它們的代謝反應，讓真核生物難以望其項背：一只簡單細菌體內代謝反應的靈活性，就勝過整個真核生物域的所有生物了。但是基于某種未知的原因，不論是細菌還是古菌，在結構上，都沒有完全地達到如真核細胞一般的復雜程度。從體積來看，原核生物一般都比真核生物小了約一萬五千倍（除了某些例外以外，我們等一下會談到）。至于基因的大小，兩者，容或有些重疊。目前已知基因尺寸最大的細菌的DNA，有大約一千兩百萬對堿基。如果跟人類比的話，我們有大概有三十億對堿基；不過有些真核生物的基因尺寸，甚至可以大到超過一千億對堿基。比較令人訝異的事情是，經過四十億年的演化，細菌跟古菌幾乎沒有什么改變。在這四十億年的時光中，細菌生存的環境，已經發生了各式各樣的巨變。大氣與海洋中氧氣濃度的上升，改變了生存條件，細菌與古菌不為所動。全球化的冰河現象（雪球地球事件），必定曾經把整個生態系統推往崩潰的邊緣，但是細菌跟古菌仍然不為所動。寒武紀大爆發，為世界帶來了動物；對細菌來說，這就像是出現了新的牧場一般，亟待開發。從人類的眼光來看，我們總愛把細菌看成病原菌，但其實會致病的微生物，僅僅只是眾多原核生物的冰山一角而已。盡管如此，細菌仍然頑固地維持著細菌的外表。它們從來沒有變成像跳蚤這樣又大又復雜的東西。大概沒有什么東西比細菌還要保守的吧？

在第一章中，關于這個現象，我說過最好的解釋，就是結構上的限制。真核生物在物理結構上，確實跟細菌與古菌有一些非常基本的差異。真核生物克服了這些限制，因此可以在型態上大變特變。廣義的來講，大概就是原核生物開始往代謝機制上面探索，然后它們發現了各種聰明絕頂的解決辦法，來面對各式各樣艱困的化學反應挑戰。相對的，真核生物則完全往另一個方向發展，它們棄化學多樣性于不顧，轉而往大尺寸與結構復雜度的各種可能性上面發展。

認為細菌受到結構的限制，其實不是什么新點子。但是關于這些限制到底是什么？學界卻沒有共識。過去有許多假設，從「發生失去細胞壁的慘劇」到「發明了線狀染色體」都曾被提出過。失去細胞壁當然是慘劇：一旦少了外面那層堅硬的框架，細胞很容易就會漲大爆裂。但是呢，穿上一層拘束服，卻也讓細胞無法隨意改變形狀，無法匍匐前進，無法用吞噬作用吃掉其他細胞。英國牛津大學的生物學家卡瓦里爾史密斯，一直都主張，演化出真核生物的關鍵新發現，就是某個細菌，曾經成功地拋棄了細胞壁，結果演化出吞噬作用。雖說要演化出吞噬作用，一定要拋棄細胞壁沒錯，但是有許多細菌丟掉了它們的細胞壁，卻什么事也沒發生。比如像L型細菌（L-form bacteria）就沒有細胞壁，卻也活得自由自在，而且完全沒有想要變成吞噬細胞的樣子。此外還有一些古菌也沒有細胞壁，也沒有變成吞噬細胞。認為笨重的細胞壁就是那個限制，讓古菌跟細菌無法演化成更復雜的樣子，這樣的說法其實站不住腳。只要看看四周就知道，有太多反例。已經有許多細菌跟古菌，都沒有細胞壁，但是也沒有因此變得更復雜；還有很多真核生物都有細胞壁，特別是像植物跟真菌細胞（當然它們的細胞壁跟原核細胞的不同），而它們的復雜程度，還是遠遠超越了任何原核生物。有個很好的例子就是真核的藻類跟原核的藍綠菌：兩者都有類似的生存模式，也就是靠行光合作用維生；兩者也都有細胞壁；但是一般來說，藻類基因體的尺寸，比細菌大了好幾個數量級，同時被又大又復雜的細胞結構圍繞著。

線狀染色體也有類似的問題。原核細胞的染色體通常是環狀的，DNA復制時，會從一個特定的起點開始（就是復制子，replicon）。但是，DNA復制的過程，常常慢于細胞分裂；而沒有完整復制好DNA，細菌就不能分裂成兩個細胞。這也就是說，如果只有一個復制子的話，細菌染色體的尺寸就受到了限制，因為帶有比較小染色體的細菌，會分裂得比較快。如果細菌丟掉非必要的基因，它們就可以分裂的比較快。經年累月下來，帶有小尺寸染色體的細菌，就會成為流行趨勢，特別是當它們隨時可以透過水平基因轉移，撿回以前丟掉、但是現在想用的基因時，這種趨勢更明顯。相反地，真核生物通常都有好幾條棒狀（線狀）染色體，每個染色體上都有好幾個復制子。因此，在真核生物體內，DNA復制過程常常是好幾處同時進行，而在細菌體內，則必須一條從頭走到尾。但是，這個限制卻無法解釋，那為什么原核細胞，不想辦法演化成好幾條直線染色體？事實上，有些細菌跟古菌確實有線狀染色體，在復制的時候也可以「同時進行」，但是盡管如此，它們卻沒有把自己的基因體，擴充到真核生物的大小。一定還有其他的原因阻止了它們。

基本上，任何企圖從結構的限制上面去解釋，「為何細菌無法繼續發展到跟真核生物一樣復雜」時，都會遭遇類似的問題：每一次有人宣稱發現了某個「規則」，就會遇到一堆例外。著名的演化生物學家梅納德史密斯（John Maynard Smith）常說：請容我無禮，但你的解釋根本行不通。

所以怎樣的解釋才行得通呢？我們剛剛也看過了，譜系發生學的研究，常常無法給我們一個簡單的答案。真核生物的共祖，已經是一顆很復雜的細胞了，它已經有棒狀的染色體、有被膜包住的細胞核、有線粒體、有許多專業化的「胞器」，及其他眾多膜狀構造、有機動性的細胞骨架，還有像有性生殖這種特征。基本上，它看起來已經相當的「現代化」了。在細菌族群里，完全找不到任何這種「像真核生物」的特征。這是譜系發生學的「事件視界」（event horizon）（譯注：事件視界是一種天文物理現象，指在黑洞周圍有一圈界線，物體進入這個界線以后，就完全無法從外面觀察到了），也就是說這些真核生物的特征，在追溯到真核生物共祖出現的那個時間點后，它們的演化軌跡就消失了。打個比方來說，這就好像我們想研究今日社會上各種新發明，是如何演變出來的，像是房子、衛生系統、道路、各行各業、農業、法院、軍隊、學校、政府……等族繁不及備載的系統，然后我們一直追溯到古羅馬時代，但是，在這之前，就只剩下原始的狩獵／采集部落社會。我們找不到古希臘、古中國、古埃及、古黎凡特、古波斯，或是任何一個古文明社會；所見之處，只有大量的狩獵／采集部落。這就是癥結所在。想想看，這就好像所有的專家，花了幾十年的時間，大量爬梳世界各地的考古資料，挖掘出最古老的城市或是文明遺跡。原本希望可以在其中找到一些「前羅馬」時代的遺跡，給我們一些暗示，去推測當初羅馬發展的過程。我們找到了幾百個這樣的線索，但是細看之后才發現，這每一個遺跡，其實都出現在羅馬時代之后。所有這些外表看起來極為原始的城市，事實上都是在「黑暗時代」所建造的。我們本想追尋它們的祖先，現在卻又回到古老的羅馬。結果，條條大路都通往羅馬，而羅馬確實是一天就造成的。

這故事聽起來很荒謬，但是這差不多就是現代生物學所面臨的窘境。在細菌跟真核生物之間，確實找不到處于中間型的「文明遺跡」。有一些看起來像是中間型的生物（在第一章中曾經提過的「古原蟲」），曾經一度輝煌，就像拜占庭帝國的空殼，在最后幾百年的時光內，仍在城墻之上閃閃發亮。我們該如何去理解當今的窘境呢？事實上，譜系發生學確實有提供一個線索，而這條線索，必然要避開單一基因的研究方法，只能透過「全基因體」（full genome）比較的現代研究法去揭露。

復雜性的奇想式起源

由單一基因去重建整個演化過程，會遇到一個瓶頸。就算是用一個被高度良好保存、萬物通用的基因，像核糖體RNA這樣的基因，仍無法幸免。那就是根據定義，從單一基因出發，一定會畫出一棵分枝的樹。理論上在同一個有機體身上，一個基因不可能有兩種不同的歷史，也就是說，這個基因不可能是嵌合的。在譜系發生學的美好世界中，根據每一個基因，都應該畫出一棵類似的樹，它們都應該帶有相似的歷史。但是，深遠的演化歷史卻告訴我們，完全不是這么一回事。所以使用傳統的研究方法，最后只會陷在少數具有相似歷史的基因中（最多幾十個吧），然后宣稱只有根據它們，畫出來的才是「真正的親緣關系樹」。如果事實就是如此，那么真核生物將會非常接近古菌，這正是標準的「教科書版」生命樹型。它們唯一的爭論點是，真核生物跟古菌，到底有多像？因為根據不同的基因、不同的研究方法，會得到不同的結果，但是長久以來大家仍一致宣稱，真核生物是古菌的「姐妹」群。在上課堂上的時候，我也喜歡展示這一棵樹。樹枝的長度，代表著遺傳距離。從樹上可以看出，細菌域跟古菌域的生物，跟真核生物一樣，基因都已經有了極大的變異跟分化。但是，從古菌到真核生物之間，有一段長長的空白枝干，這之間發生了什么事呢？這棵樹并沒有給我們任何暗示。

但是如果從整個基因體的角度來看，我們就會看到完全不一樣的模式。真核生物有非常非常多基因，在細菌跟古菌身上都找不到相等物。這些基因，就是所謂的真核生物「識別」基因（“signature” genes）。隨著研究方法愈來愈有威力，愈來愈精準，這樣的基因的比例也隨之減少。用標準的研究法，科學家發現，大約有多達三分之一的真核生物基因，可以在原核生物體內找到相等物。這些基因，必定來自兩者的共祖，我們稱這些基因是「同源的」（homologous）。有趣的地方就在這里：在一個真核生物體內，并非所有的同源基因，都來自同樣的祖先。大約有四分之三的同源基因，看起來是來自細菌；剩下的四分之一，看起來是來自古菌。人類基因并不是唯一有這種情形的特例，酵母菌的情況也差不多，果蠅也是，海膽、蘇鐵也都是。從基因體的角度來看，似乎所有的真核生物，都是嵌合體怪物。

這個現象本身并沒有什么可爭論的。但是它代表的意義，卻備受爭議。舉個例子來說，這些真核生物「識別」基因，跟原核生物的基因，在序列上完全沒有相似性。為什么呢？有人認為，這是因為它們實在太古老了，老到從生命誕生之初就出現了，或許我們可以稱之為「古老的真核假說」（venerable eukaryote hypothesis）。或許這些基因從那時候開始，就從共祖基因分歧開來，而經過了這么久的時間后，任何一絲絲的相似性，都早消失殆盡在時間之霧中。如果情形真是如此，那么真核生物必定在后來，比如說獲得線粒體時，才又取得一堆原核的基因，所以兩者才會有相似的基因。

這個古意盎然的假設，對于那些崇敬真核生物的研究者來說，一直都讓他們感動萬分。其實，在科學研究里面，感情跟個人特質所占的分量，意外的重。有些研究人員，天生就喜歡突如其來的巨變這類想法，有些研究人員則特別強調漸進式的改變。就像一個老笑話所嘲諷的，這是「奴才演化論」對上「笨蛋演化論」。但是其實演化是兩者兼具的。在剛剛真核生物的例子里，這關乎人類中心論的尊嚴：我們都是真核生物，要說我們自己是新來乍到的基因雜種狗，實在有損人類的尊嚴。有些科學家就喜歡主張，真核生物來自生命樹最底層的分支，就我看來，這種堅持，純粹是個人情感使然。我們很難證明這個假設是錯的，但是，如果它是真的，那為什么隔了這么久，真核生物才「一飛沖天」，變成又大又復雜？這至少遲了二十五億年呢！為什么我們在化石中可以看到許多原核生物的痕跡，卻找不到任何真核生物的蛛絲馬跡？而且，既然真核生物在獲得線粒體以前，曾經活得這么成功又這么久，那為何這些早期的真核生物，卻都沒有存活下來？之前我們已經解釋過了，它們不可能因為競爭失敗而滅絕，因為許多古原蟲活得好好的（請見第一章）；這可以證明，即使是型態簡單的真核生物，也可以跟簡單的細菌與復雜的真核生物，并存好幾億年。

另外一個解釋則是，所謂的真核生物識別基因，不過是因為它們演化的速度，比其他基因要快得多，因此在序列上，失去了跟祖先基因的相似性。為什么它們會演化的如此之快呢？這很可能是因為，它們后來所執行的任務，跟原本在原核生物祖先體內不一樣。對我來說，這個解釋合理多了。我們知道真核生物有許多所謂的「基因家族」，同一家族中，有許多自我復制的基因，每個都專門執行著不同的任務。既然真核生物需要去探索一個原核生物不得其門而入（但不知道為何）的復雜世界；那么它們的基因，為了要適應全新的工作而開始演化，結果失去了跟原核細胞基因的相似性，也就不足為奇了。根據這個假設，這些基因其實還是來自細菌或古菌體內某些祖先基因，只是為了要適應新工作，完全拋棄了過往歷史。稍晚一點我會回頭來證明這一點。現在只要先記住，所謂的真核生物「識別」基因，并不否認真核生物本質上是一種嵌合體，也就是說，是原核生物透過某種融合而出現。

那么，關于那些，可以在原核生物體內找到相等物的同源基因呢？為什么它們一部分來自細菌，一部分來自古菌呢？顯然，這現象跟嵌合體起源假設，完全一致。真正的問題在于來源的數量。以所謂「來自細菌」的基因為例好了，根據譜系發生學的先鋒，麥金納尼的研究顯示，真核生物體內的細菌基因，來自許許多多不同群的細菌。若把它們畫在親緣關系樹上，會發現不同的基因，來自不同的細菌分支。因為α變形菌（α-proteobacteria）被公認是線粒體的祖先，因此原本大家以為，這些細菌基因都會來自現代α變形菌。但是事實并非如此。相反地，至少有二十五群不同的現代細菌，都曾經提供基因給真核生物。古菌也貢獻很多，不過比細菌要少一些。比較令人好奇的是，所有細菌跟古菌的基因，一如馬丁的研究顯示，在真核生物的生命樹上，都是一同演化分出一樣的支干。很明顯地，真核生物應該是在演化早期，就獲得它們，所以從那時候開始，這些基因就有了共同的歷史。這現象也排除了在真核生物的演化途中，持續性水平基因轉移的影響。看起來，在真核生物起源之時，發生了一件奇怪的事：第一個真核生物，似乎一下子就從原核生物那里，拿了好幾千個基因，然后就停止跟原核細胞之間的任何基因交流活動。關于這張圖，最簡單的解釋，不是細菌式的水平基因轉移，而是真核細胞式的內共生作用。

說到這個，內共生作用確實可能發生過好幾次，就如序列內共生理論所預測的那樣。但是，若要說曾經有二十五種不同的細菌，以及七到八種不同的古菌，全部都在演化早期參與了僅僅一場爆滿的內共生作用派對，像一次細菌間的愛情狂歡節一樣，然后在其余的真核生物史中，卻又什么事都沒發生，實在讓人難以置信。可是如果不是這樣，那又要如何來解釋這種現象呢？其實有一個很簡單的解釋，就是「水平基因轉移」。我這可不是在自相矛盾。在真核生物誕生之初，可能曾經發生過一次內共生作用，然后在往后的時光里，細菌跟真核生物之間，就不再有什么基因交換了；但是與此同時，在各群細菌之間，卻不斷地有水平基因轉移。為何真核生物的基因，會跟多達二十五群細菌的基因一起演化？有一種可能，那就是真核生物在最早的時候，從某一群細菌中一次取得了大量的基因。而這群細菌，在往后的時光中，開始慢慢分化成二十五群細菌。假設今天我們從這二十五群細菌中，每群都隨機拿走一些基因，然后放入其中一群細菌體內。假設這群細菌，后來會成為線粒體的祖先，然后它們生活在十五億年以前。這群細菌跟今日所有的細菌都不一樣，不過既然水平基因轉移的盛行率如此之高，那會發生什么事呢？這群細菌的其中一些，可能會被其他細菌攫獲，進入內共生作用；剩下的呢，還是自由自在的生活，跟今日的細菌一樣，在十五億年的時光中，透過水平基因轉移，四處散播它們的基因。這樣一來，一部分最原始的祖先基因，就會四散在好幾群現代細菌中。

同樣的現象也發生在宿主細胞身上。假設我們從七到八群可能變成真核生物的古菌身上，拿走一些基因，然后把它們放到某一群十五億年前的古菌中。接著，這群細菌中的某些成員，攫獲了內共生者（最后就變成了線粒體）；而其他的，則繼續過著古菌原本的生活，四處透過水平基因轉移，散布基因。上面描述的情節，只不過是透過反向工程（reverse engineering），不過就是基于一些我們已知的事實，所推論出的假設：水平基因轉移，在細菌跟古菌之間非常常見，在真核生物之間則相對少見。此外，它也假設，一個原核生物（一只古菌，而根據定義，它無法進行吞噬作用），可以透過某種機制，吞掉另一只細菌，來進行內共生作用。晚一點我們再回來談這件事。

這也是所有真核生物起源故事中，最可能而最簡單的一種說法。這是真核生物起源于一個古菌宿主、跟一個細菌內共生者之間的故事。當然，我并不指望你們現在就相信它；我只是說，這個故事，一如許多其他的故事一樣，跟許多真核生物的譜系發生學研究結果，非常吻合。我個人比較傾向這個假說的原因，是因為它符合奧坎簡化論的原則（它是所有解釋里面最簡單的）。同時，在英國新堡的演化生物學家恩布利（T. Martin Embley）跟他的團隊，也提出了更有利的譜系發生學證據，證明真核生物確實如此而來。不過真核生物的種系發生研究里面，仍有許多矛盾的現象，還有沒有其他的證據呢？我覺得有。如果說，真核生物是透過兩個原核生物（一個細菌跟一個古菌），彼此發生內共生作用而出現，然后其中一個后來變成線粒體，那么我們就可以從另外一個比較概念上的角度，來探索它的起源問題。為什么當一個細菌進入另一個細菌體內，會造成這個原核生物外形上徹頭徹尾的改變，然后將它的真核生物潛力，完全釋放出來呢？有什么好的解釋嗎？有的！有一個很恰當的解釋，那是跟能量有關。

為什么細菌還是細菌

回答這個問題的關鍵，在于細菌（不管細菌還是古菌）都是靠化學滲透維生的。在上一章我們已經解釋了，史上第一個細菌，如何可以在熱液噴發孔的巖石薄壁中誕生；而那里天然的質子梯度，又如何可以驅動這些細菌的碳代謝與能量代謝；還有，這種對質子梯度的依賴性，如何可以迫使細菌跟古菌徹底分家。從這些觀點出發去探討，確實可以解釋化學滲透耦合如何出現；但是它們沒有解釋，為何這機制就這樣永遠地留在所有細菌、古菌跟真核生物身上。難道沒有任何一群生物，不小心丟掉化學滲透耦合？或是用其他更好的方法，取代這個機制嗎？

確實有些生物做到了。比如說酵母菌，還有一些細菌，它們大部分的時間都在發酵。發酵作用可以直接產生ATP，不過縱然速度比較快，對原料的使用卻不是很有效率。單純的發酵作用，很快地就會把環境污染殆盡，結果讓自己無法生長。發酵作用所產生的廢物，像是酒精跟乳酸鹽，會被其他的細菌利用。使用化學滲透機制的細菌，可以把這些廢物拿去跟氧氣，或是硝酸鹽之類的化合物燃燒，然后產生更大的能量，這讓細菌可以活得很久很久。如果有其他細菌可以把廢棄物燒掉的話，那發酵作用還滿好用的，但是它自身的局限性卻很大。很多證據顯示，發酵作用是在演化后期才出現的，如果從熱力學限制的角度來看，這非常合理。

比較令人訝異的應該是，發酵作用是目前唯一已知不同于化學滲透耦合的產能方式。各種形式的光合作用也好、呼吸作用也好，不管任何一種形式的自營作用，只要是利用簡單的無機分子讓細胞生長的，都完完全全地依賴化學滲透作用。在第二章中我們已經解釋過，這是有原因的。最重要的是，化學滲透耦合非常靈活，配件隨插即用，它允許各式各樣的電子供應者，加入這套公用的作業系統；只要小小的改裝，就可以適應各種不同環境。而且，配件的基因，可以利用水平基因轉移來散布，安裝到其他相容的系統中，就像應用程式一樣。因此，化學滲透耦合讓生物的代謝反應，可以隨時適應任何一種環境。難怪它會獨霸于世。

這還不是全部的好處。化學滲透耦合可以從任何環境中，壓榨出最后一滴能量。以產甲烷菌為例，它們利用 H2跟 CO2，去驅動碳代謝跟能量代謝。之前我們提過，H2跟 CO2本身并不容易發生反應，在一開始你必須注入一些能量，去打破那道能量障壁；產甲烷菌很巧妙地利用了電子分歧作用，來迫使它們反應。這反應能產生多少能量？我想先講一下興登堡號飛船事件。興登堡號是一艘德國的飛船，里面灌滿了氫氣，在橫跨大西洋之后，發生了一場意外。飛船像一顆燃燒彈一樣的爆炸，從此也讓氫氣蒙上污名。但是 H2跟 O2放在一起時，若是沒有火花這類額外的能量，它們其實非常穩定，根本不會反應。可是只要一點小火花，它們會馬上釋放出巨大的能量。而在H2跟CO2的例子里，情況是反過來的。要讓它們反應，需要的火花相對比較大，反應釋放出來的能量卻少得多。

但是對細胞來說，如果這個反應釋放出來的可用能量，沒有大于當初注入能量的兩倍以上，就沒有用。這是細胞必須面對的尷尬限制。為什么呢？還記得以前在學校練習平衡化學反應式嗎？你必須讓兩個完整的分子反應，而不可以用半個分子跟另外四分之三個分子反應。對細胞來說，讓 H2跟 CO2反應，就像是用掉一個ATP分子，卻只能生產少于兩個ATP分子。但是，因為沒有一．五個ATP分子這種東西，ATP分子要嘛是一個，要嘛是兩個。所以，如果細胞花掉一個ATP分子，最后只能獲得一個ATP分子，那一點賺頭也沒有。根據普通化學，要用 H2跟 CO2之間的反應去生長，是不可能的。這不只對 H2跟 CO2來說是如此，對所有的「氧化還原偶」（所謂的「偶」（couples），就是一個電子供應者配上一個接受者）來說，比如甲烷或是硫酸鹽，也是如此。但是，細胞卻完全無視這種化學定律的限制，仍然可以生長得好好的。它們可以生長，是因為隔著細胞膜的質子「梯度」，形成了一條漸進的階梯。化學滲透耦合漂亮的地方就在于，它完全超越了化學。它讓細胞可以把「零錢」存起來。假設要十個質子才能夠合成一個ATP分子，而某個化學反應一次只夠做出四個質子，那也沒有關系，這個反應只要重復三次，就可以制造出十二個質子，其中十個就可以用來合成ATP分子。這個機制不只對某些呼吸作用來說，絕對必要；對所有的生物包括我們來說，都有極大的好處，因為它讓細胞從此可以把微小的能量存起來。沒有這個作用，這些微小的能量，只能變成熱量浪費掉。如此，質子梯度永遠比平凡無奇的化學占盡優勢，兩者差之毫厘，威力卻差之千里。

化學滲透耦合在熱力學上所占的優勢，足以解釋為何這套機制，可以歷時四十億年而不衰。不過質子梯度在其他方面，也融入了細胞的功能。一種機制一旦歷久不衰，它就有可能變成另一套毫不相干機制的基礎。因此，質子梯度，也被廣泛使用在細胞各種功能上，像是營養攝取、排泄廢物；它也被用來推動細菌的螺旋槳，也就是讓細菌可以跑來跑去的鞭毛系統；它也被褐色脂肪細胞小心翼翼排出，用來產生熱量。最有趣的是，這套系統一旦崩解，會引發細菌族群突然的「計畫性死亡」。這是因為基本上，當細菌被病毒感染的時候，它幾乎注定活不下去。但是它如果可以死得夠快，可以在病毒自我復制以前就死亡的話，那它附近的親族（周圍帶有一樣基因的細菌），就有存活的機會。因此，指揮細菌自殺的基因，會普遍散布在整個族群中。但是，這些基因必須作用得夠快才有用，而刺穿細胞膜，正是最快的幾種機制之一。因此，許多細菌就采用這套方法：一旦被感染了，它們就會在自己的細胞膜上打洞。這樣一來，質子驅動力就會瓦解，也會啟動沉睡中的死亡機器。質子梯度，因此成為感應細菌健康與否的最后一道感應器，也是生與死的裁判。在本章后面我們會看到，這個功能牽連甚廣。

總而言之，這套化學滲透耦合機制，之所以會變得極為普遍，絕非偶然。它的起源，很可能與生命的起源息息相關，也與細胞如何從堿性溫泉噴口處誕生有關（迄今，這是最有可能孕育生命的機器）。因此，幾乎所有的細胞，都使用這套系統，也就理所當然。這套系統乍看之下，或許十分詭異，但是實際上，這僅僅只是表面上看起來反直覺而已。根據我們的分析，化學滲透耦合不只是在地球上，也應是宇宙中萬物共有的生命特征。這意思也就是說，其他星球上的生命，也會面臨著與地球上的細菌和古菌一樣的問題，所有的問題都來自「原核生物必須把質子泵過一層細胞膜」這件事。這機制其實并沒有真的阻止原核生物什么事，但是它確實限制了某些可能性。我認為，那些被排除的可能性，正好就是我們看不到的部分，被排除的，剛好就是變成帶有大尺寸基因體、型態復雜的原核生物的可能性。

這問題，其實跟每一個基因能分配到的能量有關。我自己曾經跌跌撞撞地思索著這個概念好幾年了，不過在與馬丁的一番唇槍舌劍后，才算真正開始研究它。在經過好幾個禮拜的對談與交換意見之后，我們忽然明了，演化出真核生物最重要的關鍵，其實在于「每個基因所能分配到的能量多寡」這樣簡單的原則。因為很興奮，所以我馬上在一個信封背面（結果后來一直增多變成很多信封），開始起草計算。我花了一個禮拜的時間，最后算出的答案，讓我們兩人都大吃一驚，從各種文獻資料開始，最后算出了一個數字，也就是將原核生物與真核生物兩者區分開來的能量差距。根據我們的計算，真核生物每個基因能夠分配到的能量，是原核生物的二十萬倍之多。二十萬倍的能量差距呢！最終，原來這兩者之間，隔了一道鴻溝；這個巨大的差距很清楚地解釋了，為何細菌跟古菌永遠也不可能演化成復雜如真核生物。同理，我們多半也不會遇見一位由細菌所組成的外星人。想像一下如果我們身處于能量構成的地景世界，山峰部分代表高能量，溝壑代表低能量。細菌全部都擠在最低的溝壑里，這些溝壑是如此之深，以至于四周的山壁對它們來說，都高聳如天，不可攀爬。難怪原核生物只能留在那里，永世不得翻身。讓我好好解釋一下。

每個基因可以分配到的能量

一般來說，科學家在做比較分析時，會去比較類似的事物。如果是談到能量的話，比較公平的辦法，是去比較平均每一公克物質的能量。我們可以去比較一公克重的細菌，跟一公克的真核細胞的代謝速率（用氧氣的消耗速率來代表）。我想，如果說，細菌通常呼吸得比單細胞真核生物還要快，應該不會太讓你驚訝吧？它們通常快了三倍左右。這結果平淡無奇，大部分的科學家就會停在這里，然后去比較像是蘋果跟水梨之類比較有挑戰性的生物。但是我們則繼續研究下去。如果我們去比較單一細胞的代謝速率，結果會怎樣呢？這樣的比較，看起來好像很不公平。我們選了五十種細菌，跟二十種單細胞真核生物，這些真核生物平均體積，大概是細菌的一萬五千倍大。既然它們的呼吸速率只有細菌的三分之一，那真核生物每秒大概會比細菌多消耗掉五千倍的氧氣。這數據只是反映出，真核細胞的體積比細菌大得多，同時也有比較多DNA。但是即使如此，真核細胞還是比細菌多制造了五千倍的能量，它們都用到哪里去了？

這些能量，直接用在DNA身上的并不多；單細胞生物，大概只用了百分之二的能量預算，去復制DNA。相反地，根據杰出的英國微生物能量學家哈洛德（Franklin M. Harold）的研究（雖然我們并不總是同意彼此，但哈洛德仍是我心目中的英雄），細胞大概把百分之八十的能量，用在合成蛋白質上面。主要的原因當然是因為蛋白質是細胞最主要的組成成分。脫水后的細菌，大概有一半的重量是蛋白質。制造蛋白質所費不貲。蛋白質就是長鏈的胺基酸，一個蛋白質通常有好幾百個胺基酸，透過所謂的「肽鍵」連起來。每合成一個肽鍵，細胞就要花掉至少五個ATP分子，這是把DNA分子連起來所需能量的五倍！通常，每一個蛋白質，細胞都要制作好幾千份拷貝，才足以應付日常生活所需的耗損。所以大致上來說，細胞所消耗的能量，幾乎都是用來制造蛋白質。每一個蛋白質，都由一個基因負責。假設細胞所有的基因，都用來轉譯蛋白質（事實上通常也是如此，差別只在每個基因的表現量不同），那么基因體愈大的生物，合成蛋白質所需的能量也就愈多。因為核糖體是制造蛋白質的小工廠，所以核糖體的數量，跟合成蛋白質所需的花費，就有直接的關系；因此，也可以透過計算核糖體的數量，來估算能量消耗。像大腸菌這樣的細菌，平均起來大概有一萬三千個核糖體，而一顆肝臟細胞則至少有一千三百萬個核糖體，兩者之間的差距大概從一千到一萬倍之多。

平均起來，細菌大概有五千個基因，而像池塘中隨處可見草履蟲類（Paramecium）的大型原蟲，這樣的真核生物，大概有兩萬到四萬個基因（比人類的基因數還多了兩倍之多）。平均起來，真核生物的每個基因，可以分配到比原核生物多了一千兩百倍的能量。假設我們把細菌的基因（五千個）「校正」到跟真核生物一樣多（兩萬個），但是制造的能量不變的話，那么細菌的每個基因所能分配到的能量，平均起來就比真核生物少了五千倍。或者呢，真核生物可以花比細菌多五千倍的ATP分子，去表現每個基因，比如說制造更多的蛋白質拷貝；或者比較常見的其實是：兩者皆是。

你也許會說：「這很重要嗎？」真核生物細胞，比細菌體積大了一萬五千倍，它總要用些什么，把這么大的體積塞滿吧？所以它大部分就用了蛋白質。因此，要比較它們，還要把體積也校正成一樣才公平吧？好吧，就讓我們的細菌體積也增大好了，現在來算算它們能分給每個基因多少能量。你或許會想，比較大的細菌，可以制造比較多ATP分子，確實沒錯；但是比較大的體積，也要合成比較多蛋白質，所以也會消耗較多的ATP分子。結果如何，端視這些參數如何消長。根據我們計算的結果，細菌要變大，會付出慘痛的代價：尺寸確實有差，而對細菌來說，愈大未必愈好。巨大的細菌所能分配給每個基因的能量，比起同體積的真核生物細胞來說，少了二十萬倍。讓我來告訴你為什么。

細菌體積放大之后，馬上會面臨的窘局，就是表面積與體積比的問題。真核生物細胞的平均尺寸，比細菌大了一萬五千倍。為了簡單起見，先假設細胞都是球形的好了。要把細菌漲大到細胞的尺寸，它的半徑會增為二十五倍，表面積則會增為原本的六百二十五倍。這件事之所以重要，是因為ATP必須在細胞膜附近合成。簡單地來說，ATP分子會多合成六百二十五倍，跟表面積的增加成正比。

但是合成ATP需要蛋白質：我們需要可以把質子泵過細胞膜的呼吸鏈蛋白，也需要ATP合成酶這種分子渦輪機：它可以被質子流推動，來合成ATP分子。如果細胞的表面積增加了六百二十五倍，那即使所有的呼吸鏈分子跟ATP合成酶，也隨著等比例增加，并且均勻分布在各處（所以每單位面積仍有一樣多的蛋白質），那ATP分子的合成，也只能增加六百二十五倍。這些計算都沒錯，但是想一想就知道，這只有百害而無一利。所有這些額外的蛋白質，都需要先被制造出來，然后再被插入細胞膜中。要制造它們，就要有足夠的核糖體以及各種輔助工具，而這些東西，也要先制造出來才行。胺基酸必須伴隨著RNA，被運到核糖體去，不消說，你要先把這些材料生產出來才行；喔，還要先有能處理它們的基因跟蛋白質。為了要讓這些額外的工作順利進行，更多的養分必須從膜外被運進來，這也需要特殊的運輸蛋白。與此同時，我們也要合成新的細胞膜才行，這就需要能合成脂質的酶了。以此類推。這一切暴增的生產需求，不可能光靠一個基因體就足以應付。你想想看，這個小小的基因體，坐在細胞中間，負責生產比原來多六百二十五倍的核糖體、蛋白質、RNA，還有脂質，還要負責把它們運過漲大后的細胞空間，僅僅是為了讓ATP能跟以前一樣，用相同的速率，每個單位生產一樣多的分子？想也知道這辦不到。這就像是一座城市的面積增大六百二十五倍，有了新的學校、新的醫院、商店、游樂場、垃圾處理場，諸如此類；地方政府一定無法用原來的預算，去運作這一切設施，是一樣的道理。

從細菌生長的速度之快，以及它們把基因體極簡化之后所能享有的好處來看，細菌基因體所能負擔的蛋白質合成任務，應該已經被壓榨到極限了。要讓整體蛋白質的生產量，增加六百二十五倍，合理的推斷，細菌至少需要六百二十五份一模一樣的基因體，而且每個基因體必須運作得跟原來的一樣好。

這樣聽起來好像很夸張，但是其實一點也不。等一下我們再回來討論這一點。現在，讓我們想一想關于能量花費的事。我們多了六百二十五倍的ATP分子，卻也多了六百二十五份基因體，而每個基因體要消耗一樣多的能量。暫且不管細胞里面，那些復雜的運輸系統，因為那要好幾代的時間，跟花費好多能量，才可能演化出來。每一份基因體，可以管理一部分細胞質跟細胞膜，區域跟原本細菌大小相仿。或許，討論細菌體積增大最好的方式，不是將一個細菌體積漲大，而是將它看成六百二十五個一模一樣的細菌融合在一起。這樣一來很明顯地，對每個細菌來說，基因體能獲得的能量，就跟原來一模一樣。因此，增加表面積，在能量上一點好處也沒有。漲大后的細菌，跟真核生物細胞比起來，仍然屈居下風。還記得前面講過，真核生物每個基因，都比基因數量校正后的「標準」細菌，可以獲得多五千倍的能量嗎？如果讓細菌的表面積，增為原本的六百二十五倍，但是卻沒有增加每個基因可獲得的能量，那么它們還是比真核生物少了五千倍的能量。

更糟的是，我們是借著讓能量的生產跟消耗，都增為六百二十五倍，才讓這顆細菌的表面積增為六百二十五倍，那么里面的空間呢？它里面的空間現在可是增為一萬五千倍了呢！我們讓這顆細菌像一顆巨大的泡泡一樣漲起來，但是在還沒有決定，要在里面放入什么代謝活動，到目前為止，里面的能量需求都是零。但是這種前提，只有當這個泡泡里面，塞滿了毫無代謝活動的液泡時，才會成立。但這樣一來，這顆巨大的細菌，就無法跟真核細胞相提并論；因為真核細胞不只是體積大了一萬五千倍，它里面還擠滿了各種復雜的生化機器。這些生化機器，大部分是由蛋白質所組成，把這些蛋白質也納入考慮的話，它們也都要消耗能量。因此如果體積增為一萬五千倍的話，基因體多半也要增為這么多倍。但是ATP的合成已經無法再等比例增加了，因為ATP一定要在貼近膜旁邊才能合成，而我們剛剛已經考慮過這點了。所以讓細菌漲到跟真核生物一樣大小，雖然讓ATP合成增為六百二十五倍，但是卻讓能量需求增為一萬五千倍。每一個基因所能分配到的能量，結果反而掉了二十五倍。把這個數字，乘上剛剛說的，每個基因有五千倍的差距（在讓細菌基因數，變得跟真核生物有一樣多之后），就是十二萬五千倍。也就是說當細菌的基因體跟體積，都跟真核生物一樣大之后，每個基因能分配到的能量，只有真核生物的十二萬五千分之一。這還只是在談平均的真核生物，大型的真核生物像是變形蟲，將會比漲大后的細菌，多分配二十萬倍的能量給每個基因。二十萬倍這個數字就是這樣計算出來的。

你也許會說，這只不過是在玩數字游戲，并沒有實質的意義吧？確實，這也是我所擔心的事情：這些數字，看起來真的很夸張。但是，這些根據計算得來的數字，至少可以讓我們做一些假設。首先，巨大的細菌必須要把自己的基因體，至少復制好幾千份。這個假設很容易驗證。世上確實有一些巨大的細菌，不多，但還是有。其中有兩個屬，已經被研究得很透徹了。刺骨魚菌（Epulopiscium）是一種厭氧細菌，目前只在刺尾鯛（surgeonfish）的后腸里面找到過。它長得像一艘細胞戰艦一樣，狹長而流線的身軀，大概有半公厘這么長，肉眼可見。這比大部分的真核生物細胞，包括草履蟲都還要長。我們還不知道，為何刺骨魚菌會長到這樣大。另一種細菌叫做嗜硫珠菌（Thiomargarita），它的尺寸又更大了。它們是直徑約一公厘的球菌，體內大部分都是巨大的液泡。一顆嗜硫珠菌，可以長到跟果蠅的頭差不多大呢！嗜硫珠菌住在海水中，它們喜歡上升海流帶來間歇性的硝酸鹽，嗜硫珠菌會利用硝酸鹽當作呼吸鏈的電子接受者，并把它們存在體內的液泡中。有時候數天甚至數個星期，都沒有硝酸鹽時，它們就使用自己體內的庫存。不過這不是重點，重點是，刺骨魚菌跟嗜硫珠菌，都是「極度多倍體」（extreme polyploidy），也就是說，它們的基因體都有好多好多份拷貝。刺骨魚菌有二十萬份基因體拷貝，嗜硫珠菌的體內雖然大部分都是液泡，但也有個一萬八千份基因體。

霎時，剛剛隨口說的一萬五千份基因體，變得沒那么夸張了。這些基因體不只在數量上符合前面的假設，它們分布的方式也符合。這兩種細菌的基因體，都很靠近細胞膜，分布在細胞膜內壁附近。細菌的中心，則幾乎沒有什么代謝活動。嗜硫珠菌的中心是大液泡，刺骨魚菌的中心，則是產生子代細菌的產卵場。細菌體內沒有代謝活動這件事，代表的正是，它們不用花費能量去合成蛋白質，因此在這里也不需要有基因體。理論上，它們分配給每個基因的能量，應該跟普通的細菌一樣：這些多出來的基因體，每一個都分配到一部分生物能量膜；應該剛好可以生產這些多出的基因體所需要的能量。

事實似乎確實也是如此。我們非常小心地測量了這些細菌的代謝速率，而我們也知道這些細菌的基因體拷貝數目，因此我們可以去計算每個基因所需要的能量。結果不出所料，這個數字跟大腸菌的，非常接近，都在同一個數量級里。在巨大的細菌體內，不管成本跟獲利如何增加，從能量上看來，沒有增加什么好處。這些細菌比起真核生物來說，每一個基因還是少了五千倍的能量。注意算出的數字，并不是二十萬倍的差距，這是因為這些巨大的細菌，只有在細胞膜旁邊增加基因體而已，細菌中間部分（inner volume）并沒有什么東西。在細菌中間部分，幾乎沒有任何代謝活動，而這樣會嚴重影響細菌分裂的能力。或許這是為什么，這種巨大的細菌很少見。

細菌跟古菌，很滿足它們目前的狀態。當小體積的細菌帶著小尺寸的基因體時，它們并不缺乏能量。只有當我們試著把它們漲大到真核細胞的尺寸時，問題才會出現。把細菌漲大，并不會讓它們開始擁有跟真核生物相仿的大型基因體，以及能量代謝模式；相反地，它們能分配給每個基因的能量會大幅降低。這個差距非常巨大。因此，細菌無法擴充它們的基因體，沒有辦法累積出一個，帶著幾千個新功能的基因家族，這些都是真核生物才能干的事。因此，大的細菌并不會演化出一個巨大的核心基因體，它只能復制出數千個原本的小基因體。

真核生物如何逃出藩籬？

那么為何同樣尺度的問題，并沒有辦法阻止真核生物往復雜之路前進呢？差別就在線粒體。還記得嗎？真核生物一開始，應該是由一個古菌宿主，跟一個細菌內共生者，所組成的基因嵌合體。我曾說過，譜系發生學上的證據，跟這個版本的故事非常吻合，但是這樣并不足以證明這個故事是真的。在細菌身上所看到嚴峻的能量限制，倒是一個非常強力的證據，說明了嵌合式的起源，是復雜生物誕生的條件之一。我認為，只有原核生物彼此之間的內共生作用，才可能打破細菌跟古菌身上的能量枷鎖。而原核生物之間的內共生作用，本身又是演化上極為罕見的事件。

細菌，是一個可以獨立運作自我復制的個體，也就是所謂的細胞。但是基因體不是。巨大的細菌所會面臨的問題就是，要成為巨人，它們必須復制自己的基因體好幾千次。每一個基因體都必須完美復制，或至少接近完美才行；但是復制完之后，基因體本身是什么事也不會做的。蛋白質可以在基因上工作，用它們來轉錄或是轉譯；細胞本身也可以借著蛋白質跟各種代謝反應，自我分裂；但是基因體本身則是完全的無活性的，什么事不做，就像電腦硬碟一樣，本身無法自我備份。

差別在哪里呢？這個意思就是說，細菌體內所有的基因體，從這個角度來看，其實是一模一樣的拷貝。這些基因體彼此之間差異，對天擇作用來說毫無差別，因為它們本身并不是會自我復制的個體。同一個細菌體內的眾多基因體，若有什么變異，在數代之后就會跟雜音一樣，消失不見。但是如果是細菌之間彼此競爭的話，會怎樣呢？如果有一族細菌，碰巧可以復制得比別人快兩倍，那么它的數量就會以指數遞增，每一代都會讓自己的優勢增加一倍。不消幾代之后，這一族細菌就會成為整群里面最大的一支。當然，這么巨大的生長優勢，其實并不常見，不過因為細菌生長的速率實在很快，即使只在生長速度上面稍占優勢，在幾代之后，對整個族群所造成的影響也不容小覷。對細菌而言，一天就增益有七十代之多。若以人類的生命來比喻，同一天的黎明，就已經久遠到像耶穌誕生之日般了。如果從基因體上面刪掉一些DNA，也可以贏到一點生長上面的優勢，比如說把一個目前不用的基因剔除。不管這個基因日后會不會需要，至少現在先丟掉的話，就可以復制得快一些；在幾天之內，這個細菌就會成為族群里面的多數。保有無用基因的細菌，則會漸漸地被淘汰。

假設環境改變了，剛剛那個暫時無用的基因，現在變得有用了，而缺少它的細菌，會變得再也無法生長；除非它們有辦法透過水平基因轉移，再拿回這個基因。這樣的情況不斷輪回，這種不斷丟掉又拾回基因的把戲，決定了誰可以主宰細菌族群。隨著時間過去，所有的基因體大小，都會慢慢趨向一個「最小可用尺寸」；而對單一細菌來說，它仍可以隨意從一個大得多的「原基因體」（metagenome，也就是自己細菌種群，以及鄰居種群，所有的基因體總和）里面獲得基因。一只大腸菌大概有四千個基因，但是全部大腸菌的原基因體，大概有一萬八千個基因。依賴這個原基因體，當然有其風險：萬一拿回來的不是想要的基因、或是拿到一個突變的基因、或是拿到一個基因寄生蟲怎么辦？不過從長遠的眼光來看，這套系統還是成功了。天擇最后會剔除了比較不適合的個體，而幸運的贏家則通吃。

現在，想想細菌體內的內共生者種群好了。上面講到的汰選原則也大致適用于此，因為畢竟它們還是一群細菌，只不過是比較小群的細菌，然后住在比較局限的范圍內。丟棄無用基因的細菌，跟以前一樣，會生長得快一些，漸漸成為主流。最大的差異在于環境的穩定性。外界的環境時時在變動，但是細菌體內的細胞質，卻是個很穩定的環境。當然要進入這里或許不容易，要生存恐怕也非易事；然而一旦有細菌立足了，它就有了源源不絕的養分供應。在外面自由生活的細菌，靠的是永無止境的得／失基因，在細菌體內生存的細菌，則會漸漸走向拋棄大部分基因、讓基因體極簡化的生活方式。在這里，不需要的基因，就永遠都不需要了，細菌可以永遠丟掉它們，然后基因體會變得非常小。

前面說過，因為原核生物無法用吞噬作用，吃掉其他的細菌，所以它們的內共生作用很罕見。但是我們也確知，有些現成的例子在眼前，所以很明顯的，這現象在沒有吞噬作用的情況下，誠然罕見，卻也并非不可能。有一些真菌，也有內共生者，但它們也跟細菌一樣，幾乎稱不上會什么吞噬作用。不過會行吞噬作用的真核生物，通常都有內共生者，至少我們已經知道好幾百個這樣的例子了。這些細菌最后都走向一樣的命運，就是丟掉自己的基因。在細菌的世界里，最小的基因體，通當都顯現于那些內共生者身上。比如說讓拿破侖大軍受盡折磨的斑疹傷寒病原，立克次體（Rickettsia），它的基因體大小只有一百萬對堿基，大概只有大腸菌的四分之一而已。另外一種細菌 Candidatus，它的內共生宿主，是一種在植物身上跳來跳去的木虱；它有目前已知細菌中最小的基因體，大概只有二十萬對堿基，比某些植物的線粒體基因體還要小。雖然我們不知道，原核生物體內的內共生者，基因是不是也都丟失了，但是它們的情況，沒有理由跟真核生物體內的不一樣。畢竟，線粒體以前就是住在古菌體內的內共生者，不是嗎？

「基因的丟失」會造成很大的不同。丟掉的基因對于內共生者來說，有很多好處；它們可以復制地比較快，還可以節省ATP分子。讓我們用想像力來做個簡單的實驗看看。假設有一只宿主細菌，體內有一百個內共生者，每一個內共生細菌，一開始都是正常的細菌，之后才開始丟失基因。假設每只細菌，一開始有四千個基因好了，這是普通細菌的基因數。如果它們先丟掉兩百個負責細胞壁的基因（百分之五），因為對于內共生細菌來說，這些基因以后也用不到了。這兩百個基因，都可以轉譯出蛋白質，所以會消耗能量。如果不去制造這些蛋白質，可以節省多少能量呢？細菌的蛋白質，平均有兩百五十個胺基酸；然后每個蛋白質，都會做兩千份左右。每一個肽鍵（把胺基酸連起來的化學鍵）要花掉大概五個ATP分子。這樣一來，一百個內共生細菌的兩百個蛋白質的兩千份拷貝，就要花掉五百億個ATP分子。假設這個宿主細菌大概每二十四小時分裂一次，而每個生命周期都要制造這些蛋白質，那每秒要花五十八萬個ATP分子，才有辦法應付。相反的，如果不需要去合成這些蛋白質的話，這么多ATP分子也就可以省下來了。

當然，細菌也沒有什么特別的理由，一定要把這些ATP分子省下來（其實還是有一些可能的理由，我們等一下再回來談），不過就讓我們先來看看，如果細菌把這些能量花在其他地方，會有什么不同？在真核生物跟原核生物之間，有一個相對簡單的差異，就是「機動性的內部骨架」。這些細胞骨架可以自由重組，改變形狀，讓細胞可以自由移動，同時也負責在細胞里面運輸物質。細胞骨架的主成分之一，叫做肌動蛋白（actin），那每秒花五十八萬個ATP分子，可以做出多少條肌動蛋白呢？肌動蛋白是一條由許多單體（monomer）連接成的長鏈，兩條這樣的長鏈，再互相纏繞而成一條纖維。每一個單體，都有三百七十四個胺基酸，一微米長的肌動蛋白纖維，就是由兩條各含二十九個單體的長鏈絞成。如果要花一樣的ATP分子去連接肽鍵，那一微米長的肌動蛋白纖維，要花十三萬一千個ATP分子。所以，原則上用五十八萬個ATP，我們每秒可以做出四．五微米長的肌動蛋白。如果你對這個數字沒什么概念的話，那么請記住，平均來講，一只細菌的長度大概只有幾個微米而已。所以透過內共生作用造成的基因丟失，所累積下來的能量（只要丟掉百分之五的基因即可），就可以讓機動性細胞骨架，輕易地演化出來，事實上它確實也演化出來了。另外，一百個內共生者，其實還算是非常保守的估計。有些大型的變形蟲，體內可以有多達三十萬個線粒體呢。

而它們還可以丟掉遠多于百分之五的基因。線粒體幾乎把自己的基因都給丟光了。我們跟大部分動物的線粒體，都只能做出十三個蛋白質而已。如果線粒體來自跟現代α變形菌很像的細菌的話，那它們原本應該也有約四千個基因左右。經過漫長的演化，它們丟掉了百分之九十九的基因。根據我們上面的計算，如果一百個內共生者，都丟掉百分之九十九的基因的話，那細胞在它二十四小時的生命周期中，可以省下一萬億個ATP分子呢！或者約每秒一千兩百萬個分子。但是其實線粒體并不節能，它們會生產ATP分子。線粒體跟它們獨立生活的祖先一樣，都會制造ATP分子，同時又可以大量減少一般細菌生活所需的經常性開支。其實，真核生物細胞，可以說是擁有大量的細菌能量，同時又節省了制造細菌蛋白質所需的能量。或者也可以說，它們把這些能量移作他用。

線粒體丟掉了大部分基因，其中一部分則被轉移到細胞核里（關于這一點，下一章會講的比較詳細）。這些基因有一部分，一直做著一樣的工作，生產一樣的蛋白質，因此并沒有節省什么能量。但是也有許多基因，不管對宿主還是對內共生者來說，都已經完全不需要了。它們到了細胞核里，就像是基因界的冒險者，會任意改變功能，直到被天擇的選擇力量限制住為止。這些多余的、延長的DNA，其實就是真核生物用來演化的遺傳材料。有些基因會衍生出一整個基因家族，各自處理獨特而專門的工作。我們現在知道，最早的真核生物，比起細菌來說，多了大概三千多個新的基因家族。線粒體把基因丟掉，可以讓細胞核在不增加能量消耗的情況下，就獲得許多新的基因。原則上，如果帶有一百個內共生者的細胞，每個細菌都丟掉兩百個基因（百分之五的基因），那么這個宿主，就可能在細胞核里累積兩萬個新基因，這數量已經是人類基因體的數字了呢！這些新基因，都可以馬上執行新的工作，而且不需增加能量支出。擁有線粒體的好處，讓人瞠目結舌。

這里還有兩個彼此息息相關的問題。上面的論述，完全是基于原核細胞表面積跟體積比值，而推論出來的。但是有一些細菌，像是藍綠菌，會內化自己的生物能量膜，把細胞膜向內折疊成復雜的「巴洛克花紋」，這樣可以大大地增加這個膜的面積。為何細菌無法借著將膜「內在化」，逃離化學滲透耦合上的限制呢？第二個問題則是，既然丟掉基因是如此地重要，那為何線粒體不干脆丟掉全部的基因體？這樣不是能將基因丟失所帶來的好處，發揮得淋漓盡致嗎？這兩個問題的答案，碰巧清楚地解釋了，為何細菌在過往四十億年間，一直被卡在細菌的位置上。

線粒體：通往復雜化之路的關鍵

為何線粒體始終要保有一小撮基因？原因并不容易闡明。在真核生物演化的早期過程中，線粒體已經把好幾百個、可以編碼出蛋白質的基因，送到細胞核里了。這些蛋白質，現在都先在細胞質里生產，之后才運到線粒體里面。但是，仍然有一小撮跟呼吸鏈蛋白質有關的基因，一直都保存在線粒體里面。為什么呢？經典教科書《細胞分子生物學》里面說：「我們想不出有什么不得不然的理由，讓線粒體跟葉綠體的蛋白質，一定要在它們里面生產，而不能在細胞質中生產。 」不論是在二○○八年、二○○二年、一九九二年或是一九八三年版本的書，都講同一句話，讓人實在好奇，作者這幾年來真的有認真思考過這個問題嗎？

從真核生物的起源的立場來看這個問題，我認為有兩種可能的答案：一種是「無關緊要的」，一種是「必須的」。當我說「無關緊要」的時候，并不是說「無足輕重」的意思。我只是說，在生物物理上面，并沒有什么不可改變的原因，讓這些基因非要留在線粒體里不可。它們沒有搬家到細胞核里，并非因為不能搬家，純粹只是因為從以前到現在，它們還沒搬就是了。 「無關緊要」的說法，是這樣解釋為何基因留在線粒體里面：它們本來可以搬家的，但是在機率跟天擇篩選力量的平衡下，就留下來了。可能影響的因素有：蛋白質大小、疏水性等等特性，或是遺傳密碼上面有少許改變。根據這個假設，原則上所有留下來的基因，其實都可以搬到細胞核里，不過可能要先稍稍改變一下它們的序列，然后就能夠完美運作。現在有一些學者，正在積極地研究，如何把這些基因送到細胞核里面去；他們認為，這樣做有可能阻止細胞老化（在第七章會談的詳細一點）。這是一個充滿挑戰性的問題，不過不是我們口語中「無關緊要」所代表的意義，而是這些學者認為這些基因，沒有非留在線粒體里不可的理由，所以可以搬走。而他們認為把基因搬到細胞核里，有很大的好處。我祝他們最終有好運！

但是我并不同意他們的看法。相對于此另外一種偏向「必然的」假設認為，線粒體之所以保留這些基因，就是因為需要這些基因：沒有這些基因，就沒有線粒體。這個原因是不可改變的，這些基因不能被送到細胞核里，連「原則上來說」都不可以。為什么呢？我認為英國的生化學家艾倫（John Allen），同時也是位共事很久的同事，提供了一個很好的答案。我傾向相信艾倫的答案，并不是因為他是朋友；恰恰相反，我是因為相信他的答案之后，我們才變成朋友的。艾倫永遠有源源不絕的想法，而且勇于提出諸多有原創性的假設。其中許多他正在驗證，還有一些假設，我們已經爭論了好多年。關于線粒體的問題，他有一些很強的證據，說明線粒體（葉綠體也一樣，基于同樣的原因）必須要保留這些基因，因為這樣才能夠控制化學滲透耦合。他的假設認為，將剩余的基因送進細胞核的話，不管你怎樣巧妙的更動這些基因，讓它們適應新居，細胞都免不了一死。這些線粒體基因，一定留守在生物能量膜、也就是它們的工作崗位旁邊才行。有人說，這有一個政治學術語，叫做「青銅控制」。在戰爭中，黃金控制就是中央政府，負責制訂長遠的戰略目標；白銀控制就是軍隊的指揮階層，負責分配人力跟火力的調度；但是戰爭的輸贏，決定在戰場上，也就是掌握在銅級控制的命令下；他們就是那些真正與敵人正面交鋒、勇敢的男人或女人。他們做出戰術上的決定，激勵手下的軍隊，同時也是會被我們永遠記住的偉大士兵。線粒體基因就屬于銅級控制，是陣地中的決策者。

為什么會需要有這樣的控制呢？在第二章中，我們曾經談過質子驅動力的威力。線粒體內膜的兩側，有大約一百五十到兩百毫伏特的電壓差距，而這層膜只有五奈米厚。我們提過，用同樣的電場強度來換算的話，這等于每公尺有三千萬伏特的電壓，跟一道閃電的威力一樣。如果這樣的電力失控的話，它會好好的「對付」你的！會出現的問題，可不只有ATP無法合成而已，雖然這個問題也夠嚴重了。如果呼吸鏈沒有辦法好好地把電子傳遞給氧氣（或其他任何電子接受者），會造成電子短路，也就是說電子會逃跑，直接跟去氧氣或氮氣分子反應，結果形成所謂的「自由基」。 「ATP數量減少」「生物能量膜去極化」還有「釋出自由基」這三件事，是啟動「計劃性細胞死亡」最常見的原因。這種死亡現象我們之前提過，在單細胞的細菌界里，也非常常見。基本上，線粒體基因，可以視需要即時反應，在局部變化釀成災難以前，把膜電壓調整在一定的范圍里面。根據這類假設，如果線粒體基因被移到細胞核里的話，那么當氧氣壓力改變、反應受質缺乏，或是自由基外泄時，線粒體都將無法立刻反應，去調整膜電壓，細胞就會死亡。

我們必須持續呼吸才能維持生命運作，也才能精細地控制橫膈膜、胸腔跟咽喉的肌肉。線粒體也是利用自己的基因，精細地調整呼吸鏈，確保供給永遠可以配合需求。應該沒有其他更重要的原因，可以解釋為何所有生物，都需要保有一部分線粒體基因。

不過這個「必然的」假設，真正的意義，并不是基因要留在線粒體里。真正的重點是，這些基因必須位于生物能量膜附近，不論這張膜在什么地方。所有會呼吸的真核生物，它們的線粒體，都毫無例外地保留了一小撮基因，這現象相當令人驚訝。有少數細胞，丟掉了全部的線粒體基因，但也同時失去了呼吸能力。比如說氫化酶跟殘留紡錘體（它們是在古原蟲體內所找到，由線粒體特化而來的胞器），一般都沒有保留任何基因，同時也失去了化學滲透耦合的能力。反過來說，之前所提到的巨大細菌，一直也還都在生物能量膜的旁邊，保有一份基因（其實應該說整套基因體）。對我來說最有說服力的例子，莫過于藍綠菌了，因為它的細胞膜，會向內延伸如波浪狀。如果說這些基因，對于控制呼吸作用來說是必要的，那么就算藍綠菌體積相對較小，還是應該要跟大細菌一樣，復制好幾份基因體，放在膜旁邊才對吧？而它們真的有這樣做。比較復雜的藍綠菌，常常都復制了好幾百份完整的基因體。這么多的基因體，也限制了藍綠菌每個基因所能分配到的能量。所以最后跟大細菌一樣，因為必須累積好多小型的細菌基因體，結果就是，無法讓基因體擴充到跟真核生物一樣大。

以上這些，就是為何細菌無法長到跟真核生物細胞一樣大的原因。光靠讓生物能量膜內在化，或是漲大體積，都行不通。它們還必須把一些基因，配置在膜旁邊才行，而在沒有內共生作用的情況下，現實的因素讓它們只好配置整套基因體。從每個基因所能分配的能量來看，除非可以獲得內共生作用的支持，否則變大并沒有任何好處。當有內共生作用時，它們才可能丟掉基因，縮小線粒體的基因體尺寸，用多出的能量，把細胞核基因體擴充好幾個數量級，直到真核生物的尺寸。

或許你會想到另一個可能性：利用細菌的質體（plasmids）。這種短小的半獨立環狀DNA，可以攜帶一小撮基因。為何細菌不把負責呼吸鏈的基因，放在一個大一點的質體里面，然后在生物能量膜旁邊配置許多這種質體呢？雖然在邏輯上，這樣做有相當程度的困難，但是原則上可行嗎？我覺得不可能。對于原核生物自身來說，變大或是生產過剩的ATP分子，都沒有好處。事實上，小細菌并不缺ATP，它們有足以過活的ATP。稍微變大一點，然后生產多一點ATP分子并沒有什么好處。能夠維持小體積以及足夠的ATP分子，還比較有用，這樣還可以復制地快一點。變大后的另一個缺點，就是細菌開始需要補給線來支援遠端。大型的細胞，必須要能把貨物運輸到細胞四處，這正是真核生物每天都在做的事。但是這樣的運輸系統，不會在一夜之間演化出來。它需要很多很多代的時間，而在這段時間內，細菌必須要能夠享受到變大的其他好處才行。所以，質體沒有辦法解決問題。這樣的想法是本末倒置。對細菌來說，面對如何分配資源的問題，最簡單的解決辦法，就是「避而不談」，也就是干脆復制整套基因體，讓每一套基因體去負責細胞質里面一個「細菌單位」的空間，這就是大型細菌的策略。

那么，真核生物是如何突破體積的藩籬，演化出復雜的運輸系統呢？巨大的真核生物細胞帶有眾多線粒體，每個線粒體都有質體大小的基因體，跟巨大的細菌帶有眾多質體，分散下去控制呼吸鏈，這兩者差異到底在哪里？答案在于，真核生物的出現，其實跟制造ATP一點關系也沒有，這是馬丁跟謬勒，在談到真核生物如何出現的假設時，所持的看法。他們認為，宿主細胞跟內共生者之間的共生關系，在于彼此交換生長所需的物質，而不只是能量而已。他們的「氫氣假說」指出，第一個內共生者提供給宿主（產甲烷菌）的，是生長所需的氫氣。我們可以暫且忽略細節。這個假說的重點在于，沒有內共生者提供這些受質（在這個例子里，是氫氣）的話，宿主細胞是無法存活的。內共生者可以提供所有生長所需的反應受質。體內有愈多內共生者，就可以獲得愈多的受質，宿主就可以生長得愈快，當然，內共生者也蒙受其利。在這樣的系統中，細胞愈大愈有好處，因為它們可以裝更多的內共生細菌，也就有更多的燃料。當它們為內共生者發展出運輸網路之后，又可以再更上一層樓。這才是把本（能量）置于末（運輸系統）之前。

當內共生者開始拋棄基因時，它們對ATP分子的需求也隨著降低。這會產生一個尷尬的現象。細胞透過呼吸作用，利用ADP分子來生產ATP分子。而當ATP裂解回ADP時，會釋放出能量供細胞利用。如果細胞不消耗ATP分子的話，那當所有的ADP都被轉換成ATP分子后，呼吸作用就會停止。在這種情況下，呼吸鏈也會開始累積電子，就變成高度還原態（我們在第七章會討論的比較詳細）。這樣一來它們會直接跟氧氣發生反應，釋放出自由基，傷害周圍的蛋白質跟DNA，甚至啟動自殺程序。這時候，有一個叫做「ADP–ATP 運輸蛋白」的關鍵酵素出現了，它原本的作用，是把內共生者制造的ATP，流出來給宿主細胞利用，剛好也可以用來解決內共生者的困境。借著把ATP分子運出來，交換把ADP分子運進內共生者，宿主細胞就可以控制內共生者的自由基外泄，同時也讓細胞免于受損甚至死亡。這也可以解釋，為何對宿主細菌跟內共生細菌而言，去執行建造機動細胞骨骼這種需要大量「燃燒」ATP分子的揮霍計劃，其實對兩者都有利。這里的重點是，在內共生關系里面，每一步都對彼此有好處，這不像是幫細菌加裝質體，讓細菌變大或是提供更多的ATP分子，對細菌本身來說，這些并沒有任何好處。

真核生物的出現是一個奇妙的單一演化事件，在地球四十億年的演化時光中，只出現了一次。這條極為獨特的演化之路，如果從基因跟資訊的角度來切入，會完全無法理解。但是如果從能量跟細胞的物理結構限制的角度來看，則一切都變得有意義多了。我們已經解釋過，堿性熱液噴發孔的環境，如何可以創造出化學滲透耦合機制，以及為何它會從古至今，一直跟著所有的細菌跟古菌。我也說明了，化學滲透耦合，能為原核生物帶來無限的可能跟適應性。在其他星球上，當生命從一些巖石、水跟二氧化碳開始出現之時，也應該會受到同樣參數的影響。現在我們也看到了，即使天擇作用篩選了數不盡的細菌，經過了數不盡的時間，卻仍然無法讓它們變成更復雜的細胞，除非透過罕見而嵌合式的內共生作用，否則無法變成真核生物細胞。

通往復雜的生命，并沒有什么注定而不變的演化之路。宇宙跟我們想的不一樣。復雜的生命當然有可能出現于其他星球上，但是這絕非常見的事；基于同樣的原因，它在地球上也只發生了一次。要解釋這件事，可以分成兩部分。第一部分很簡單，那就是原核生物之間的內共生現象，十分罕見（但我們確實在今日的細菌身上，看過少數例子，因此我們知道它會發生）。第二部分則比較難解釋，而且相當吻合哲學家沙特所謂「他人即是地獄」（譯注：沙特是存在主義論者，這句話主要用來表達，影響一個人最大的問題，就是他人的存在與選擇這樣的概念）。親密的內共生關系，或許解開了細菌的束縛，但是在下一章中，我們要解釋一下，這樣一個新的共存體，也就是真核生物，如何歷經千辛萬苦而誕生，以及為何這事件如此罕見，而它們又為何全部都有難解的特征，也就是性與死亡。

2024-07-06 16:49:22