>>>  讀書—連接古今充實信仰  >>>

簡體     傳統

「大自然不容真空」，亞里斯多德如是說。兩千年后，牛頓回應了他這句話。他們兩個人都很關心，到底是什么物質填滿了太空呢？牛頓認為，那是一種叫做以太（aether）的神秘物質。這個物理學觀念，在進入二十世紀后，在聲名狼藉中崩解。相反地，空虛恐懼（horror vacui）這樣的觀念，卻仍在生態學上大鳴大放。有一個古老的童謠，滿貼切地描述了「占滿所有生態區位」這樣的感覺：「大跳蚤背上有小跳蚤咬著，小跳蚤背上有更小的跳蚤咬著，一直這樣下去。」每一個可占據的生態區位，都被占據；每一種生物，都優雅地適應自己的環境。每個植物、動物、細菌，同時既是住民，也是別人的住所；對于各式各樣的跳躍基因、病毒跟寄生蟲而言，這是充滿機會的野生叢林；更不用說，對于大型掠食者來說也是。

但其實不是，那只是看起來像而已；這些無所不在無縫接軌的生物，只是表面的假象而已；在它們的中心，有一個黑洞。現在我們應該要來面對這個生物學中，最大的悖論。為何地球上所有的生物，只能被區分成型態簡單的原核生物，以及有眾多共同特征的真核生物兩種。這些共同特征，在原核生物身上，完全找不到。在這兩群生物之間，是一條鴻溝、空無一物，是一片真空。大自然應該要厭惡這片真空的。所有的真核生物，幾乎都擁有一切型態上的特征，而細菌呢，從外形上來看，什么都沒有。 《圣經》里面有句話，非常貼切的形容了這樣的現象：「凡有的，還要給他，還要加給他必有余。」

上一章中我們說到，在兩個原核生物之間發生的內共生作用，打破了永無止境的簡單構造。對于細菌來說，要能在另外一個細菌體內存活，不只一代，而且還是世世代代，絕非易事。但是我們確實也有發現實際的例子，可以證明這種現象即便罕見，也不是不可能。但是，一個細菌住在另一個細菌體內，只是個開始。它只是生命誕生歷史中的懷孕期而已。我們還必須從這里，找到通往真正復雜細胞的演化之路，也就是還要誕生出一個帶有「所有真核生物特征」的復雜細胞。我們必須從一個一無所有的細菌開始，直到一個完整、有細胞核、有眾多內膜以及細胞隔間、有機動的細胞骨架，還演化出有性生殖這種復雜行為的細胞為止。真核生物的最后共祖，就有這一切；但是在起點的細菌，除了有一個住在體內的細菌外，什么都沒有。在這兩者之間沒有任何中間型，所以沒有人可以告訴我們，是如何，以及為什么這些復雜真核生物特征會演化出來。

有人會說，內共生作用造成真核生物出現，這過程不符合達爾文式演化，因為達爾文主張「略有差異，代代相傳」的漸變式序列；但是這過程卻是，突然跳入一個未知的環境中，然后創生出一只「期望的怪獸」。就某方面來說，這種說法并沒有錯。之前我曾說過，即使天擇作用在無數的原核生物身上，經過了無盡的時間，也無法變成復雜的真核生物，除非透過內共生作用才可能。這種事件，沒有辦法用傳統的樹狀圖來表達。內共生作用是反向的樹狀圖，它的樹枝不分叉，卻反而合并。但是內共生作用也是一個單一特例，它出現在演化無法創造出細胞核、無法創造任何真核生物結構特征的情況下。它所做的，只是觸發一系列事件，而這一系列事件的發展，其實都遵循著達爾文式演化理論。

所以我并不是說，真核生物的誕生不符合達爾文式演化理論；我認為，演化的世界，被某次發生在兩個原核生物之間的內共生作用改變了。在這之后，一切仍都遵循著達爾文式演化理論的軌跡。問題是，獲得內共生者這件事，會如何影響天擇的軌跡？我們可以預測之后發生的事情嗎？或者這么說，在宇宙其他星球上，演化也可能遵循類似的路徑？還是在打破了能量藩籬之后，演化就如猛虎出柙，不受控制了？我認為，至少某一部分的真核生物特征，是因宿主跟內共生者之間親密的關系而生，因此可以根據第一原理來預測。這些特征，包括細胞核、有性生殖、兩種性別，同時也包括了不朽的生殖細胞，伴隨著生命有限的身軀。

在內共生作用發生后，馬上就限制了各種事件發生的順序；比如細胞核跟內膜系統，必定發生在內共生作用之后。而它同時也會對演化的速度做出限制。一般人很容易把「達爾文式演化」跟「漸變論」（gradualism）混為一談，但是，所謂「漸變」，到底是什么意思呢？漸變的意思其實是說，演化并不會突然跳出一個未知的情況，而所有適應性的改變，都應是細小而隱晦的。但是如果從基因體的角度來看，這個說法其實不正確。基因體可能會發生大量缺失、重復、易位等等變異，結果造成某些調控基因不正常的關閉或開啟。這些突變跟內共生作用一樣，都跟適應性無關，它們只是改變了天擇作用的施力點。舉例來說，認為細胞核會這樣突然出現，就像是把基因突變與適應混為一談。細胞核是一個適應得恰到好處的構造，它的出現，可不像基因易位這么簡單的事一樣。細胞核里面有許多結構，像是核仁，會大量制造新的核糖體RNA；核外面包著雙層核膜，膜上釘滿了令人嘆為觀止的核孔復合體。核孔復合體由數種蛋白質組合而成，而這些蛋白質，所有的真核生物都有。細胞核里還有「核蛋白片層」（nuclear lamina），這是一種充滿彈性的網狀結構，貼在核膜內層，保護里面的染色體不受到傷害。

這里的重點在于，這樣的構造，必定是天擇在經過相當時間的篩選，加上眾多蛋白質細膩的協同合作，才可能出現；而這種過程，是百分之百的達爾文式演化。不過呢，這并不表示從地質時間尺度來看，這過程一定也要發生得很慢。在化石紀錄中，我們常常可以發現，很長一段時間的穩定平衡停滯期（stasis），偶爾被一些快速的改變中斷，這種現象。從地質時間尺度來看，這些改變發生得很快；但是從世代更迭的角度來看則未必。這單純只是因為，在以前穩定的情況下阻礙改變的條件，現在改變了。因為其實一般來說，天擇非常討厭改變，在以適應性為第一考量的世界中，它會削平各個變異高峰。只有在偶然的情況下，天擇作用力才可能鼓勵變化。比如當這個世界發生了翻天覆地的改變時，天擇會變得鼓勵變異而非穩定；而這個變異的速率，可以快到讓人吃驚。眼睛是一個很好的例子。眼睛出現于寒武紀大爆發，大約在幾百萬年之內蹦出來。相較于之前，那段看似永無止境的前寒武時期，持續了好幾億年的冗長單調時光，兩百萬年顯得十分匆忙。為什么世界會持續這么久一段穩定時光，然后忽然發生電光火石的變動呢？或許因為那是第一次出現氧氣濃度上升的現象，世界忽然變得對大型而機動性高的動物有利，因此出現掠食者與獵物、出現了眼睛跟甲殼。有一個很有名的數學模型曾經計算過，從某些昆蟲身上的簡單感光眼點，演化成眼睛，需要多少時間呢？它假設生物的生命周期是一年，然后每一代型態改變都不超過百分之一，結果答案算出來，只要五十萬年就可以。

那么細胞核需要多久時間，才能演化出來？有性生殖呢？吞噬作用呢？它們為何需要花費比眼睛更長的演化時間。要去計算從原核生物演化成真核生物，最少需要多少時間，是一個未來要執行的計劃。在啟動這個計畫以前，我們需要知道多一點，關于這些事件發生順序先后的資訊。我們或許先入為主地認為，這些東西的演化一定需要好幾億年，其實并沒有什么道理。為什么兩百萬年不行呢？就假設細胞每天只分裂一次，兩百萬年就幾乎是十億個世代了。演化出這些特征需要幾個世代呢？一旦打破那道阻止原核生物演化出復雜構造的能量限制，為何真核生物不會加快演化出來呢？雖然相較于三十億年細菌所過的平靜日子，真核生物的出現，就像是突然跨了一大步，但是這中間的過程，卻是百分之百的達爾文式演化。

雖說，理論上演化可以快馬加鞭，不代表它們真的就會快速進行。但是基于大自然對于真空的厭惡，我們有足夠的理由相信，演化可以進展神速。不過問題是，真核生物什么都有，而原核生物卻什么都沒有。這代表了某種不穩定性。在第一章中我們討論過「古原蟲」，它們是相對簡單的單細胞真核生物，過去一度被誤認為是演化過程中，介于原核生物跟真核生物之間的中間型。后來才我們知道，這些怪異的生物，其實都是來自原本五臟俱全的復雜真核生物祖先。但是不管怎么說，這些生物是不折不扣的生態上的中間型：它們占據了介于真核生物跟原核生物之間，型態中等復雜的生態區位。它們可以說是填補了真空，因此乍看之下，在生物的型態上面就沒有鴻溝了，它們的復雜度呈現一連串由簡而繁，從寄生性的遺傳物質、巨大的病毒、細菌、簡單的真核生物、復雜的真核生物，一直到多細胞生物，一系列毫不間斷。然而當古原蟲直到最近被證明全是假貨之后，那個對真空的恐懼感，又再度出現。

古原蟲并沒有因為跟其他生物競爭落敗而滅絕，這證明了這種「中間型」的生物，有其生存的空間。因此，相同的生態區位，沒有理由無法被原生的中間型生物占據；像是缺少線粒體、缺少細胞核、缺少過氧小體，或是缺少如高基氏體、內質網之類內膜系統的中間型細胞。如果真核生物出現得很慢，需時數千萬甚至數億年的時間，那應該會有很多穩定的中間型細胞，帶著一部分的真核生物特征。它們可以占據古原蟲的生態區位，而其中至少有一部分，應該可以存活至今。但是一個也沒有！盡管科學家費盡心力四處尋找，卻從來沒有見過。如果它們不是因為競爭落敗而滅絕，那為什么它們無法存活下來呢？我認為，那是因為在遺傳上，這些生物極不穩定。要橫跨原核生物跟真核生物之間的鴻溝，方法有限，而大部分都失敗了。

這也暗示了，早期的種種群應該很小。這也很合理。愈大的種種群，代表在演化上很成功。如果早期的真核生物活得很成功，那么它們應該為數眾多、開枝散葉，占滿各個新的生態區位，分化開來。它們的基因應該很穩定，所以至少其中一部分，應該可以存活至今。但是實際上的情況卻非如此。從目前的情況看來，早期的真核生物基因都不穩定，而且只在一個小種種群中快速演化。

還有另一個原因，讓我們不得不相信事實就是如此：至今所有的真核生物，都有著一模一樣的特征。請想一想，這現象未免也太特別了。所有人類都有一樣的特征，像是直立的姿勢、無毛的身軀、對稱的手掌、碩大的頭腦，以及語言能力。這是因為人類都來自同樣的祖先，互相交配而來。這就是有性生殖，同時也是「物種」最簡單的定義。同「種」的生物，就是一群可以彼此交配的生物。無法彼此交配的生物，會分道揚鑣，各自演化出獨立的特征，它們就會變成新的物種。不過在真核生物誕生之初，情況似乎并非如此。因為所有的真核生物，都有一樣的基本特征，它們看起來比較像是一群可以彼此交配的物種，能行有性生殖。

還有任何其他的生殖策略，可以造成這樣的結果嗎？我想沒有。無性生殖，也就是科學家說的克隆（cloning），導致深遠的趨異演化，因為各群內的突變，都會被累積下來。這些突變借著天擇作用，在迥然不同的環境中，會各自展現其優劣。克隆雖然會不斷復制一模一樣的個體，但是諷刺的是，因為突變也會被累積下來，克隆最終反而會造成種種群分異。相反地，有性生殖才會將相同的特征，收集到同一個種種群中，不斷地將它們混合配對，結果反而不會分異。真核生物全部都有一模一樣的特征，表示它們當初應該是來自一群，互相交配的有性生殖種種群。而這又再次暗示了它們的種種群大小應該不會太大，所以才能互相交配。在這個種種群里的任何細胞，如果不會有性生殖的話，就無法存活。 《圣經》是對的：「引到永生，那門是窄的，路是小的，找著的人也少。」

那么在細菌跟在古菌之間，十分流行的水平基因轉移呢？跟有性生殖一樣，水平基因轉移也有基因重組，也會造成所謂「流動」的染色體，會搬移不同的基因組合。但是它跟有性生殖的不同處在于，水平基因轉移并不互相交換基因，同時也沒有細胞融合跟全基因體重組。水平基因轉移是零碎且單向的：它無法將種種群中個體的特色結合在一起，相反地，它會造成個體之間的差異。以大腸菌為例，每一只細菌都帶有大概四千個基因，但是它的原基因體（在所有大腸菌菌株體內找到的基因總和。這里的不同菌株，是用核糖體RNA來定義），則差不多有一萬八千個基因之多。水平基因轉移盛行的結果，是同一種細菌的不同菌株之間，可能有一半以上的基因都不一樣：這種差異的程度，比所有脊椎動物之間的差異還要大。簡而言之，在細菌跟古菌之間盛行的遺傳模式，不管是水平基因轉移或是克隆，都無法解釋真核生物間謎樣的同一性。

如果我是在十年前寫下這些文字，提到有性生殖，應該出現在真核生物演化的早期這種論點，那大概沒有什么證據可以支持。甚至還有不少物種，包括許多種變形蟲，以及被認為出現在演化早期的古原蟲，像是梨形鞭毛蟲屬（Giardia）的生物，還一度被認為是無性生殖的生物。其實直到今日，還沒有人抓到梨形鞭毛蟲的把柄，看見過它們纏綿。不過在自然史里面所匱乏的，可以用技術來補足。我們已經知道梨形鞭毛蟲的基因體序列，知道它們有減數分裂所需的基因（減數分裂，就是形成生殖細胞的細胞分裂），而且這些基因完全處于可使用的狀態。還有它們基因體的結構，也見證了曾有過規律性的有性生殖基因重組現象。幾乎每一種我們研究過的物種，都或多或少有類似的現象。雖然有些比較次要的真核生物，只靠無性生殖繁殖，但是它們大部分都很快就滅絕了，所有已知的真核生物，都行有性生殖。我們可以據此認為，它們的祖先理應也是如此。簡而言之，有性生殖出現在真核生物演化非常早期，而只有當有性生殖，是在一群小而不穩定的種種群中演化出來時，才能夠解釋，為何今日所有的真核生物，都有性生活。

如此，就帶入本章的問題了。兩個原核生物之間的內共生作用，跟有性生殖的演化之間，是不是有什么關聯呢？

我們基因結構的秘密

真核生物有著「支離破碎的基因」。二十世紀生物學中，很少有嶄新發現會讓人大吃一驚。我們一直被早期的細菌基因研究誤導，認為人類染色體上的基因，也應該像是一串珍珠般，照著有意義的順序排列。但是不然。就像紐西蘭遺傳學家潘尼（David Penny）說的：「如果有一個委員會，專門負責設計大腸菌的基因，那我會很驕傲的承認，自己曾經在里面工作過。但是我絕不會承認，自己曾經在人類基因體設計委員會里面工作過。因為沒有任何單位，即便是大學里的委員會，都不會把這工作做得這么亂七八糟。」

到底是哪里有問題呢？真核生物的基因看起來根本一團亂，它們的結構是這樣的：有少數幾段短短的區域，每一段都負責蛋白質的一部分；然后在這些區域中間，都穿插了非常長段的「非編碼DNA」，我們稱之為「內含子」（introns）。每一段基因里面，通常都插了好幾段內含子（所謂基因的定義，就是能夠編碼出一個完整蛋白質的DNA序列）。這些片段的長短差異非常大，但是通常非編碼區，都比真正編碼出蛋白質的片段要長。 DNA會轉錄成RNA，RNA是制造蛋白質的模板，它會被送到核糖體，也就是那些位于細胞質的重要工廠里。當轉錄成RNA時，內含子也會跟著轉錄出來，不過在抵達核糖體之前，它們就統統都被切掉了。這可不是一件輕松的工作，它要靠另外一部無比精巧的納米小機器，我們稱為剪接體（spliceosome）的蛋白質來執行。等一下我再來解釋剪接體的重要性。現在，你只要注意這整個程序執行過程，有多么奇怪迂回。如果在剪接掉這些內含子的過程中稍有失誤，那么一大串毫無意義的RNA，就會被送到核糖體里，接著就會制造出一長串毫無意義的蛋白質。核糖體，就像是卡夫卡小說中的官僚一樣，忠實地執行任何命令，不管這命令是什么。

為什么真核生物的基因，是如此支離破碎的呢？其實這倒是有幾個已知好處。首先，同一個基因，可以把片段，用不同的剪接方式，接出許多不同的蛋白質。舉例來說，免疫系統就借此發揮蛋白質重組的威力；它們把蛋白質片段，用各式各樣的方式連接起來，形成數十億種不同的抗體。這樣抗體可以黏著在任何細菌或是病毒身上，讓免疫系統的殺手機器去追殺它們。不過免疫系統是大型復雜動物身上才有的晚期發明，在演化早期，重組有什么好處嗎？在一九七○年代，二十世紀的演化生物學大師杜立德（Ford Doolittle），曾經提出一個假說，他認為內含子應該出現在生命起源之初，這也就是所謂的「內含子先天存在說」。這個理論是這么說的：早期的基因，因為缺少現代基因復雜的修復系統，所以在復制的過程中一定很容易累積許多錯誤，這讓它們很容易就因為突變而毀滅。因為突變的機率很高，而在一段DNA里面累積的突變數，又跟DNA的長度有關，所以只有很短的基因體，才可能避開因突變而毀滅的命運。那么短短的基因體，要如何制造大量的蛋白質呢？內含子是個很好的解決辦法，生物只需要把許多小片段重組連接即可。這個理論很漂亮，除了杜立德本人以外，至今也還殘存少數擁護者。同時，一如所有偉大的假說，這個漂亮的假說也提出過好幾個預測，但不幸的是，它們后來全部被推翻了。

這個假說最重要的一項預測，就是「真核生物應該是第一個演化出來的細胞」。因為只有真核生物才有真正的內含子，所以如果內含子真的這么原始，那么真核生物細胞必定是最早的細胞，早于細菌與古菌（譯注：根據這個假說，內含子應該跟著基因一起出現，所以第一個有基因的細胞，應是真核生物，而不是細菌或古菌）；而后兩者則是后來在天擇的壓力下，為了精簡基因體，才丟掉了內含子。但是這假說在譜系發生學上來說，完全沒有意義。新一代的全基因體分析，全部都毫無二致得顯示出，真核生物來自于古菌宿主跟細菌內共生者。演化樹上面最深的分支，始于細菌與古菌之間，真核生物是比較晚期才出現的產物。同樣的觀點，也與化石證據，以及上一章提到的生物能量學考量，互相吻合。

然而如果內含子，不是一種原始狀態，那么它們到底為何會出現，又是如何出現的呢？答案似乎來自于內共生者。雖然我剛剛說細菌沒有「真正的內含子」，但是毫無疑問地，內含子的祖先必定來自于細菌；或者更精確地說，是來自細菌基因里的寄生蟲，正式的名稱叫做「第二型自我剪接內含子」（mobile group II self-splicing introns）。你不需要擔心這拗口的名稱，它們「就只是」一種自私的基因，是一種會在基因體里面，不斷自我復制、跳進跳出的跳躍基因（jumping genes）。或許我不應該說「就只是」，因為它們其實相當驚人，而且是很有目的性的小機器。它們會跟其他的DNA，一起被轉錄成RNA，但是之后馬上就「活過來」（還有比這更好的形容詞嗎？），把自己組合成一副RNA「剪刀」。這副剪刀會把自己跟其他的長段RNA剪開，如此對宿主細胞的傷害，可以減到最低。被剪下來的片段，會變成一組活躍的復合物，然后制作出反轉錄酶（reverse transcriptase）。這種酶可以把RNA反向轉錄成DNA。被轉錄回DNA的內含子，就會把自己再插回宿主的基因體里。所以，內含子是一種基因寄生蟲，在細菌的基因體里不斷跳進跳出。

「大跳蚤背上有小跳蚤……」誰想得到原來生物的基因體，其實是蛇鼠一窩，藏著一堆騷動的精巧寄生蟲，隨它們高興跳進跳出的。但事實就是如此。這些可移動的內含子或許很古老，因為在三域生物身上都可以見到。而它們又跟病毒不同，因為它們從來不需要離開宿主那溫暖舒適的窩。每當宿主的細胞復制一次，它們就高高興興的跟著復制一次。任何生物，都只能習慣于它們的存在。

不過細菌處理得很好。我們不知道它們怎么辦到的。或許，這純粹只是天擇作用于大種種群時的威力。細菌身上的內含子，如果插入了不適當的區段，可能會干擾它們的基因，因此就會在天擇的戰爭中，輸給其他內含子位置比較恰當的細菌。或者，內含子本身適應良好，只會侵入對宿主細菌無害的DNA區段。這原因有可能是因為內含子跟病毒不一樣：病毒可以獨立存在，所以并不那么在乎會不會殺死宿主；內含子必須與宿主同生共死，所以干擾宿主絕無好處。最適合用來形容生物學上這種情況的，其實都可以借用經濟學上的詞匯，像是成本收益計算、囚徒困境、賽局理論等等。不管怎樣，總之最后移動式內含子，沒有在細菌跟古菌體內大鳴大放，也從來沒有插在任何基因里面，因此稱不上是真正的內含子。它們只存在基因與基因之間的區域，而且密度很低。一般來說，一個細菌的基因體（含有大約四千個基因）帶有大概不超過三十個內含子，相較之下，真核生物則有好幾萬個內含子。細菌體內這么少的內含子，反映的是一種長期的收支平衡，是天擇作用在宿主與內含子兩者身上，經過無數世代后的結果。

就是這樣的細菌，在約十五到二十億年以前，跑到一個古菌體內，發生內共生作用。現代細菌中，與之最接近的菌種，大概就是α變形菌之類的細菌吧；而我們知道現代的α變形菌，只帶有很少的移動式內含子。那么在這些古老的基因寄生蟲，與現代真核生物基因體結構之間，有什么關聯呢？如果你多了解一些，那副「剪接細菌內含子的RNA剪刀」的作用機制，外加一點邏輯推理，應該就會看出來了。在前幾節中，我提過剪接體這個由蛋白質組成的奈米機器，它可以把內含子，從我們的RNA轉譯本上面切掉。不過剪接體并非全然由蛋白質組成，在這個機器的核心，其實是一副由RNA組成的剪刀。它把真核生物內含子剪下來的方式，完完全全泄漏了它的本體，其實來自細菌的自我剪接內含子。

就是如此，我們并不是靠著比對內含子的DNA序列，得知它們源于細菌。這些內含子無法做出反轉錄酶，也無法把自己切入或切出宿主DNA，它們不是會移動的基因寄生蟲，而是DNA世界里面的無業游民，坐在那里什么事也不做。但是這些已然死亡的內含子，卻遠比那些活著的寄生蟲要更危險，因為它們已經突變得不成人形，損壞到難以辨認的地步，再也無法把自己切下來；宿主細胞必須主動移除它們才行。所以宿主細胞就只好從還活著的親戚里，征用RNA剪刀。剪接體就是根據細菌的寄生蟲，改造而成的真核生物機器。

在二○○六年時，俄裔美籍的生物資訊學家庫寧，跟演化生物學家馬丁，發表了一篇非常精采的論文，提出了一個假說。他們認為，在真核生物誕生之初，進入古菌體內的內共生者，在毫不知情的宿主體內，解開了這些基因寄生蟲的封印。這造成了演化早期，內含子大舉入侵，形塑了真核生物的基因體構造，同時也對真核生物的各項特征造成深遠的影響，比如說形成細胞核。而我呢，我會說有性生殖也是這些影響之一。當然，這個假說聽起來有點太夢幻、好像只根據一副剪刀這樣單薄的證據，就編出一個完美的演化故事。但是，基因構造的許多細節，卻也支持這種假設。為數眾多、好幾萬好幾萬個內含子，加上它們在染色體上所處的位置，像是沉默的證據，見證了遠古的遺跡。這個遺跡，不只包括了內含子，還包括宿主細菌跟內共生者之間、扭曲又親密的關系。就算這個假說不是全對，但是我認為這種答案才是我們應該尋找的。

內含子跟細胞核的起源

許多內含子，在真核生物基因體里面的位置，都是固定的，這是另一件出人意料的謎。舉一個所有真核生物都有的基因：檸檬酸合成酶（citrate synthase）的基因為例好了，它會轉譯出檸檬酸合成酶，去執行所有真核生物都需要的基礎代謝作用。從海藻、香菇、樹木、變形蟲一直到我們人類身上，都可以找到一模一樣的基因。雖然我們跟樹木的基因，從共同的遠祖開始，經過了無數世代的分歧，在序列上已經出現了些許差異；但是因為天擇的篩選，讓生物保存了這個酶的功能，因此也限定了基因序列的排列方式。這種現象，完美的展示了天擇的分子生物學基礎，以及所有生物都有共同遠祖這件事。出人意料的部分在于，不管是樹木還是人類，這個基因總有兩到三個內含子，而且幾乎都插在一模一樣的位置。對于這種現象，只有兩個可能的解釋。

第一個解釋是，這些內含子，是各自獨立插在這些位置的，或許因為某種未知的原因，這些位置特別受到天擇的青睞；第二個解釋則是，這些內含子在過去，把自己插入真核生物共祖的身上后，隨著共祖開始分化，傳給了所有的后代。當然，其中某些后代，也可能又把內含子給弄丟了。

如果只有少數幾個基因有這樣的現象，那么第一種解釋就很有可能。但是科學家發現，數以千計個內含子，都插在數百個真核生物共享基因中，完全相同的位置上。如此一來，第一種解釋就說不通了；從遠古共祖流傳下來的說法，反而比較有可能。果真如此的話，那么就在真核生物誕生之初，必定有過一波內含子大入侵，讓這些內含子一開始就插在這些位置。然后這些內含子，發生了某些退化性突變，剝奪了它們移動的能力，從此就留在這些地方；如同圈畫在被害者尸體旁，擦不掉的粉筆輪廓，一直傳給后代的真核生物。

還有另外一個比較有說服力的證據，支持過去曾經出現過一波內含子大入侵。我們通常把基因分成兩類：異種同源基因（ortholog）跟同種同源基因（paralog）。所謂異種同源基因，基本上就是從遠古共祖那里繼承來的基因，雖在不同種的生物體內，卻仍做著一模一樣的工作。最好的例子，就是我們剛剛提過的檸檬酸合成酶基因。所有的真核生物，都有這個異種同源基因，因為我們都來自同一個共祖。第二類的同種同源基因，一樣是來自遠古的共祖，但是這古老的基因，卻在同一個細胞里面復制了好幾次，結果變成一整個基因家族。這樣的基因家族，有時候可以包含多達二三十個基因；每一個后來都各自負責稍有不同的工作。舉例來說，像血紅素蛋白家族，就有十個基因，每一個都編碼出很類似的蛋白質，但是負責不太一樣的工作。簡單的來說，異種同源基因，就是不同種生物之間的相同基因；而同種同源基因，則是同一個生物體內的基因家族。當然啦，同種同源基因的家族，也可能從某個共祖身上傳下來，然后出現在許多不同種的生物體內。因此，所有的哺乳類動物，都有同源同種的血紅素基因家族。

庫寧很聰明地，再把這些同種同源基因家族，加以區分成「古老的」跟「近代的」。根據他的定義，所謂古老的同種同源基因，是指那些「在所有真核生物體內都有的」基因家族，而這些基因，在原核生物體內，從未被復制過。因此我們知道這是在真核生物演化早期的事件，而且發生在「最后真核生物共祖」演化出來以前。而所謂近代的同種同源基因，則是只在某些特定真核生物體內（比如說只有動物或只有植物），才能找到的基因家族。這種現象代表了它比較近代，是在特定幾群生物演化的過程中，才發生的基因復制事件。

根據庫寧的預測，如果內含子大入侵果真發生在真核生物演化早期，那么這些移動式內含子，應該會隨機插入不同的基因中間。在同一時期，同種同源基因應該也正積極地自我復制。如果內含子大入侵持續不懈，那么在同源同種基因家族擴張的過程中，這些四處移動的內含子，就會插在每個新家族成員的不同位置上。相反的，對于近代同種同源基因家族來說，所有的基因復制，應該都發生在那次假想的內含子大入侵之后。因為沒有新的內含子插進來搗蛋，所以當新的家族成員被復制出來時，應該會連舊的內含子一起復制，而且維持在原本的位置上。簡而言之，「古老同種同源基因」比起「近代同種同源基因」來講，內含子的位置應該不規則的多。而分析結果顯示，庫寧的預測，準確度高的嚇人。基本上「近代同種同源基因」所有的內含子，都維持在一模一樣的位置上，而「古老同種同源基因」的內含子的位置，則亂多了。

這些結果全都指出，早期的真核生物，確實曾經一度遭受到由內共生者帶來的內含子大入侵。但是，為何內含子在細菌跟古菌體內，可以受到嚴密的控制，在真核生物體內，卻會大量繁殖呢？有兩個可能的解釋，而且兩個可能都是真的。第一個解釋是，最早的真核生物（其實基本上那時還是一個原核細胞，是一個古菌），遇到了來自細菌的內含子大轟炸，而且還是從近在咫尺、從自己體內的細胞質而來。這種情況有點像是棘輪（ratchrt）在運作，棘輪只會往一個方向轉動。內共生作用是一場大自然的「實驗」，而這實驗有可能失敗。比如說，如果宿主細胞掛了，這個實驗就結束了。但是反過來說則否。如果宿主體內有許多內共生者，其中一個死了，也就是死了一個細菌而已，而實驗可以繼續進行下去。宿主還活著，其他的內共生者也活著。但是死掉的這個內共生者，會把自己的DNA倒入宿主的細胞質中，就可能透過水平基因轉移，把基因結合到宿主的基因體中。

這個實驗難以停止，直到今日仍是。我們細胞核的基因體里，就塞滿了數千段線粒體DNA，簡稱叫做 numts（nuclear mitochondrial sequences，意思就是核內線粒體序列）。它們就是透過這種機制，跑到細胞核中的。新的 numts 偶爾會出現，而當它們無意間破壞了某個基因，導致遺傳疾病時，就會引起我們的注意。在真核生物誕生之初，那時候還沒有細胞核，這類基因轉移必定更為普遍。如果真的有某個專門的機制，可以引導移動式內含子，插入基因體中某些特定位置，避開其他位置上，那么情況很可能會更糟。因為一般來說，細菌的內含子已經適應了細菌宿主，而古菌的內含子也很適應古菌宿主。但是在古早的真核生物體內，細菌內含子所入侵的，是古菌的基因體，這里的序列跟細菌的完全不同。既然沒有任何適應性限制，自然也就無法阻止內含子失控似的繁殖。這樣的結果，很可能會導致種種群滅絕。最后就算有幸存者留下來，大概也是一小群基因不穩定、病懨懨的細胞。

第二種解釋，則是天擇并沒有積極地限制內含子大量繁殖。一部分原因正是因為，一小撮病懨懨的細胞，競爭力無法跟一大群健康的細菌相比。同時最早的真核生物細胞，對內含子入侵，應該也有前所未見的耐受力才對，畢竟，這些內含子都來自內共生者，也就是未來的線粒體。內共生者雖會帶來基因上的成本，卻也是能量上的優勢。對細菌而言，內含子純粹是個負擔，是因為內含子會帶來能量以及遺傳上面的雙重負擔。上一章我們講過了，體積小、DNA少的細菌，會繁殖得比那些體積大、又帶了超出所需DNA的細菌快很多；因此，細菌都會把自己的基因體，精簡到剛好能存活的最小程度。相反地，真核生物在基因上面，則表現出一種極端的不對稱性：它們可以自由地大量擴充細胞核內的基因體，正是因為內共生者基因體縮水之故。宿主細胞其實并沒有打算擴充基因體，會擴充的原因，純粹只是因為即使它們加大基因體，也不會受到跟細菌一樣的天擇懲罰而已。既然處罰很少，那么真核生物就這樣慢慢地透過各種基因復制與重組，多累積了數千個基因；同時也可以忍受更多的基因寄生蟲。這兩個結果是一起發生的。真核生物的基因體，塞滿了大量的內含子，這是因為從能量的觀點來看，它塞得下。

因此，第一顆真核細胞，受到了自己內共生者發動的「基因寄生蟲」大轟炸。諷刺的是，這些基因寄生蟲，一開始其實沒有帶來太多問題；反而是它們衰退、死亡之后才產生問題。因為它們把自己的殘骸，也就是內含子，像倒垃圾一樣塞滿基因體。這時候，宿主細胞不得不把它們切掉，不然就會解讀它們，而做出無意義的蛋白質。如前所述，剪接體就是專門負責這項工作的，它來自移動式內含子的RNA剪刀。不過呢，就算剪接體這部奈米機器功能再強，也只能解決一部分問題，因為它的速度很慢。今日的剪接體，即使在經過快二十億年演化的改良，要剪下一段內含子，還是要花好幾分鐘的時間。偏偏核糖體的速率又快得嚇人，它每秒鐘就可以處理十個胺基酸。一般來說，要做出一個細菌的蛋白質（約兩百五十個胺基酸）只需要半分鐘。另外，剪接體要碰到RNA也不是件易事，因為一段RNA的表面，常常夾了好幾個核糖體。所以就算剪接體可以接觸到RNA，它也來不及阻止核糖體去生產大量無用的蛋白質，因為沒時間把內含子剪下來。

那么，細胞如何防止這樣的災難發生？根據馬丁和庫寧的看法，細胞就在整個處理程序中，加了一道障礙。細胞核的核膜就是這道障礙，可以把轉錄跟轉譯的過程分開：在細胞核里，基因被轉錄成RNA編碼指令；在細胞核外面，核糖體則會讀取RNA，然后轉譯成蛋白質。緩慢的剪接過程，一定要在核糖體有機會碰到RNA以前，就在細胞核內完全處理完。這就是細胞核最重要的功能，就是把核糖體擋在外面。這就是為何真核生物需要細胞核，而原核生物完全不需要：因為原核生物根本沒有內含子的問題。

「等一等！核膜不會憑空出現，它至少需要好幾代的時間才能演化出來，在那之前，為何真核生物還沒有滅絕呢？」你也許會這樣問。這個嘛，我相信許多真核生物細胞應該已經犧牲了。不過事實上，演化出核膜，也許沒有想像中困難。核膜的出現，有賴于另外一件稀奇的事情，而這又跟細胞膜有關。雖然從遺傳學上的分析，我們知道真核生物來自一個貨真價實的古菌，因此在很久以前，細胞膜里面一定有古菌的脂質，但是今日的真核生物所有的，卻是細菌的脂質。若把這件事一并考慮進來，在真核生物演化之初，它們一定為了某種原因，把古菌的細胞膜置換成細菌的細胞膜。為什么？

這個問題有兩個面向值得討論。首先是關于可行性的問題：這有可能發生嗎？答案是肯定的。從實驗室里面的結果可以知道，混合了細菌跟古菌脂質的鑲嵌式細胞膜，其實是很穩定的。所以，古菌的細胞膜，確實有可能被慢慢地替換成細菌的細胞膜。但是，置換細胞膜組成，雖然不是不可能，卻仍是罕見的事情。這就帶我們進入第二件值得討論的面向：哪一種罕見的演化力量，有可能驅使這種改變呢？答案就是：內共生作用。

在古早時，當內共生者將DNA，大量傳入宿主細胞的時候，必定也送入了合成細菌脂質的基因。我們可以假設制作這些脂質的酶，都被合成出來且有活性。它們一被合成出來，就馬上開始制作細菌的脂質。當然，在剛開始時，這過程很可能不受任何控制。隨機合成脂質，會發生什么事呢？如果是在水中的話，它們很快就會自己形成脂質小泡。英國新堡大學的微生物學家埃靈頓（Jeffery Errington），就曾經做實驗證明，在活細胞體內確實會如此：如果利用遺傳工程加快細菌合成脂質的速率的話，就會造成內膜堆積。這些內膜，會留在它們的誕生地附近，因此會圍繞在細菌基因體附近，形成許多脂質「小袋子」。就像是流浪漢在缺乏物資時，也只好先拿塑膠袋來御寒一樣，一堆脂質小袋子，也可以在DNA跟核糖體之間，臨時拼湊成一道的柵欄，稍微減輕內含子帶來的麻煩。事實上，這道柵欄必須要有缺陷。完全密封的膜，反而會讓RNA無法被送出去跟核糖體碰頭。有洞的柵欄只會減緩出口的速率，讓剪接體有多一點時間，在核糖體開始工作之前把內含子剪掉。換言之，這是一個隨機出現（但卻是可預測的）的起點，讓天擇可以把解決之道篩選出來；它始于一堆圍繞在基因體周圍的脂質小袋子，終于一層蓋滿復雜核孔的核膜。

從核膜的型態來看，跟這個假設還滿吻合的。脂質小袋子就跟塑膠袋一樣，都可以被壓扁。從橫斷面來看，一個壓扁塑膠袋就像是兩片緊貼而平行的膜，這就是雙層膜構造。而核膜也是這樣的構造：它是一堆壓扁的小泡互相黏合在一起，而核孔復合體半隱半現的藏在縫隙間。在細胞分裂的時候，核膜會自動散開還原成好多小囊泡，細胞分裂之后，小囊泡又再融合在一起，形成兩個子細胞的核膜。

負責細胞核結構的基因，排列模式也跟這個假設吻合。如果細胞核是在取得線粒體之前就演化出來的話，那么負責細胞核每個零件的基因（包括核孔、核蛋白片層、核仁等等），都應該是由宿主細胞的基因，全權負責編碼才對。但是事實并非如此。這些蛋白質全都是混雜了不同來源的嵌合體，一些蛋白質由細菌基因負責編碼，少數由古菌基因編碼，其他的基因呢，只有真核生物才有。除非說細胞核是在取得線粒體之后才演化出，然后是肇因于那次失控的基因轉移，不然我們根本無法解釋這種模式。一般常說，在真核生物演化的過程中，內共生者變形程度，大到幾乎看不出原來的模樣（但尚不致于無法辨認），最后變成線粒體。不過很少人注意到，其實宿主細胞的變形程度更大。宿主細胞一開始只是一只簡單的古菌，得到了一些內共生者。這些內共生者開始用DNA跟內含子轟炸無辜的宿主，促使細胞核開始演化。不只是細胞核，有性生殖也一起演化出來了。

性的起源

真核生物演化的過程中，有性生殖出現得非常早。我之前也曾暗示過，性的起源，或許跟內含子大舉入侵有關。為什么呢？讓我們先大致介紹一下等會兒要深入解釋的事情。

真正的有性生殖，也就是真核生物的生殖手段，涉及到兩個配子（對人類來說，就是精子跟卵子）互相結合。這兩個配子，都只帶有半套染色體。大多數的多細胞真核生物，包含你跟我，都是所謂的「雙倍體」（diploid）。雙倍體的意思就是說，我們每個人體內，所有的基因都有兩套，一套來自父親，一套來自母親，它們就是所謂的「姊妹染色體」（sister chromosomes）。隨處可見的染色體圖像（譯注：上下兩根粗短的棒子頭尾相接），常常賦予一般人一種誤解，誤以為染色體的結構不會改變。但是事實完全不是這樣。在形成配子的過程中，姊妹染色體會進行重組，染色體的一小部分，會跟另一條染色體的一小部分結合，結果造成前所未見的基因組合。如果你順著這條新重組好的染色體，一個基因接著一個基因走下來，你會發現其中一些基因來自父親，另一些則來自母親。接下來，透過「減數分裂」（meiosis，字面上的意思就是減少數量式的細胞分裂）的步驟，會形成單倍體（haploid）的配子。這樣，每一個配子就只含一套染色體。兩個單倍體的配子，每一個都帶著一套重組好的染色體，最后又會結合在一起成為受精卵。它將來會發育成你的小孩，是一個新的個體，帶有獨一無二的基因組合。

伴隨有性生殖的發現，問題不在于許多嶄新的機制必須先演化出來。基因重組的時候，兩條姊妹染色體必須整齊地并排在一起。其中一條染色體的一小段，必須在交換點（cross-over point）的地方斷開，然后完全轉移到另一條染色體上；而另一條染色體也必須同樣轉移一段過來。其實，細菌在做水平基因轉移的時候，也會出現這種把染色體整齊排列、基因重組的現象，不過這往往只是單方面進行：細菌只是修復受損的染色體，或是重新裝備以前丟掉的基因而已。兩種基因重組的分子機器，其實大同小異；有性生殖的特殊之處，在于重組的尺度，以及具有對等性。有性生殖的基因重組尺度，是在整套基因體之間做對等的交換；原核生物間就算有這種現象的話，恐怕也極為罕見。

有性生殖曾是二十世紀生物學難題中的「皇后」，不過現在我們已經漸漸明了它的優勢（至少是跟完全無性生殖，也就是用克隆來繁殖的生物相比）。有性生殖可以打破原本牢不可破的基因組合，讓天擇可以「看見」個別基因，也能把我們的特質一個一個彰顯出來。這有助于生物抵御寄生蟲的侵襲、適應千變萬化的環境，以及維持種種群中的歧異度。中世紀的石匠在雕刻時，就算是放在大教堂神龕這種隱密角落里的石像，他們也會把石像背面雕刻出來，因為無所不知的上帝，仍看得到這些地方。有性生殖也是一樣，它讓天擇的全能之眼，得以一個基因一個基因，細細檢視自己的成果。有性生殖帶給我們一種「流動的」染色體（「fluid」chromosomes），以及隨時變動的基因組合（精確地說，彼此配對的基因，叫做對偶基因 alleles）；這樣讓天擇可以用前所未有的細致度去區分不同的個體。

想像一下，有一百個從來不曾重組過的基因，在一條染色體上排成一直線。對于這種組合，天擇只能鑒別出整條染色體的適應能力。現在假設這些基因中，有幾個非常重要，只要稍有突變就會導致個體死亡。在這種情況下，其他比較不重要的基因，如果發生突變的話，天擇將完全看不見。輕微卻有害的突變，很可能會因此在這些基因上，慢慢累積下來；因為留下這些基因的小弊，遠遠不及留下那幾個關鍵基因的大利。長此以往，這整條染色體，以及生物個體的最適性，就會慢慢衰退。男人的Y染色體就是個血淋淋的例子。 Y染色體因為無法進行基因重組，因此上面的基因就漸漸退化；到最后只剩下幾個關鍵的基因，被天擇保存下來。如果基因再退化下去，整條染色體都可能會消失不見。有一種動物叫做高加索鼴形田鼠（Ellobius lutescens），就已經完全遺失它們的Y染色體。

如果天擇的作用更積極一點，往正向選擇，情況還可能會更糟。假設某一個重要的基因，出現了一個相當優秀的突變，優秀到讓這個基因有辦法橫掃全種種群。繼承這個基因的生物，將成為種種群中的主流，而這個基因，最終也將散布到「穩固」（fixation）的地步。所謂穩固的意思，就是說種群里面所有的個體，都有一份這個基因。但是因為現在天擇只能「看見」整條染色體，所以這條染色體上其他九十九個基因，也會跟著在種種群中穩固下來，它們等于是搭了優秀基因的「便車」。這樣會造成一個大災難：假設這種種群中的每個基因，原本都有兩三個多型性變異（兩三個對偶基因），這本來可以讓種種群里面這一百個基因，有一萬到一百萬種不等的對偶基因組合。但是在基因穩固之后，所有這些變異，都將被一掃而空，從此這一百個基因，在種群里面只會有一種組合，也就是跟剛剛那個「優秀到穩固」的基因，碰巧排在同一條染色體上的基因組合。這就是失去變異性的大災難。上面舉的一百個基因，還只是過度簡化的例子。無性生殖的生物，常常有數千個基因，它們的變異性會在某一次「選擇性剔除」（selective sweep）的過程中，全部消失殆盡。這樣一來，「有效」種群的大小將嚴重萎縮，這讓無性生殖的生物種群極易滅絕。這也就是為什么，大部分無性生殖、靠克隆繁殖的動物跟植物，常常在短短數百萬年之內，就滅絕殆盡。

上述兩個過程：累積輕微卻有害的突變，以及「選擇性剔除」造成變異性喪失，合在一起就是我們熟知的選擇干擾（selective interference）。沒有基因重組的話，天擇針對少數特定基因所做的篩選，將會干擾它篩選其他基因的能力。有性生殖借著制造出帶有「不同組合對偶基因」的染色體（又稱為流動的染色體），可以讓天擇直接作用在每一個基因上面。這樣一來，天擇就如同上帝一般，將可以看見我們全部的罪與善，一個一個基因檢視。這才是有性生殖最大的優點。

但是有性生殖的策略，也有許多嚴重的缺點，所以長久以來，它一直是演化生物學里面最重要的難題。比如說，有性生殖會重新打破在某些特殊環境中、被證明已經相當成功的對偶基因組合；雖然這些基因讓我們上一輩得以繁衍興盛，但是有性生殖卻又會隨機把它們置換成其他基因。每一代每一代，有性生殖都會隨機打亂基因組合，因此永遠也不可能重新復制一位像莫札特一樣的天才。更糟糕的是，有性生殖的成本是「雙倍的」。當細胞無性生殖繁殖（克隆）時，每分裂一次，可以產生兩個子代細胞，每個又可以再制造兩個子代細胞，一直這樣下去。這種繁殖方式，整個種種群的數量會呈指數擴張。但是當有性生殖的細胞，制造了兩個子代細胞后，這兩個細胞必須先結合形成一個新的細胞，才能夠再去分裂成兩顆子代細胞。因此，無性生殖的種種群，每一代的數量都會增加一倍，但是有性生殖的種種群，卻跟原來一樣。此外，比起無性生殖只要自我復制即可，有性生殖還要先找到一個伴侶才行，這又添增了感情上（以及經濟上）的成本。對雄性生物而言，也有其他的成本：自我復制的話，就不需要那些具攻擊性、趾高氣揚的雄性特征，像是犄角、羽毛扇尾或是勢力范圍等等。同時，無性生殖不但可以避免像是愛滋病或是梅毒之類的可怕性病，也能夠阻擋那些在我們基因體里，塞滿垃圾的基因無賴，像是病毒跟「跳躍基因」等等。

真正的謎題在于，只有真核生物才有性生活。你或許會想，或許在某些情況下，有性生殖的優勢會超越無性生殖，然后在其他情況下則否。就某方面來說，確實如此。有些微生物可以靠無性生殖，復制個三十幾代，然后偶爾縱欲一下，而這通常發生在有生存壓力的情況下。但真核生物性生活普及的程度，卻遠遠超過這種合理范圍。很有可能真核生物的最后共祖，已經靠有性生殖繁殖，因此它所有的后代也就繼承了性生活。此外，雖然許多微生物，早已放棄常規的有性生殖，但是卻幾乎沒有哪一種生物，可以完全停止有性生殖而不滅絕的。完全放棄有性生殖的代價，看起來非常高。同樣的推測，也適用在早期的真核生物身上。那些不靠有性生殖繁殖的細胞（或者據推測，尚未「演化出」有性生殖的細胞），恐怕早就已經全部滅絕了。

在此，水平基因轉移又帶給我們新的問題，因為水平基因轉移跟有性生殖很像，都有基因重組，也都會產生「流動的染色體」。直到最近，細菌都一直被認為是靠殖株繁殖的最佳范例。它們的數目呈指數增加。如果完全沒有限制的話，每三十分鐘就繁殖一次的大腸菌，可以在三天以內，產生一個跟地球一樣重的超大種種群。除此之外，大腸菌還會做很多其他的事。它們會四處傳播自己的基因，也可以透過水平基因轉移，把新的基因插入自己的基因體中，同時拋棄不想要的基因。帶給你腸胃炎的細菌，可能有高達百分之三十的基因，跟你鼻子里面的「同種」細菌不一樣。因此，細菌不但保有無性生殖快速及簡單的優點，同時也享受著性生活的好處（流動的染色體）。但是細菌不會把兩個細胞融合在一起，它們也沒有兩種性別，因此，又可以避開許多有性生殖的缺點。看起來，它們似乎同時兼顧了兩個世界的優點。那么，為何最早的真核生物，在水平基因轉移之外，還要再發展出有性生殖呢？

根據數學種種群遺傳學的計算，生物學家奧托（Sarah P. Otto）跟巴頓（Nicholas H. Barton），提出了一個非關神圣的三位一體解釋，而且很明顯跟真核生物起源時的環境有關：當基因突變的機率很高、天擇的壓力很大，以及種種群中個體充滿變異時，有性生殖的優勢最明顯。

首先我們考慮突變機率。對于無性生殖的生物而言，突變機率變高時，輕微有害的突變，就更容易累積在種種群中；此外在遇到「選擇性剔除」時，種群的歧異度會漸漸消失。簡而言之，選擇干擾效應會增加。在早期內含子大入侵時，最早的真核生物必定有高突變率。雖然我們難以確知到底有多高，不過這可以用電腦模型來推估。我正跟波明安可夫斯基，以及博士班學生歐文（Jez Owen）一起研究這個問題。歐文原本的學術背景是物理學，但卻對生命起源相關的大哉問很有興趣。他正在發展一套電腦模型，來推估「有性生殖的優勢，何時會超過水平基因轉移？」。這里有第二個要考慮的因子，就是基因體大小。若是突變的機率維持不變（假設每一百億個DNA堿基，才會出現一個致命的突變好了），基因體的大小就不可能無限制擴充，而不因突變造成衰退。在這種條件下，基因體小于一百億個堿基的細胞，大致沒什么問題，但是基因體大于這個數字的細胞，則會死亡，因為它們全部都會碰到至少一次致命的突變。在真核生物剛出現時，獲得線粒體會讓這兩個問題更形惡化：這事件必定會增加基因體突變率，同時也會大幅將基因體尺寸，擴張到好幾個數量級以上。

有性生殖很可能是這個問題唯一的解決之道。原則上，水平基因轉移可以透過基因重組，避免「選擇干擾」效應。不過根據歐文的計算，這樣的效果有一定的限制。基因體愈大，水平基因轉移愈難撈到「正確的」基因。這是個很單純的數字問題。要確保一個基因體保有全部所需基因，而且全部都能正常運作，唯一的辦法，就是好好保存它們，而且定期系統性地重組全基因體。水平基因轉移辦不到這點。只有有性生殖，也就是貨真價實的「性」，才能夠重組全部的基因體。

那么天擇壓力的影響呢？這里，內含子可能又再次扮演了重要的角色。對現代生物來說，有利于有性生殖的傳統篩選條件，就是寄生蟲感染與變化萬千的環境。不過要讓有性生殖優于無性生殖，選擇壓力必須非常大才行。比如說，寄生蟲感染必須非常盛行，且嚴重削弱宿主健康。同樣的條件對早期的真核生物，也有一樣的影響。這些細胞必須好好應付內含子大入侵；而內含子，就是基因的寄生蟲。移動式內含子之所以成為有性生殖演化的推手，是因為只有全基因體規模的重組，才會增加種種群變異性：它會讓種群里形成一些「內含子插在有害位置上」的細胞，以及一些「插在較無害位置上」的細胞。接下來天擇會消滅最糟糕的細胞。水平基因轉移在這里所能造成的影響，只是零頭，而且也無法產生全基因體規模的系統性差異。有性生殖才能把干凈的基因放到某些細胞中；而把大量的突變（超過它們本來該有的），累積到另一些細胞中。英國生物學家瑞德利（Mark Ridley）在他的名著《孟德爾的魔鬼》中，用新約圣經中對「原罪」的看法來比喻有性生殖。他說：如同耶穌為了全人類的原罪而犧牲，有性生殖也可以把種種群中所有大小突變，累積集中到一只代罪羔羊身上，然后把它釘上十字架。

細胞之間的變異量，也跟內含子有關。細菌跟古菌通常都有環狀的染色體，而真核生物則有棒狀染色體。為什么會這樣呢？最簡單的答案就是，當內含子跳進跳出細胞基因體的時候，出了錯。如果當它們離開一節染色體時，沒有把缺口的兩端連起來，那染色體就會斷掉。環狀的染色體斷掉，就變成一條直線的染色體；如果斷開很多地方，那就變成好幾條直線染色體。因此，在真核生物演化早期，移動式的內含子在重組基因時發生錯誤，結果造成了數段棒狀染色體。

對于早期的真核生物來說，這一定讓它們在分裂的時候遇到大麻煩。不同細胞可能會有不同數量的染色體，每個染色體又都累積了不同的突變或缺失。當然它們也可能從線粒體那里獲得許多新的基因。復制時出錯，也可能就多做了一套染色體。在這種情況下，水平基因轉移根本無能為力應付。標準的細菌基因重組：也就是跟染色體對齊，然后把缺少的基因裝上去，這樣的過程，讓細菌傾向累積基因跟特征。但是只有有性生殖的過程，才能夠一邊累積有作用的基因，同時剔除壞掉的基因。這種透過有性生殖跟基因重組，來累積新基因的方式，讓早期真核生物的基因體，很快地增大。這種累積基因的方式，應該多多少少幫細胞解決了一些基因不穩定的問題；同時線粒體所帶來能量上的優勢，又讓真核生物不像細菌一樣，需要受到能量的限制。這些當然都只是猜測而已，但是我們可以透過電腦數學模型去計算可能性。

細胞分裂時，如何分開每條染色體？這問題的答案，很可能跟細菌用來分開大型質體的機器有關。質體，是一組可移動的基因「卡匣」，它會讓細菌表現某些特征，帶有像是抗藥性之類的基因。細菌分裂時，通常會用一種由微管組成的構造，把大型質體分開；這個構造，很像真核生物使用的紡錘體（spindle）。或許，早期的真核生物，就是征召了分離質體的小機器，用來分離它們那些亂七八糟的染色體。其實不只質體是這樣分離的，有一些細菌，甚至會用機動性比較高的紡錘體，來分開染色體，而不像一般細菌用細胞膜來分開染色體。或許，在對原核生物的世界做更深入的研究跟采樣后，我們對于真核生物在有絲分裂跟減數分裂時，拉開染色體機制的起源，會有更透徹的了解。

我們從沒看過帶有細胞壁的細菌融合過，但是有些古菌倒是真的會融合。丟掉細胞壁，對于細菌的融合來說，一定大有幫助；像是L型細菌，因為沒有細胞壁，所以確實很容易融合在一起。此外，因為現代真核生物，對于細胞融合，設下許多控制系統，這暗示了在古早以前，要阻止真核細胞祖先融合在一起，可能反而還比較困難。杰出的美國演化生物學家布萊克史東（Neil B. Blackstone）認為，細胞融合可能是被線粒體推動的。想想看線粒體所面臨的困境：身為內共生者，它們沒有辦法自由自在地離開宿主細胞，跑去感染其他細胞。所以，宿主細胞成功地生長，就等于它們在演化上的成功。如果宿主細胞，因為基因突變而裹足不前，變得發育不良，那線粒體也就慘了，因為它們也無法繁殖。但是，如果它們有辦法引發宿主跟另一顆細胞融合呢？這就會成為雙贏的局面。如此一來，宿主細胞就可以取得另一套互補的基因體，就可以重組基因；或者很簡單地使用另一套基因體上的干凈基因，把自己一模一樣，但突變掉的壞基因遮蔽起來。這就是遠親繁殖（outbreeding）的好處。因為細胞融合讓宿主細胞可以重新生長，線粒體也因此可以開始自我繁殖，因此早期的線粒體，甚至有可能會煽動有性生殖。不過呢，這個策略或許可以解決眼下的問題，但是很諷刺的，也會帶來另一個更普遍的問題，那就是不同線粒體之間的競爭。而解決這個爭端的辦法，或許就是有性生殖的另一個特征：也就是兩種性別的演化出現了。

兩種性別

「凡是研究有性生殖、又實事求是的生物學家，都不會浪費時間去鉆研諸如：『如果生物有三個或多個性別的話，會有什么后果？』這類的問題。但是如果不這樣做，那他又要如何才能了解，為何生物的性別碰巧就只有兩種呢？」這是演化遺傳學教父費雪（Ronald A. Fisher），說過的一句話。而這個問題，至今仍未能解決。

其實從理論上來講，兩種性別應該是最糟糕的組合了。想想看，如果世界上只有一種性別，那我們就可以跟任何人配對。我們選擇伴侶成功的機會，就增加了一倍，如此一來，萬事都將簡單多了。而如果我們真的需要超過一種性別的話，那么不管三種還是四種性別，應該都比兩種要好。假設只能跟不同性別的人配對，那前兩者至少可以跟種種群中三分之二或是四分之三的人配對，而不會被局限在只能跟一半的人配對。當然，配對還是要有兩個人，但是，其實并沒有什么明顯的理由，規定另一個伴侶不能是同性的、多種性別的，甚或是雌雄同體的。說到雌雄同體，這種生物在執行上面所遇到的困難，或許點出了一部分問題，那就是雌雄同體的生物，任何一方都不愿意承擔做「雌性」的代價。像扁蟲，在交配的時候，會使盡全力讓自己不被受精。它們會用陰莖做近距離肉搏戰。勝者的精子，灑在敗者撕裂的傷口上。這是活生生的大自然，但是作為論證的話，則是一個套套邏輯，因為它把雌性有比較高的生物代價這件事，視為理所當然。可是為何會如此呢？生物學上，雌性跟雄性的差別到底在哪里呢？其實這兩者的差異極大，但是跟缺X或Y染色體，甚或是卵子跟精子，都一點關系也沒有。即使是單細胞真核生物，也有兩種性別（或至少兩種交配型），像是某些藻類跟真菌。它們雌雄的配子非常的小，外觀上看起來也幾無差異，但其實它們差異之大，就像你我是不同人一樣。

兩種性別差異最大的地方之一，在于線粒體的繼承。兩種性別中，只有一種會把線粒體傳給下一代，另一種則不會，不管是人類，還是單胞藻（Chlamydomonas）都一樣。我們所有的線粒體都來自母親，每一個卵子里面，都有約十萬個線粒體。即使單胞藻所產生兩種配子，長得幾乎一模一樣（我們稱為同型配子，isogamete），也只有一個可以把線粒體傳下去；另一個只能屈辱地讓自己的線粒體，在細胞內被吃光光。正確地來說，其實是線粒體的DNA會被吃光，因此問題似乎來自線粒體的基因，而不是它的外表結構。所以現在情況變得很特別。如前所述，線粒體似乎會煽動有性生殖，但是結果卻不是讓自己在細胞間散布，反而是讓一半的線粒體被吃掉。為什么會這樣呢？

最有可能的解釋，就是因為自私的線粒體彼此發生沖突。在基因完全一樣的細胞之間，沒有競爭可言。這就是為何我們身體的細胞可以如此溫馴，它們可以緊密合作，建造我們的身體。每個人的細胞，基因組成都一模一樣，所以可以稱為一團巨大的克隆（clone）。基因不同的細胞，就會彼此互相競爭，所以突變的細胞（基因改變了）就會變成癌細胞；線粒體也是一樣，基因不同的線粒體，如果混在同一顆細胞里面的話，就會產生競爭。不管是細胞或是線粒體，繁殖最快的會占優勢，即使后果是造成宿主的死亡，它們也不管；這就像是線粒體的癌癥。會這樣發展，是因為細胞都是各憑本事自我復制的個體，而如果可以的話，它們隨時都想生長跟分裂。法國的諾貝爾獎得主賈柯（François Jacob）曾說過：每一個細胞的夢想，都是變成兩顆細胞。讓人驚訝的，并不是它們隨時都在分裂，而是它們竟然可以被限制這么久，久到足夠形成人體。所以，把兩群不同的線粒體混在同一個細胞里，根本是自找麻煩。

幾十年以前，就有人提出這樣的假設了，其中還不乏許多最偉大的演化生物學家，像是漢米爾頓（William D. Hamilton），也支持這樣的論點。但是這個論點也遭到許多挑戰。首先，在某些例外中，線粒體確實會被混在一起，而結果并非總是以悲劇收場。再者，還有實際上的問題。假設有一個線粒體發生突變，獲得了生長上的優勢，這個突變者就會長得比其他線粒體都快。后果呢？要嘛這個突變是致命的，那線粒體就會帶著宿主細胞一起死亡，要嘛不那么致命，這個突變者就會散布到全種種群。如果想要從基因上面，去阻止這個突變線粒體的傳播（比如細胞核里的基因發生改變，可以阻止線粒體混合），那這種改變最好早點出現，才能在突變線粒體散布時阻止它們。如果碰巧所需的基因沒有即時出現，那就慘了。一旦突變者已經在種群中散布到穩固的地步，那不管做什么都來不及了。但是演化是盲目而且沒有先見之明的，它無法預見下一次線粒體突變，何時會出現。此外還有第三點，讓我懷疑或許快速生長的線粒體，并沒有那么糟。線粒體所保存的基因，實在是少之又少，為何會如此呢？我們有許許多多的解釋，其中之一，就是為了要讓線粒體可以快速生長。這意思也就是說，在歷史上，應該已經出現過好幾次突變，加速線粒體復制的速度。但是它們并沒有在有性生殖的演化中被剔除。

因為這些原因，所以我在上一本書中，提出了一些新的論點：或許真正的原因，在于線粒體基因，必須要適應細胞核的基因。在下一章中，我會談的比較詳細；在這里，我們只要先記住一點就好：要讓呼吸作用運作順暢，線粒體里的基因跟細胞核里的基因，必須密切合作。這兩個基因體，任何一個發生突變的話，都會影響到細胞的適應性。所以我認為，線粒體的單親遺傳，也就是說只有一種性別可以把線粒體傳下去的原因，就是為了要改善這兩個基因體之間的「互相適應」（coadaptation）。雖然我覺得這個假設非常合理，不過如果沒有優秀的數學家哈吉瓦西露參與的話，這故事可能就會停在這里。哈吉瓦西露是我跟波明安可夫斯基共同指導的博士班學生，除了對數學以外，她對生物學也愈來愈感興趣。

哈吉瓦西露的研究指出，單親遺傳確實可以讓線粒體與細胞核兩個基因體，互相適應得更好。原理其實很簡單，跟抽樣的效應有關，而最終的結果則是增加種群里的變異性。我來說明一下：假設我們有一個細胞，里面有一百個線粒體，每個線粒體的基因都不太一樣。現在從里面抽樣出一個線粒體，把它送進另一個空白的細胞里面，讓它自我復制一百次。現在這個新的細胞里，有一百個線粒體，除了少數的突變以外，其他的都一模一樣。這些線粒體都是所謂的「克隆」。現在重復這制個步驟，直到把一百個線粒體，都分別送進一百個新細胞為止。現在這一百個新細胞里，都有不同的線粒體，有一些很優秀，有一些很糟，這樣就增加了細胞之間的歧異度（variance）。反過來講，如果我們只是把原來的細胞復制一百次，那結果就是，每一個子細胞，都跟母細胞有一樣的混合線粒體。在天擇的眼中，這些細胞根本一模一樣，看不出有什么差異。但是借著抽樣跟克隆，我們卻可以產生一群不同的細胞，其中有些比母細胞好，有些比較差。

這個例子當然比較極端，不過卻很能顯示單親遺傳的特色。單親遺傳只會從雙親其中之一，抽樣出一些線粒體，放入受精卵中，這樣就可以增加線粒體的多樣性。天擇可以辨識出這樣的差異，然后剔除比較不適合的細胞，留下適合的細胞。如此一來，種群的適應性才能夠一代又一代改進。有趣的是，這種機制的原理與好處，跟有性生殖本身一模一樣，只不過有性生殖增加的是核基因的歧異度，而兩種性別，則可以增加不同細胞間線粒體的歧異度。就是這么簡單。至少我們本來是這樣覺得。

到目前為止，我們的研究，還是直接去比對，在「有」跟「沒有」單親遺傳的情況下，適應性的差別。我們還沒有考慮過，在一個原本是雙親遺傳（也就是兩個配子都會把線粒體傳給下一代）的種群中，如果出現了一個造成單親遺傳的基因時，會怎么樣？這個基因，會傳播開來到穩固的地步嗎？如果會的話，那么我們就會演化出兩種性別；其中一種性別，會把線粒體傳給下一代，而另一種性別的線粒體，則會被殺死。為此，我們發展了一套的數學模型，去驗證這個可能性。我們比較了根據互相適應假設、根據自私線粒體沖突假設，以及單純地累積突變線粒體等三種假設中，這個基因傳播的效果。結果頗讓我們驚訝，至少一開始結果相當讓人失望。單親遺傳的基因，不太會在種群里傳播開來，更不可能達到穩固的地步。

問題在于，維持種群適應性所要付出的代價，跟突變線粒體的數目有關。愈多線粒體突變的話，代價就愈高。但是反過來說，單親遺傳的好處，也跟突變線粒體的數量有關，但是趨勢相反：突變線粒體愈少，就愈顯不出好處。換句話說，單親遺傳的好處與成本，并非固定，而是隨著種種群中突變線粒體的數量而改變，同時只消經過幾輪單親遺傳，好處就會被抵消。我們發現雖然在三個模型里面，單親遺傳都會增加整個種群的適應性，但是隨著單親遺傳的基因在種群里散布開來，它的好處卻漸漸降低，直到被缺點抵消為止。最主要的缺點，就是單親遺傳的細胞，在種群里面能配對的對象比較少。當單親遺傳的細胞在種群中，只增加到百分之二十左右時，優缺點就會達到平衡。線粒體突變的速率變高的話，可以把這個比例往上推到百分之五十左右，但是種群中另一半細胞，仍然可以繼續彼此配對。要說有什么影響的話，那就是會演化出三種性別。總之，光靠線粒體遺傳，無法讓生物演化出兩種交配型。所以雖然單親遺傳可以增加配子之間的歧異度，改善種群適應性，但是光靠它帶來的好處，并不足以推動種種群演化出兩種交配型。因為這等于是直接否定了我自己的假設，實在讓人難以接受。所以后來我們又繼續嘗試了各種想得到的條件，想要證明假設的正確性。但是最終我卻不得不承認，不管在哪一種情況下，單親遺傳的突變，都無法促使生物演化出兩種交配型。交配型一定是因為別的原因而演化出來的。不論如何，單親遺傳確實普遍存在于生物界。或許正是因為我們的模型有錯，所以無法解釋它為何出現。事實上，我們發現，如果生物的兩種交配型，事先已經存在的話，那么在某些條件下，單親遺傳的基因就會在種群中穩固下來。這些條件就是：細胞有大量的線粒體，而線粒體基因的突變速率很高。這樣的結論似乎無可辯駁，而且這個解釋也跟大自然中「非單親遺傳」的例外生物吻合，同時關于為何幾乎所有多細胞生物（包括像我們這樣的動物），線粒體都是靠單親遺傳這種現象，也說得通，因為這些生物正好都帶有大量線粒體，又有高突變速率。

這是一個很好的例子，讓我們了解，數學種群遺傳學的重要性：任何科學假設，不論是用什么方法，都必須受到檢驗。在我們剛剛舉的例子里，根據嚴格的模型計算后清楚地顯示，除非種群里面已經先有兩種交配型存在，否則單親遺傳將無法穩固地在種群中立足。這應該是我們所能得到最嚴謹的證明了。不過我們也不是全盤皆輸。關于「交配型」跟「真正性別」（也就是雌性與雄性個體長相完全不同）兩者之間的差異，一直讓人摸不著頭緒。許多植物跟藻類，也同時有交配型跟兩性。或許，我們對于「性別」的定義有誤；或許應該考慮的，是「真正性別」的演化，而不是兩種外形一模一樣的「交配型」的演化。單親遺傳，是促成動物與植物出現「真正性別」的演化推手嗎？如果是這樣的話，那就算交配型的出現，是基于其他原因，但是線粒體遺傳，仍有可能推動「真正性別」的演化。老實說，這個想法聽起來很薄弱，不過仍值得檢視一番。這整個推理過程并沒有帶給我們一個很有啟發性的答案。這正是因為我們并不是從比較一般的前提開始研究。我們應該先假設單親遺傳是個普遍存在的現象。相反的，我們卻從先前研究中，令人失望的結論開始推論。

不朽的生殖細胞，難免一死的肉體

動物有非常非常多的線粒體，我們日夜不停地使用它們所提供的能量，來支持激烈的生活方式，這也導致我們的線粒體有極高的突變率，對嗎？其實，對也不對。我們每一個細胞，都有數百到數千個線粒體。我們并不確知它們的突變速率（要直接測量，可是非常困難的事）；但是我們知道，在經過很多代之后，我們線粒體的基因演變的速率，要比細胞核里的基因，快了十到五十倍。這結果顯示了，單親遺傳在動物身上，應該很快就會達到穩固的程度。根據我們的模型計算，單親遺傳在多細胞生物中，比在單細胞生物種種群中，要快穩固下來。這些都不讓人意外。

但是若只思考到我們自己，我們很容易被誤導。最早出現的動物，其實應該跟我們不一樣：它們應該比較像海綿或是珊瑚，多半固著在一個定點，靠著濾食過活，而不會四處移動；至少，在它們成蟲的型態時不會。這樣一來，它們沒有太多線粒體，也就不讓人驚訝。它們線粒體的突變速率也很低，甚至，只會跟細胞核基因的突變速率一樣或更低而已。這些前提，就是另一個天才洋溢的博士班學生拉德齊維拉維修的研究起點。他原本也專攻物理，現在卻被生物學界的大哉問所吸引。他認為，過去最有趣的問題是物理，現在則是生物。

拉德齊維拉維修認為，多細胞生物體內的細胞分裂，其實跟單親遺傳有相同的效果，它們都會增加細胞之間的歧異度。怎么說呢？是這樣的：細胞每分裂一輪，就會隨機把線粒體分配給兩個子細胞。如果這些線粒體里面有少數突變了，那要完全平均分配突變線粒體的機率，微乎其微。比較實際的情況，應該是其中一顆子細胞，會得到比較多的突變線粒體。這樣多幾輪細胞分裂之后，細胞之間的差異就會增大。某幾顆曾曾曾孫細胞，會比其他細胞累積較多的突變線粒體。至于這件事情是好是壞，則要看是哪一顆細胞收到了壞掉的線粒體，還有收到了多少個。

以海綿這種動物為例，它們全身每個細胞都很相似，并沒有像大腦或是小腸這類非常特化的組織。如果你把一只活生生的海綿切成小塊（可別在家里嘗試呦），它們可以從這些碎片中自我再生。海綿有這樣的能力，是因為它們的干細胞幾乎到處都是。這些干細胞，可以發育成新的生殖細胞（germ cell）跟體細胞（somatic cell）。從這個角度來看，海綿跟植物無異。他們兩者都不會在發育之初，就先把特化的生殖細胞藏匿起來。相反地，它們會使用散布在許多組織中的干細胞，分化成為配子細胞。這兩種發育方式的差異非常關鍵。我們人類在胚胎發育之初，就已經預留了一部分細胞當作生殖細胞之用。一般來說，哺乳類動物肝臟中的干細胞，絕對不可能分化成生殖細胞。但是海綿、珊瑚以及植物卻不一樣，它們可以從許多地方長出新的生殖器官，然后制造新的配子細胞。許多科學家試圖去解釋這種差異，不過都是從細胞之間的競爭關系出發去思考。拉德齊維拉維修卻發現，這些生物都有一個共同點，那就是它們細胞里的線粒體數量都很少，同時突變速率也很低。假使有線粒體突變了，通常也可以借著細胞分裂（segregation）把它們剔除。它的運作過程如下。

還記得剛剛說過，細胞分裂數次之后，會漸漸增加種種群的歧異度嗎？同樣的原則也適用于生殖細胞身上。如果生殖細胞在胚胎發育之初，就被藏匿起來，那么它們彼此之間的差異不會太大，因為只有僅僅數次細胞分裂，并不會增加太多歧異度。但是如果從成體的組織中，隨機選擇細胞來做生殖細胞的話，那么它們之間的差異就會大很多。因為細胞分裂的次數多了，其中某些生殖細胞，就會累積比其他細胞更多一點突變，它們之間的差異會很大；有一些細胞可能趨近完美，有一些細胞可能一片混亂。這正是天擇作用所需要的：它可以消滅所有不好的細胞，讓完美的細胞存活下來。這樣一代又一代之后，生殖細胞的品質會愈來愈好。所以從成體組織里面選擇生殖細胞的策略，要比一開始就把它們藏起來、讓它們凍起來的策略要好。所以，增加歧異度對生殖細胞來說是有利的，但是，這樣卻有害于成體的健康。因為壞的生殖細胞會被天擇消滅，留下好的去播種。但是，壞的干細胞呢？壞的干細胞則會發育成有缺陷的組織，結果無法應付個體所需。要知道生物個體的適應性，相關連于器官的適應性。舉例來說，如果我得了致命的心臟病，那腎臟功能的好壞，就變得無關緊要了；因為全身健康的器官，都會隨著我的死亡而死亡。因此，增加線粒體的歧異度，有好處也有壞處。為生殖細胞帶來的好處，可能會被為全身帶來的壞處抵消。抵消的程度，端視組織的數量，還有突變速率而定。

一個生物的成體有愈多組織的話，就愈有可能在某些關鍵組織里，累積到最壞的線粒體。相反的，如果這生物只有一種組織，那問題就不存在，因為這樣生物的組織之間就沒有依賴性：不會有哪個關鍵器官的衰竭，危及到整個個體的生存。因此，對那些只有一種組織的簡單生物來說，增加歧異度只有好處：它對生殖細胞有好處，同時對個體又沒有特別的壞處。我們因此可以預測，最早的生物，因為多半只有很少不同的組織，同時線粒體的突變率也低（假設如此），所以線粒體應該靠雙親遺傳，生殖細胞也沒有被特別隔離開來。但是當早期的生物漸漸變得復雜，各種組織分化出來之后，全身細胞的歧異度也就增加了。因為好壞都可能有，對成體整體的適應性來說，就變成一場大災難，如同剛剛舉心臟病那樣的例子。為了要能增加整體的適應性，個體線粒體的變異性必須減少，以確保所有新生的組織都擁有相似，且大部分都是運作良好的線粒體。

要降低成體組織變異性最簡單的辦法，就是從一開始就讓卵子里面有比較多的線粒體。根據統計原理，如果創始種群的體積龐大，被分割給好幾個接受者時，每個接受者所分到的差異就會比較小；而如果創始種群很小，靠不斷自我復制然后再分配一樣數目給接受者時，每個接受者所分到的差異，就會很大。結果就是，增加卵細胞的體積，放入愈多的線粒體，會愈有好處。根據我們的計算，負責讓卵細胞變大的基因，會在簡單的多細胞生物種群里面快速散播，因為它可以降低成體組織之間的歧異度，解決任何組織功能上可能出現的災難。但是就另一方面來說，低歧異度對于配子沒有好處，因為這樣彼此之間就大同小異，在天擇作用下的「能見度」也比較低。生物要如何協調這兩種完全相反的傾向呢？很簡單，只需要兩個配子其中之一，也就是卵細胞增大體積，而另一個縮小體積變成精子，就可以一次解決所有問題。大體積的卵細胞，降低了組織之間的差異性，因而可以增加個體整體的適應性。而把線粒體從小體積的精子里面排除，就達成了單親遺傳，其結果就是雙親只有一方能夠把線粒體傳下去。我們之前已經解釋過，線粒體的單親遺傳可以增加不同配子之間的差異，因此可以提高它們的適應性。換句話說，有超過一個組織以上的生物，就會傾向發展出異配結合（外形不同的配子，像精子跟卵子）與單親遺傳兩種特征。

我要再強調一次，前面所講的這些現象，前提都是線粒體的突變率很低。雖然對于海綿、珊瑚跟植物來說，這個前提是真的，但是對于比較「高等的」動物來說，卻不是如此。如果線粒體突變率增高，又會發生什么事呢？延遲制造生殖細胞所帶來的好處，就消失了。根據我們的模型顯示，這時候線粒體突變會快速累積，結果最后配子里面就塞滿了各種突變線粒體。如同遺傳學家克勞（James F. Crow）說的，「對整個種群的健康造成最大傷害的突變，莫過于來自還有繁殖力的老男人」。幸好我們有單親遺傳，結果讓男人的線粒體完全不會傳給下一代。在突變速率很快的情況下，我們發現能把生殖細胞隔離起來的基因，會很快地在種群中散播開來：在發育早期就將生殖細胞隔離開來，讓卵子的時間凍結，有助于降低線粒體累積的突變。任何可以降低生殖細胞突變的適應行為，應該也會深受天擇青睞。事實上，我的同事艾倫就發現，雌性動物生殖細胞里面的線粒體，根本像是被關掉了一樣。當卵巢在胚胎時期發育的時候，就已經把線粒體藏在初級卵細胞（primordial egg cell）里面，連同細胞一起被隔離開來。艾倫一直主張，卵細胞里面的線粒體，就是遺傳「模板」，所以才會被保存在不活化的狀態下，這樣突變率比較低。根據我們的模型，這個看法，相當吻合現代生活步調快速的動物，因為它們有大量的線粒體以及高突變率。但是對于生活步調比較緩慢的祖先，或是其他生物像是植物、藻類以及原生生物來說，就不是這么一回事了。

所有這些發現的意義是什么呢？這些發現的意義就是，光是線粒體的歧異度一件事，就足以解釋在多細胞生物身上出現的異配結合（精細胞跟卵細胞）、單親遺傳，以及隔離的生殖細胞（雌性生殖細胞會在發育早期，就被隔離起來）等特征的演化問題，而它們正是雌雄兩性生物，在性別上差異最大的地方。換句話說，線粒體的遺傳問題，造成了生物兩種性別實質上最大的差異。不同細胞的線粒體之間自私的沖突，當然也有一些影響，不過這影響可有可無：生物之所以演化出生殖細胞／體細胞兩種截然不同的細胞，并不需要考慮到線粒體的自私沖突，也可以解釋。更重要的是，根據模型所推算出來的演化順序，并不是我一開始所預估的。我原本猜測，線粒體單親遺傳，應該是最遠古的特征；之后才演化出隔離的生殖細胞；最后精子細胞與卵子細胞，才伴隨著「真正性別」一起演化出來。但是，我們的模型卻顯示，最早祖先的線粒體原本是靠雙親遺傳，之后出現了異配結合（精細胞與卵細胞出現），然后才有了單親遺傳，最后才有隔離的生殖細胞。這個真的是正確的演化順序嗎？其實不管哪一個，我們手上的資訊都少得可憐。但是這是非常明確，而且可以被驗證的預測，我們很想去檢驗一下。首先可以先檢視的生物是海綿跟珊瑚。它們都有精子跟卵子，但是并沒有被隔離開來的生殖細胞。如果我們特別篩選出線粒體突變速率高的個體，那它們會開始隔離生殖細胞嗎？

讓我們總結，以及一些引申推測。為什么線粒體的突變率會變高呢？當生物變得比較活躍，它的細胞跟蛋白質的生命周期，也會跟著加速，這時就可能有影響。發生在寒武紀大爆發前夕的海洋氧化事件，有利于演化出活躍的兩側對稱動物，它們的高機動性，就可能造成線粒體的突變速率加快（這可以透過譜系發生學的測量來比較）。這樣一來，會迫使這些動物隔離出一些細胞，作為生殖細胞之用。這就是「不朽的生殖細胞」，與「難免一死的體細胞」，在演化上的分歧點，同時也是死亡的起源：生物從此演化出注定死亡的命運。生殖細胞不朽的意義，在于這些細胞可以永遠無限制的分裂下去，它們永遠也不會老死。每一代生物在發育之初，就會先預藏一部分生殖細胞，隔離起來作為下一代的種子。個別的配子細胞有可能受損，但是每一代的個體，都是以稚齡嬰兒的型態誕生出來，在意義上，等于生殖細胞一直維持了永生不朽的潛力，就像海綿那類生物，可以從一小塊組織中，重新發育出個體。一旦這些特化的生殖細胞被藏起來后，身體的其他部分，就可以為了其他特殊用途而特化；它們的發育，將不再因為要在組織中保存干細胞，而受到限制。結果就會出現永遠無法自我再生的組織，像大腦，它們就是可丟棄的體細胞。這些組織都有使用年限，可以用多久，端視這個生物需要多少時間產生下一代。這又要看生物需要多快才能達到性成熟，也就是發育速度，以及原本所預期的生命周期。這樣一來，在性與死亡之間，就產生了平衡，這也是老化的起源。在下一章，我們會再談得詳細一點。

在這一章里面，我們探索了線粒體對于真核生物的影響，其中有一些影響至為深遠。還記得本書最重要的問題嗎？為何所有的真核生物，都演化出一系列從未在細菌跟古菌身上見過的共同特征呢？在上一章中，我們介紹了原核生物如何受限于它們的結構，特別是缺少用來控制呼吸作用的基因。獲得線粒體這件事，徹底改變了真核生物的演化世界，讓它們的體積跟基因體大小，都可以擴張四到五個數量級。扣下這次事件扳機的，是兩個原核生物之間的內共生作用；這件事情罕見至極，影響至為深遠，但是又可以預測。影響深遠的原因，是因為缺少細胞核保護的細胞，從此成為DNA以及基因寄生蟲（內含子），一連串攻擊的目標，這些都是內共生者帶進來的。可預測的原因，是因為宿主細胞每一階段的反應：從細胞核的演化、有性生殖、兩種性別，以及生殖細胞的演化，都可以透過傳統的演化遺傳學理解，雖然，切入的角度并不傳統。在這一章中所提出的某些論點，或許之后會被證明是錯誤的，一如我對于兩性演化的假設。不過在這個例子中，當我們對兩性的演化，有了更深入的了解之后，才發現它背后的意義，遠比我當初想像的要豐富得多，它其實與生殖細胞／體細胞的分化有關，因此也是性與死亡演化的源頭。透過邏輯思考以及嚴謹的模型，去了解生命演化，既美妙又有可預測性。生命在其他地方，應該也是遵循著類似的腳步演化，由簡而繁。

這個版本的生命史，整整四十億年的歷史，把線粒體放在真核生物演化的核心位置。最近幾年，醫學研究也漸漸提出相同的觀點：我們現在知道，線粒體是控制細胞死亡（細胞凋亡）、癌癥、退化性疾病、生殖，還有控制許許多多其他方面的機器。我這種把線粒體放在生理學核心的主張，可能會讓許多醫學研究者不滿，他們大概會覺得，這種看法缺少全面而平衡的視野。隨便把任何一顆人類細胞放在顯微鏡下，你都可以看到一群忙碌的小工廠，而線粒體誠然重要，也只是其中之一而已。但是演化不是這樣看事情的。對于演化而言，線粒體的地位就是復雜生命的起源。所有真核生物的特征，也就是說所有的細胞生理學，都源自于這一對細胞伴侶之間持續不斷的拔河。這場拔河直到今日還繼續著。在本書的最后，我們要來看看，這對細胞伴侶之間的互動，如何鞏固我們的健康、繁殖力，以及長壽。

2024-07-06 16:50:14