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「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
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