第四章 複雜細胞——命運的邂逅

沒什麽東西比細菌更保守了，主宰地球30億年，自始至終都是細菌；也沒什麽東西比真核細胞更激進了，引發了寒武紀大爆發，物種開始肆意創造。從細菌進化為真核細胞，似乎不像達爾文所說的漸進式，而更像一場命運邂逅引發的突變。

“植物學家就是賦予相似的植物以相似的名稱，不同的植物以相異的名稱。這樣對眾人來說，事物就顯得清楚明了。”這是偉大的瑞典分類學者卡爾·林奈的評論，而他本人正是一位植物學家。或許我們現在會為這微不足道的抱負感到驚訝，但是林奈正是通過將生命世界依據其物種分類，為現代生物學奠定了基礎。他必定對自己的成就十分自豪，“上帝創造萬物，林奈整理萬物。”他總是如此說。而他必定認為，現在的科學家應該繼續使用他的分類係統，將所有生物分成界、門、綱、目、科、屬、種。

這種將萬物分類，從混沌中理出秩序的欲望，讓我們周圍的世界變得有意義，同時也為許多學科打下根基。沒有元素周期表，化學將不知所雲；沒有宙代紀世，地質學也將無以為繼。但是生物學和它們存在巨大差異，因為隻有在生物學裏，分類學仍然是主流的研究領域。那株“生命樹”，也就是那幅標示所有生物彼此關係的圖譜該如何繪製，至今仍是平常謙恭的科學家彼此爭執與敵視的源頭。加拿大的分子生物學家福特·多利特，是最彬彬有禮的科學家之一，他有一篇文章的標題忠實地傳達了這種情緒——《帶一把斧頭走向生命樹》。

他們並不是在斤斤計較一些細枝末節，而是在計較區別所有物種最重要的部分。我們大部分人都和林奈一樣，會直觀地將世界分成動物、植物與礦物，畢竟這些確實就是我們所能看到的。他們有什麽相同的地方呢？動物由複雜的神經係統指揮，四處巡弋，以植物或其他動物為食。植物以二氧化碳與水為原料，利用太陽能來製造自身所需之物，它們根係固定，也不需要大腦。至於礦物則完全就是非生物，雖然礦物的生長現象曾誤導了林奈——說來有點尷尬，這位植物學家也把它們分類了。

生物學就以此為基礎，分成動物學與植物學兩大分支，好長時間裏相安無事，互不幹涉。即使發現了微生物之後也很少動搖過。“微小動物”的變形蟲因會四處遊動被歸到動物界，並獲得原生動物之名(protozoa，原生動物，拉丁文意為“最原始的動物”)，而有顏色的藻類與細菌則被分到植物界。林奈如果泉下有知，一定十分高興地看到他的分類係統仍在使用，但也一定會目瞪口呆地發現自己竟被外表欺騙。現在我們發現動物與植物在分類上的差距其實並不大，然而細菌卻與其他複雜生物之間有一道巨大的鴻溝。如何橫跨這道鴻溝正是引起科學家爭執的原因：生命如何從原始的簡單形態，走向複雜的動物與植物？同樣的情況也會在宇宙他處發生，還是隻有我們如此？

為了讓這些不確定性不被那些主張“一切都是上帝的安排”的人所利用，我要說科學家其實並不缺少好主意。隻是得看證據，特別是如何詮釋這些證據，將它們與遙遠的時間連接起來，這段時間可能有20億年，第一個複雜細胞差不多在那時出現。而我們最大的問題是，為何複雜的生命在我們行星的生命史中隻出現過一次？毫無疑問，所有的動物與植物都有關聯，意味著我們擁有同一個祖先。複雜的生命形態並不是在不同的時間點由細菌分別進化出來——不是說植物由某株細菌進化出來，動物由另外某株進化出來，而藻類與真菌又由別的細菌進化出來。事實上，細菌隻有一次偶然的機會進化成複雜細胞，然後這一細胞的後裔分化出整個複雜生命王國：動物、植物、真菌與藻類。而這個最早的細胞，這個所有複雜生命的祖先，和細菌長得非常不同。讓我們在腦中想想這棵生命樹，細菌組成樹的根部，而各種複雜有機體家族組成上麵的枝葉，什麽組成樹幹呢？雖然我們認為單細胞生物比如說變形蟲，位於根與葉之間，但是事實上，它們很多方麵的複雜程度，都更接近於動物和植物。它們的準確位置是在比較低的樹枝上，但是仍然高於樹幹。

細菌與其他所有生物間的鴻溝，其實在於細胞的組織結構。至少從形態學的角度來看，也就是從細胞的大小、形狀與內容物等方麵來看，細菌都十分簡單。它們最常見的形狀有扁平、球狀和杆狀。這些形狀由一層圍繞在外的細胞壁支撐，裏麵則沒什麽東西，就算用電子顯微鏡來看也一樣。細菌將獨立生活的配備降至最低，如此無情地精簡都是為快速繁殖做準備。大部分的細菌都盡可能地保留生存所需的最少量基因，而當環境壓力變大時，它們會習慣性地從其他細菌那裏撿拾額外的基因，增加自己的基因庫，一旦不需要了就立刻丟棄。因為基因組很小，所以複製速度很快。有些細菌每20分鍾就可以複製一次，隻要原料充足就會看到它們以驚人的指數級速度增長。如果給予足夠的資源(當然這是不可能的)，一個重量隻有萬億分之一克的細菌，能在不到兩天的時間內長出重量等同於地球的龐大族群。

現在來看看複雜細胞，很高興它們有一個了不起的名字：真核細胞(eukaryote)。我希望它們有個更平易近人的名稱，它們實在太重要了。地球上幾乎所有有點名堂的東西都由真核細胞構成，我們談論過的所有複雜生命都是。這個名字源於希臘文，“真”(eu-)意指“真實的”，“核”(karyon)則是“細胞核”。因此真核細胞有真正的細胞核，這讓它們與細菌不同，細菌是原核細胞(prokaryote)，原核細胞並沒有核。就某方麵來講，原核生物的前綴“原”(pro-)這個字，其實帶有價值判斷的味道，因為等於宣稱原核細胞的出現早於真核細胞。雖然我認為這很有可能是真的，不過有少數科學家並不同意。不管細胞核是在何時進化出來的，它都是用來判斷真核細胞的最重要特征之一。然而如果我們不了解細胞核為何以及如何出現，還有為什麽細菌從來就沒有發展出細胞核，那就不可能解釋它們的進化過程。

細胞核是細胞的“指揮中心”，裏麵裝滿了DNA，也就是基因的物質基礎。除了核本身以外，真核細胞的遺傳物質還有幾個方麵與細菌不同。真核細胞並不像細菌一樣有一條環狀的染色體。它們的染色體形狀筆直，還有好幾條，而且經常成雙結對。基因本身的排列法也不一樣，細菌的基因連成一長串如同念珠一般，真核細胞的基因則常常被切分成好幾個片段，中間塞滿了許多段長長的非編碼DNA序列。不知為何，我們這些真核細胞的基因總是這樣“支離破碎”。最後，我們的基因並不像細菌那樣“**在外”，它們以奇妙的方式與蛋白質纏繞在一起，有點像現在禮品塑料包裝一樣，因此不易受到損害。

圖4.1　簡單的原核細胞如細菌(左)，與複雜的真核細胞(右)之間的差異。真核細胞內有許多“家具”，包含細胞核、細胞器和內膜係統。本圖並沒有依照真實比例繪製，真核細胞的體積平均來說是細菌的1萬~10萬倍。

除了細胞核之外，真核細胞和原核細胞也像來自完全不同的世界(見圖4.1)。真核細胞通常遠大於細菌，平均來說體積是細菌的1萬~10萬倍。再者它們裏麵塞滿了東西，有疊成堆的膜狀構造，有大量密封的囊泡，還有機動性極高的細胞骨架，可以用來維持細胞的結構，也可以隨時分解然後重新組裝，讓細胞可以改變形狀或移動。或許其中最重要的就屬細胞器了，這些微小的器官在細胞中各司其職，就好像身體裏的腎髒或肝髒也都各有任務。細胞器中最重要的當屬線粒體，又被稱為細胞的“發電廠”，因為它會產生ATP形式的能量。一個典型的真核細胞常帶有數百個線粒體，不過有一些細胞可攜帶多至10萬個。線粒體曾是獨立生活的細菌，它被細胞捕獲之後產生的影響將占本章的大量篇幅。

上麵講的都隻是外形的差異而已。真核細胞在行為上也一樣引人注目，而且和細菌大不相同。可以說除了少數的例外，幾乎所有的真核細胞都有**。首先它們會產生**和卵子之類的生殖細胞，再重新結合成一個細胞，其中一半的基因來自父親，一半的基因來自母親(有關內容會在下一章詳細討論)。所有的真核細胞在分裂的時候，染色體都像在跳一支迷人的加沃特舞曲，先兩兩配對，之後成對排列在微管組成的紡錘體上，然後各自往細胞的兩極退場，彎曲的樣子像在鞠躬致禮。關於真核細胞的怪異行為清單還可以一直列下去，不過在這裏我隻想提最後一個，那就是吞噬作用，也就是一個細胞把其他細胞吞到體內然後消化掉的能力。雖然有少數幾種生物已經遺忘了這種能力，比如真菌和植物細胞，但是這個特征似乎非常古老。舉例來說，雖然大部分的動物和植物細胞並不會四處巡回狼吞虎咽，但是當免疫細胞遇到細菌時，會用和變形蟲一樣的方式把細菌吃掉。

上述特征和所有的真核細胞都密切相關，不管是動物細胞、植物細胞或變形蟲。當然這些細胞彼此之間還是有些許差異，但這些差異和它們的共同點一比，就顯得微不足道。比如說，大部分的植物細胞都有進行光合作用的葉綠體。葉綠體和線粒體一樣，很久以前曾經是獨立生活的細菌(葉綠體過去曾經是藍細菌)，在偶然的機會下被所有植物和藻類的共祖完整地吞到肚裏。不知為何，這個共祖沒有辦法把藍細菌消化掉，結果這位消化不良的患者反而變成了隻需陽光、水和二氧化碳就可以自給自足的細胞。因為這一口，引發了一連串的事件，最後導致靜態的植物世界與動態的動物世界從此分道揚鑣。然而細看植物細胞，你會發現這隻不過是它與其他細胞成千上萬個共同點之外的少數差異之一。我們還可以再講幾個差異。植物和真菌後來在外麵建造了細胞壁，讓整體結構強化，有些細胞還有液泡等細胞器。然而所有這些真核細胞間的差異其實都無關緊要，和細菌與真核細胞之間的天壤之別一比，就顯得不足掛齒。

但是這個所謂的天壤之別說起來又十分作弄人，因為它亦真亦假。在我們討論的所有特征中，真核細胞和細菌之間還是有一些模糊地帶。有一些非常巨大的細菌，也有很多很小的真核細胞，它們的尺寸有重疊。細菌的細胞壁也有內部細胞骨架，而且組成骨架的纖維和真核細胞的非常相似，而且有時甚至也有機動性。也有一些細菌有棒狀(而非環狀)的染色體，有一些有類似細胞核的結構，有些內部有膜狀結構。有些細菌沒有細胞壁，或至少在某些階段沒有。有些細菌可以組成結構十分複雜的菌落，對於那些細菌的擁護者來說，這很有可能是多細胞生物的前身。甚至有一兩個例子指出，有的細菌體內含有另一個更小的細菌。這真是讓人費解，因為在現今已知的細菌中，沒有一種可以通過吞噬作用吃掉其他細胞。我個人認為，細菌曾經嚐試過往真核細胞的方向發展，但是因為某個不明原因，很快就停止了，最終它們無法繼續發展下去。

你當然可以認為，重疊和連續其實是同一件事，所以沒有什麽需要解釋的。如果在這條連續進化之路的一端是極度簡單的細菌，另一端是極度複雜的真核細胞，那就會有一連串的中間產物。就某方麵來說，沒錯，但我認為這種看法存在誤導的可能。確實，這兩條路有某種程度的重疊，但是這仍是兩條分開的路。其中一條屬於細菌，從“極度簡單”走到“有限複雜”然後就斷了。而另一條路屬於真核細胞，明顯成長了許多，從“有限複雜”到“嚇死人的複雜”。是的，這兩條路有些重疊，但是細菌從來沒有像真核細胞那樣走這麽遠，隻有真核細胞走了很遠很遠。

曆史清楚地顯示了這種差異。地球上出現生命的最初30億年間(從40億年前到10億年前)，細菌主宰一切。它們徹底改造了居住環境，但它們自身卻很少改變。細菌改變環境的幅度大到讓人咋舌，連現代人類都難以望其項背。比如說，所有空氣中的氧氣都由光合作用產生，這可全是在早期由藍細菌一手包辦的。大約在22億年前發生的“大氧化事件”，讓空氣與陽光照耀的海麵都充滿了氧氣，徹底且永久地改變了地球，但這些改變幾乎沒有影響到細菌。那次事件僅僅改變了生態係統，也就是讓好氧菌出頭而已。就算一種細菌變得比另一種更適宜生存，但它們還是徹頭徹尾的細菌。其他所有值得書寫的曆史事件也是一樣，比如細菌曾經讓海底充滿讓人窒息的硫化氫長達20億年之久，但它們本身還是細菌。又比如說細菌讓大氣中的甲烷氧化沉澱，導致全球降溫，最後造成第一次雪球地球事件，但是細菌還是細菌。在所有事件裏麵改變最大的，或許是由真核細胞所組成的多細胞生物造成的，那大概發生在6億多年前。真核細胞生物給細菌提供了一些新的生活方式，比如讓細菌可以通過在真核細胞生物間傳染生活。但盡管如此，細菌還是細菌。再也沒有什麽東西比細菌還要保守了。

從那以後，曆史由真核細胞來書寫。這是史上第一次開始發生一連串的新事件，而不再是恒久的了無新意。甚至有些時候事情發生得快得離譜。比如說寒武紀大爆發，就是一件典型的真核細胞事件。這是眾人等待的一刻，也是地質學上重要的一刻，持續了大約幾百萬年。史上第一次有大型動物實實在在地留下具體的化石記錄，而不再是試探性地露個臉，或隻是蟲子蠕行的痕跡。各種奇形怪蟲明目張膽公然亮相走秀，其中有些怪蟲出現得如此之快，卻又轉瞬消失。好像哪位發了失心瘋的創造者，有一天忽然醒來，決定立即開工，著手彌補以往流失的時光。

學界稱這種爆炸現象為“輻射”，就是一種特定形態的原型生物不知何故開始繁衍，短暫地進入一段毫無羈絆的進化時光。各種新式生物不斷以原型為圓心往各種方向進化，就好像自行車輪的輻條一般。寒武紀大爆發當然是最為知名的一次事件，但是還有很多其他的例子，比如生物登上陸地開始繁衍、開花植物的出現、草原的蔓延、哺乳動物的多樣性發展等，種類繁多，寫也寫不完。每當有前途的基因遇到環境中的機遇時，似乎必定會出現這種現象，就像每次大滅絕之後必定會出現複蘇時期。不論原因為何，這種壯觀的輻射現象，可是百分之百由真核生物造成的。每一次都隻有真核生物旺盛繁衍，而細菌自始至終都還是細菌。有時候不得不承認，我們極為重視，並試圖在宇宙其他角落尋找生命的特質——人類智慧與知覺，似乎不可能由細菌產生。至少在地球上，這些特質是真核生物獨有的。

這兩者的差異非常明顯，盡管細菌擁有種種讓我們真核生物汗顏的生物化學反應機製，但它們潛力完全局限在微小的外形中。它們幾乎不可能發展出隨處可見的奇跡，比如蜂鳥或木槿花之類的東西。而簡單細菌過渡為複雜真核細胞，恐怕也是我們星球上最為重要的轉變了。

達爾文並不太喜歡斷層。因為自然選擇的基本概念是一係列漸進的變化，一點一點改良個體。這也就是說，理論上我們應該可以找到更多的中間過渡形態。達爾文在他的《物種起源》裏麵提到了這個問題，根據他的定義，所有現在所見“進化終點”的生物都會比過去任何過渡階段的生物適應性更強。根據自然選擇，比較差勁的形態會輸給較佳的競爭者。顯然，翅膀發育良好的小鳥能順利飛翔，應該會比其他隻能勉強用笨拙“殘肢”的同類過得舒服。就好像新的計算機軟件會慢慢取代舊的版本。你還記得上次看到Windows 286或386係統(指微軟在1988年出的Windows 2.1係統軟件)是什麽時候嗎？這些係統軟件過去都是了不起的產品，就好像原型翅膀與其他同時代產物相比較一樣。然而隨著時間推移，舊的係統軟件漸漸消失退出曆史舞台，仿佛現在的軟件(就說Windows XP好了[1])出現之前是一大段空白。雖然我們都知道Windows係統隨著時間在改進，但是如果隻看正在使用的係統軟件，恐怕很難證明這點，除非偶爾在倉庫裏找到一些已經報廢了的老古董計算機。對於生命來說也是如此，如果我們想證明漸進進化是存在的，那一定要細細分析化石記錄，要細細分析那段改變發生時期的記錄。

化石記錄當然還有很多漏洞，但是已知的中間型化石遠多於那些宗教狂熱者願意承認的。在達爾文寫書的年代，人類和人猿之間確實有一段“缺失的環節”，那時候還沒有找到帶有中間型特征的人科化石。但是半個世紀過去了，人類考古學家已經找到很多化石，每一個特征都正如預測，剛好落在進化該有的位置上，不管是腦容量或步態。現在的數據不是不夠，而是多到讓人犯難。我們不知道在眾多化石中到底哪一個(如果在其中的話)才是人類的直係祖先，而哪一些又毫無理由地憑空消失了。因為我們尚未找到答案，所以一直會聽到有人大聲宣稱缺失的環節從來沒有被找到。這顯然嚴重違背了真理與事實。

不過身為一個生物化學家，對我來說，化石雖然漂亮卻容易讓人迷失。因為形成化石的過程罕見且充滿不確定性，同時無可避免地對那些軀體柔軟生物不利，比如水母，以及生活在旱地的動物與植物。理論上，化石不可能完整地保存過去。如果它們真的保存了所有的記錄，我們反而會覺得是場騙局。在偶然的機會下，萬一有化石真的保存了完整的曆史記錄，那科學家會高興得像挖到寶一樣，這可是需要一連串多如繁星的事件，奇跡似的彼此配合才能辦到。但是再高興，化石證據也隻是用來驗證自然選擇的證據之一。而其他重要的證據其實一直在我們手中，在這個遺傳學的時代，它們就存在於基因序列裏。

基因序列保存了比化石更多的關於自然選擇的證據。隨便挑一段基因來看，它的序列是一長串的字母，字母順序編碼了構成蛋白質的氨基酸序列。一個蛋白質通常由好幾百個氨基酸組成，其中每一個氨基酸都由DNA序列的三聯密碼編碼(請見第二章)。我們前麵說過，真核細胞的基因裏經常夾雜著大段大段的非編碼DNA序列，把可編碼的序列切割成許多小片段。兩者相加，一個基因序列會有好幾千個字母。生物都有好幾萬個基因，每個基因都這樣組成。整體來說，基因組是一長條寫滿了億萬個字母的緞帶，而這些字母的順序，可以告訴我們緞帶主人數不盡的進化故事。

從細菌到人類，都可以找到某些相同的基因編碼相同的蛋白質，它們做著相同的工作。在進化的漫長曆史中，基因序列如果發生有害突變，就會被自然選擇剔除。這會造成一種結果，就是讓相同基因的相同位置，盡量保持相同的字母。從實用的觀點來看，這讓我們可以辨識出不同生物體內的相關基因，盡管這些生物可能在不知道多久以前就分家了。不過根據經驗，一個基因的數千個字母裏麵往往隻有一小部分是真正的關鍵，其他部分則因為影響較小，允許有一定改動而不至於被剔除，隨著時間流逝，這些突變也會累積下來。時間越久累積越多，兩個基因序列間的差異就越大。剛從同一個共祖分家出來的兩個物種，比如說黑猩猩和人類，就有非常多的基因序列一模一樣。而共祖比較久遠的物種，比如說黃水仙和人類，相同的基因序列就相對較少。其實和語言的變遷很像，語言也會隨著時間與人類遷移而改變，慢慢地失去與共祖的相似性，但是在某些地方還是會不經意地流露出彼此曾有的關聯。

基因樹就是根據不同物種基因序列之間的差異來繪製的。雖然說基因突變的累積有一定程度的隨機性，不過在對比基因中數千個字母時，這種隨機性會被平均掉，最後可以得到親緣關係的統計概率。單單比對一個基因，我們就可以建立起所有真核生物的譜係樹，而且它的準確度是以前的化石獵人一輩子都不敢想象的。如果你對這個譜係樹有任何懷疑，那隻要再找第二個基因重複一次，看看結果是否相同就行了。所有真核生物共有的基因，沒有數千也有數百個，所以科學家可以一再重複同樣的比對，一次又一次把新算出來的譜係樹重疊在舊的上麵。借助現代計算機的威力，最後我們可以畫出一棵“一致的”譜係樹，顯示出所有真核生物之間最可能的親緣關係。該方法和研究化石斷層有很大的差異。它可以清楚地告訴我們，人類和植物、真菌、藻類等生物到底有多少差異(見圖4.2)。達爾文對於基因當然是一無所知，但是今天卻靠著基因，才能夠弭平達爾文世界觀中各種討人厭的斷層。

不過方法雖然好，卻也不是萬無一失。麻煩主要來自統計學度量久遠時光時出現的誤差問題。簡單來說因為DNA隻有四個字母，而突變(至少此處對我們來說有用的那種突變)會把原來的字母換成另一個字母。如果每個字母都隻突變一次，那就沒有問題，但不巧的是，在漫長的時光中，每個字母都會突變很多次。既然每次突變就像抽獎一樣，我們其實並不知道這個字母是被換了五次還是十次。如果基因中一個字母和共祖一樣，我們其實不會知道這個字母是從來就沒突變過，還是已經突變了很多次，而每次都有25%的機會換回原來的字母。因為這種比對分析法的基礎是統計概率問題，到了某個時間點我們將無法分辨出任何差異。更不巧的是，好像屋漏逢連夜雨，這個即將溺斃我們的統計不確定性模糊的時間點，差不多就是真核細胞出現的時刻。原核細胞過渡到真核細胞的關鍵時刻，就這樣被一波波基因的不確定浪潮所淹沒。唯一的解決之道，就是要用更細致的統計篩子，慎選比對所用的基因。

圖4.2　一棵典型的生命樹，顯示所有真核生物與原始共祖之間的差異與距離，這個共祖很可能是活在10億年前的真核單細胞生物。越長的樹枝代表著越長的進化距離，也就表示兩者之間的基因序列差異越大。

真核細胞體內的基因大致分為兩大類：一類和細菌一樣，另一類則歸真核細胞獨有，也就是在細菌世界中尚未發現類似的基因。[2]這些獨特的基因被我們稱為“真核標誌基因”，而它們的來源則是現在生物學家激烈爭執的源頭。有些人主張這些基因證明真核生物的曆史和細菌一樣古老到令人刮目相看。他們認為真核細胞之所以有這麽多獨特的基因，一定是因為它們早在盤古開天辟地以來就和細菌分家了。但是假設它們分異的速率不變(也就是說如果突變像一座分子時鍾一樣嘀嗒嘀嗒地以穩定的速率發生的話)，那麽根據現在這些基因差異的程度來看，我們應該相信真核細胞在50億年前就出現了，也就是比地球的出現還要早近4億年。借用英國擅長揭醜的諷刺雜誌《第三隻眼》所說的挖苦名言：其中必有錯誤吧。(“Shurely shome mishtake”，最初由該雜誌模仿醉酒的編輯所創造的句子，故意拚寫錯誤，原是“surely some mistake”意為“肯定有些錯誤”。)

其他人則認為，既然我們不可能知道基因過去進化得有多快，也沒理由相信基因分異的速率會像時鍾般穩定發生，那真核標誌基因根本無法告訴我們多少真核細胞進化來源的信息，況且我們確實也知道某些基因進化的速度快過其他基因。用分子時鍾去測量遙遠的過去得到如此奇怪的結果，意味著兩種可能：要麽生命是從外太空播種到地球上的(但對我來說這不過是個借口而已)，不然就是這個分子時鍾壞了。可是為什麽這個時鍾會錯得如此離譜呢？因為事實上，基因進化的速率受很多因素影響，不同生物的基因進化速率也不一樣。比如之前我們講過，細菌本身就非常保守，它們永遠都是細菌，但是真核細胞則傾向發生劇烈的改變，會造成如寒武紀大爆發之類的事件。不過從基因的觀點來看，大概沒有什麽事件會比形成真核細胞本身要更劇烈了，我們有理由相信真核細胞在早期進化的日子裏，基因改變的速度必定非常驚人。如果如大部分學者所想，真核細胞出現於細菌之後，那它們的基因應該與細菌差異很大，因為它們曾進化得非常快速，不斷地突變、結合、複製然後再突變。

那麽由於真核標誌基因發展得太快，快到把它們的源頭淹沒在遙遠的時間之霧裏，已經無法再告訴我們什麽。那麽另外一類基因呢？那些和細菌共有的基因呢？現在這些基因就顯得有用多了，我們可以比對它們的相似性。真核細胞和細菌共有的基因所負責的，往往都是細胞的核心程序，比如說核心代謝反應(產生能量的方式，或用來製造構成細胞的基本材料，如氨基酸和脂質等)，或者是核心信息處理方式(比如讀取DNA序列然後轉錄成有用蛋白質的方式)。這些核心程序進化的速度往往比較緩慢，太多東西都依賴它們。製造蛋白質程序的任何一點點改變就會改變所有的蛋白質，而不止是一兩個。同樣，稍微改變一點點產生能量的方式，就可能幹擾整個細胞的運作。因為篡改核心程序比較容易受到自然選擇的懲罰，所以這些基因進化緩慢，讓我們可以有機會細細分析進化的痕跡。利用這類基因建立的生命樹，理論上來說應該可以顯示出真核細胞與細菌之間的關聯。它們應該可以指出真核細胞來自哪些細菌，搞不好還可以告訴我們為什麽。

美國的微生物學家卡爾·烏斯在20世紀70年代末首先完成了這種生命樹。烏斯選擇了一個負責細胞核心信息處理的基因，具體來說，他選擇的是編碼核糖體的部分基因，而核糖體正是幫細胞合成蛋白質的細胞器。因為某種技術上的原因，烏斯並沒有直接比對這個基因，而是用了這個基因轉錄出來的RNA序列(叫作核糖體RNA或rRNA)，一被轉錄出來就會馬上嵌進核糖體。烏斯從許多細菌和真核細胞中把這些rRNA分離出來，判讀它們的序列，然後互相比對建立起一棵樹。實驗的結果非常驚人，直接挑戰了傳統學界對於生命分類方式的看法。

烏斯發現，我們地球上的所有生命可以大致分為三大類，或者稱為三域(見圖4.3)。如大家所預期的，第一大類就是細菌(屬於細菌域)，而第二大類是真核細胞(真核生物域)。但是剩下的第三大類，如今稱為古細菌的(屬於古菌域)，不知從哪裏冒出來登上世界舞台。雖然距離人類發現少量的古細菌已過去近一個世紀，但在烏斯提出他的生命樹模型之前，古細菌一直被認為隻是屬於細菌的一個小分支而已。但在烏斯看來，這些古細菌和真核細胞一樣重要，盡管在外形上它們看起來和細菌一模一樣。它們體積極小，通常外圍都有細胞壁，缺乏細胞核，細胞質裏麵也一樣乏善可陳。同時古細菌從來就不會聚集成結構複雜的菌落，你絕不可能把它們和多細胞生物搞混。對很多人來說，抬高古細菌的身價，等同於藐視我們所屬的生命世界，等於把植物、動物、真菌、藻類和原蟲等各式各樣的生物擠到無足輕重的角落去，而讓原核生物占據生命樹的大部分位置，如此重組世界未免太過魯莽。這等於烏斯要我們相信，動物和植物之間的種種明顯差異，相較於細菌與古細菌中間那道看不見的鴻溝，其實輕如鴻毛。該主張激怒了當時許多德高望重的生物學家，比如恩斯特·邁爾和琳恩·馬古利斯等人。多年後《科學》雜誌回顧了這場激烈交鋒，寫文評價烏斯是“微生物界的疤麵革命先鋒”。

圖4.3　由 rRNA 為基礎繪製的生命樹。烏斯根據它將生命分成三大域：細菌域、古菌域與真核細胞(真核生物域)。

如今風暴過去之後，大部分的科學家都漸漸接受了烏斯的生命樹，或者至少認可了古細菌的重要性。從生物化學的角度來看，不管在哪方麵古細菌和細菌都大相徑庭。首先，組成兩者細胞膜的脂質不同，而且是由兩套不同的酶係統製造的。古細菌的細胞壁成分和細菌的完全不一樣，體內的生物化學代謝過程也相去甚遠。另外我們在第二章曾說過，這兩種細菌控製DNA複製的基因也沒有太大的關聯。如今全基因組分析技術已如家常便飯，因此我們知道古細菌隻有不到三分之一的基因和細菌一樣，剩下的全都特立獨行。總結來說，烏斯碰巧用RNA建立的基因樹，凸顯了古細菌與細菌之間一係列的生物化學差異。盡管這些差異從外表來看是如此低調不引人注意，但所有證據加起來都支持烏斯大膽的分類主張。

烏斯的生命樹所帶來的第二個意料之外的發現，則是真核生物與古細菌之間的密切關聯。它們兩者有相同的祖先，和細菌關係較遠(見圖4.3)。換句話說，古細菌與真核細胞本來有一個共祖，且很早以前就和細菌分家了，之後才各自形成現在的古細菌與真核細胞。而生物化學上的證據，至少在十分重要的幾個方麵，支持烏斯的這項結論。特別是古細菌與真核細胞的核心信息處理方式有許多相似之處。兩者的DNA都纏繞在相似的蛋白質(組蛋白)上麵，基因複製與讀取的方式也很相近，而製造蛋白質的整套機製也無分別。這一切一切的細節，都和細菌十分不同，所以從某些方麵來看，古細菌填補了一些缺失的環節，它們橫跨了真核細胞與細菌之間的那道鴻溝。大體來說，古細菌在外表和行為上和細菌一樣，不過在處理蛋白質與DNA的方式上，開始有一些真核生物的特色了。

然而烏斯的生命樹有個問題，它是依照單一基因繪製，無法與其他的基因樹重疊以達到統計上的效力。隻有相信一個基因可以確實反映真核細胞的遺傳與起源的情況下，我們才能采用單一基因來繪製生命樹。而要驗證這點唯一的辦法，就是去比對其他進化速度一樣緩慢的基因，看看它們是不是也顯示出相同的生命樹分支結構。但是當我們這麽做了之後，結果卻讓人十分困惑。如果我們隻使用三者共有的基因(也就是在細菌、古細菌和真核生物三域裏都可以找到的基因)，那麽建立的生命樹很清楚地顯示出細菌與古細菌的關係，但是真核細胞卻不行，真核細胞混雜的程度讓人完全摸不著頭腦。我們細胞中有些基因似乎來自古細菌，其他的似乎來自細菌。最近一次大規模的分析，收集了165種不同種的生物，結合了5700個基因分析比對，繪製出了一株“超級生命樹”。然而科學家發現，研究越多基因，越發現真核細胞並非遵循傳統達爾文式進化，反而比較像通過某種龐大的基因融合而進化。從遺傳學的觀點來看，第一個真核細胞應該是個“嵌合體”，也就是半個真細菌、半個古細菌。

根據達爾文的觀點，生命是經由慢慢累積的一連串變異，漸漸變得多元，而每一分支也因此與它們共同祖先漸漸分道揚鑣，最終會形成一株繁茂的生命樹。所以生命樹無疑最適合用來描繪我們可見的眾多生物進化過程，特別是大部分大型的真核生物。然而反過來看，生命樹明顯不是用來描繪微生物進化最好的方式，不管是古細菌、真細菌或真核細胞。

有兩個過程總是會幹擾達爾文式的基因樹，那就是“水平基因轉移”與“全基因組融合”。對於微生物係統分類學者來說，在試圖建立細菌與古細菌之間的親緣關係時，頻繁發生的水平基因轉移總是讓人沮喪。這個複雜術語的意思，簡單來說就是基因被傳來傳去，像鈔票一樣由一個細菌傳給另一個。這樣會造成一種結果，那就是一個細菌傳給後代的基因組，可能與它的親代一樣，也可能不一樣。有些基因傾向“垂直”遺傳，一代傳給下一代，像烏斯使用的rRNA。但是也有很多基因會被大家換來換去，而且常發生在毫無關聯的微生物間。[3]因此最後描繪出來的圖像往往會介於樹狀與網狀之間，根據某些核心基因(如rRNA)可以畫出樹形圖，但是用其他的基因則會畫出網狀圖。有沒有任何一群核心基因從來沒有被水平基因轉移傳來傳去過？該問題一直讓眾人爭執不休。如果沒有這樣一群基因，那麽想追溯真核細胞的祖先到某幾群特定原核細胞的想法，無異緣木求魚。這樣一群基因必須一直通過直係繼承，而不會被隨機傳來傳去，才有可能被當成曆史身份的標記。但是反過來說，如果隻有一小群核心基因從來沒有被傳來傳去，而所有其他基因都被傳來傳去，那這小群基因又怎麽能代表身份呢？如果大腸菌有99%的基因都被隨機置換掉，那它還是大腸菌嗎？[4]

基因組融合也帶來了類似問題，它讓達爾文式的生命樹走回頭路，不但不發散，反而開始收斂。這樣一來問題就變成了到底哪兩位(或更多)父母的基因才代表進化路徑。如果我們隻追蹤rRNA的話，那確實會得到一株達爾文式的生命樹，然而如果考慮更多的基因，或把整個基因組都算進去，那會得到一個環狀樹，它的樹杈一開始發散出去，但是後來則會收斂，最後合並在一起(見圖4.4)。

圖4.4　這就是生命之環，最早的生命共祖在底部，然後分開形成代表細菌的左邊，與代表古細菌的右邊，最後兩枝再合而為一形成上方的真核細胞嵌合體。

真核細胞是一個嵌合體，這點毫無疑問。現在的問題是，典型的達爾文式進化有多重要，猛烈的基因融合又有多重要，或者換個方式來問，真核細胞的所有特質裏，有多少是經由母細胞一點一點進化得到的，又有多少是在基因融合發生之後才誕生的？過去幾十年來，科學家提出各式各樣關於真核細胞起源的理論，範圍從天馬行空的(如果你不想稱之為捏造的話)到利用生物化學證據一點點推理的都有，但至今無一被證實。所有的理論都可以歸為兩大類，一類強調達爾文式的漸漸分散進化，另一類強調劇烈的基因融合。事實上，這兩大類理論恰好反映了生物學早期兩派激烈的爭執，一派強調進化是經由一連串漸進式的改變而來；另一派則強調一段長期而穩定的靜止或平衡，會被突如其來的巨變打斷繼而進化。以前有人曾經揶揄這兩派進化論：奴才進化論對上笨蛋進化論[5]〔evolution by creeps(諂媚奉承的人；緩慢)versus evolution by jerks(傻瓜；快進)，可以意指“緩慢的進化對上急變的進化”或“奴才進化論對上笨蛋進化論”〕。

但對於一個吞噬細胞來說，吞掉線粒體的祖先也不過就是日常工作的一部分。可不是嗎？難道還有更簡單的辦法讓一個細胞進入另一個細胞？這種結合一定會為原始吞噬細胞帶來巨大利益，因為它徹底改變了吞噬細胞產生能源的方式，但是對外表卻沒有太大的影響。在吞掉線粒體以前，它已經是吞噬細胞，在吞掉之後還是，隻不過擁有更多能源。但是，這種結合也會讓許多基因從這個被奴役的線粒體傳到宿主細胞的細胞核裏，然後和宿主基因融合在一起，造成現代真核細胞的基因組看起來像嵌合體。線粒體的基因在本質上是細菌，所以支持原始吞噬細胞假說的人，並不反對現代真核細胞其實是嵌合體這件事，但是他們堅持認為曾有一個非嵌合的吞噬細胞，一個雖原生的原始真核細胞成為了線粒體的宿主。

時光拉回20世紀80年代，那時候卡瓦利埃-史密斯強調有上千種看起來十分原始的單細胞真核生物，它們都沒有線粒體。他認為，這裏麵或許有少數幾種，從遠古時代真核細胞誕生之初就一直活到現在，它們是那些從來就沒有線粒體的原始吞噬細胞的直係後裔。如果是這樣，這些細胞的基因應該毫無嵌合跡象，因為它們隻會遵循純達爾文式進化。但是二十幾年過去了，研究結果顯示，這些真核細胞全部都是嵌合體。就像這些細胞都曾有過線粒體，其中有一些因故遺失了，或者變成了其他東西。所有已知的真核細胞若不是還留有線粒體，就是過去曾經擁有線粒體。如果以前真有缺少線粒體的原始吞噬細胞，那很不幸它們沒有留下任何直係子嗣。這並不是說它們不曾存在，隻是說目前它們的存在純屬推測。