生物演化史上的“黑洞”，可能需要物理学来填补

科学之精要在于能够提供规律，比如物理学中最迫切的问题在于，为什么物理定律是这样的？使用什么样的基本规律才能推演出宇宙中已知的各种物理特性？生物学的规律性远弱于物理学，尽管生物学规律不需要像物理定律那样严密普适，演化生物学的预言能力还是弱得令人汗颜。关于演化的分子生物机制和地球的生命历史，我们已经积累了海量的知识，但对其中的规律性仍然知之甚少。在生命的历史中，哪些部分是出于偶然，哪些部分又有物理定律和约束条件决定？

撰文 | Nick Lane

译者 | 严曦

在生物学的核心地带，存在着一个未知的黑洞。坦白说，我们不知道生命为什么是现在这样。地球上所有的复杂生命拥有一个共同祖先，它从简单的细菌演化而来，在40亿年的漫长岁月中只出现了一次。这究竟是一个反常的孤立事件，还是因为其他的复杂生命演化“实验”都失败了？我们不知道。已知的是，这个共同祖先一出场，就已经是一个非常复杂的细胞。它的复杂程度，与你身上的细胞不相上下。这份复杂性遗产传给了你我，也传给了其他所有后代，从树木到蜜蜂。你可以试试在显微镜下观察自己的细胞，并和蘑菇细胞比较。二者几乎无从分辨。我们与蘑菇的生命显然天差地远，那么，为什么我们的细胞却如此相似？而且并不只是外观相似，所有复杂生命都有同一套细胞特征，从有性生殖到细胞衰老再到细胞凋亡，其机制之精巧复杂，与物种间的相似程度同样惊人。为什么这些特征会在我们的共同祖先身上积聚？为什么在细菌身上却找不到这些特征独立演化的痕迹？如果这些特征是通过自然选择微步演化而来，每一小步都带来一点点优势，那么为什么类似的特征没有出现在各类细菌中？对这些问题的探讨可谓众说纷纭，但学界至今没有给出令人信服的解释。

这些问题反映了地球生命奇特的演化轨迹。生命在地球形成约5亿年后就已出现，距今大约40亿年。然而，此后的20多亿年中，也就是地球历史一半的时间，生命一直停滞在细菌水平。直到40亿年后的今天，细菌仍然保持简单的形态，虽然它们发展出丰富的生物化学代谢能力。所有形态复杂的生物，包括植物、动物、真菌、藻类和阿米巴原虫等单细胞原生生物，与细菌形成了鲜明的对比。它们是同一个祖先的后代，这个祖先大约于20亿~15亿年前出现，从外形到内在都是一种“现代”细胞，拥有精细的内部结构和空前的能量代谢水平。所有这些新特征，都由一套复杂的蛋白纳米机器驱动，由数以千计的新基因编码，而这些基因在细菌身上几乎从未发现。在复杂生命的共同祖先与细菌之间，没有现存的演化中间型，没有“缺失环节”来揭示为什么这些复杂的特征会出现，以及它们是如何演化的。在细菌的简单与其他一切生命令人敬畏的复杂之间，只有一片无法解释的空白。一个演化的黑洞。

人类为什么会遭到各种疾病的侵袭，这是一系列复杂到无法想象的问题。为了寻求答案，人类每年都会在生物医学研究上投入巨额的金钱。我们现在对基因和蛋白质的关系、对生物调节系统之间的反馈互动，都掌握了海量的细节。我们建立了精密的数学模型，设计了计算机模拟程序，以信息化的方式来重建这些生物过程。然而我们仍然不知道，所有这些生物组件都是如何演化而来的！如果我们不知道细胞为什么是这样运行的，又如何能指望理解疾病呢？不了解历史，我们就不可能理解一个社会；不了解细胞的演化史，我们就不可能理解细胞的运作方式。这些问题不仅有重要的实用意义，它们本身也是人类要面对的终极问题：我们为什么会存在？是什么样的法则创生了宇宙、恒星、太阳、地球，以及生命本身？同样的法则是否也在宇宙中的其他地方创造了生命？外星生命是否和我们相似？诸如此类的形而上之问，关乎我们何以为人的核心。然而，自人类发现细胞350年之后，我们仍然不知道地球生命为什么会是这样。

读者你可能还没注意到人类在这方面的无知，这不是你的错。各种教科书和学术刊物上满载科学信息，但绝大多数都不会探究这种“幼稚”的问题。我们被互联网上各式各样、良莠不齐的信息淹没，难以辨别它们的真伪与用途。但这不仅仅是信息过载的后果，就连生物学家自己，对这个专业领域中心的黑洞，也没有多少清醒的认识。绝大多数生物学家忙于研究其他问题。大多数学者研究大型生物、特定的动物或植物，少数人研究微生物，更少数的人研究细胞的早期演化。另外，生物学界还要担心神创论者和智慧设计论的攻击。他们担心：承认科学家不知道所有的答案，也许会让反演化论者乘虚而入，让他们嘲笑自己对演化实际上一无所知。这种担心其实毫无必要，我们对已经掌握的知识很有信心。生命起源和早期细胞演化理论能够解释海量的事实，与其他科学知识严密符合，能对未知的生物学关系进行预测，并且经得起实证检验。我们对自然选择机制，对另一些塑造基因组的随机过程都理解得非常充分。所有这些事实，都能与细胞的演化理论互相印证。然而，我们对事实的高度掌握恰恰凸显了一个问题：我们不知道为什么生命会以如此奇特的路径演化。

科学家是充满好奇心的人，如果这个问题确实像我说的这么严峻，它本应该广为人知。然而实际情况并非如此，科学界对这个问题的意识远没有明确。现有的各种解释互相争论，但大都晦涩难懂，反而掩盖了问题本身。另一个难点在于，问题的相关线索分散在众多不同的研究领域之中：生物化学、地质学、种系发生学、生态学、化学和宇宙学。几乎没有人能成为所有这些领域真正的专家。生物学现在正处于“基因组革命”的进程之中，我们掌握了成千上万种生物完整的基因组序列，包含亿万数位的代码。在这些数字化的生物信息中，从远古遗留至今的线索经常互相矛盾，令人迷惑。对这些数据的解读要求研究者拥有精深的逻辑、计算和统计技能，生物学上的理解反倒被挤到了从属地位，“有当然好，没有也无大碍”。大数据研究方法的迷雾在我们周围涌动，争论交缠。每当稍稍拨开迷雾，更加离奇的新课题就会涌现。科学家曾经的自信从容逐渐消失，我们现在面对着一幅崭新的生物学场景：真实、严峻、令人不安。然而，从一个研究者的角度来看，能够发现一个重要的新课题并寻求答案，非常激动人心！生物学中最大的问题还有待解决，本书正是我起手的尝试。

细菌和复杂生命有什么样的关系？早在17世纪70年代，荷兰科学家安东尼·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）在自制的显微镜下发现微生物时，对这个问题的初步研究就开始了。他镜头下生机勃勃的“微型动物”，让当时很多人都难以置信。但这些生命的存在，很快被同样天才的罗伯特·胡克（Robert Hooke）再次证实。列文虎克还发现了细菌，他在1677年那篇著名的论文中写道：它们“小到令人难以置信；以我视野中能看到的估计，100个这样极其微小的动物排成一行，宽度也超不过一粒细砂；如果我的估计正确，那么一百万个加起来，也不会比一粒细砂重”。不少后世的研究者怀疑，列文虎克是否真的用他简单的单镜头显微镜观察到了细菌。现在已经没有争议：他确实做到了。可以通过两点证明：首先，他发现细菌无处不在——雨水中，海水中，并不仅仅在自己的牙齿上才能找到；其次，他通过敏锐的直觉发现了两种微生物的区别，一种被他称为“非常微小的动物”（即细菌），另一种则是“巨大的怪物”（实际是单细胞的原生生物，protists）。他区别二者的依据，在于观察到后者旺盛的运动行为和“小脚”（纤毛）；他甚至注意到有些较大的细胞由多个小“液泡”组成，并与细菌进行了比较（当然他用的不是这些现代术语）。几乎可以肯定，列文虎克在这些液滴中观察到了细胞核，即所有复杂细胞贮藏基因的地方。接下来，关于这个课题的研究停滞了几个世纪。在列文虎克发现微生物50年后，著名的分类学家卡尔·林奈（Carl Linnaeus）把所有微生物不加区别地分在Vermes门（意为“蠕虫”）的Chaos属（意为“无形状”）。到了19世纪，与达尔文同时代的德国演化论学者恩斯特·海克尔（Ernst Haeckel）才再次确认微生物之间存在重大差别，并把细菌与其他微生物区分开来。20世纪中期以前，关于细菌的生物学认知没有多少进展。

生物化学的统一，使细菌研究迈入了一个关键阶段。此前，细菌花样百出的新陈代谢能力让它们似乎无法归类。它们可以依靠任何物质生存，从混凝土到电池液到气体。如果这些完全不同的生活方式没有任何共同点，我们用什么依据来确定细菌的分类呢？如果无法归类，我们又怎能理解细菌呢？正如化学元素周期表为化学研究带来了理论的统一，生物化学也为细胞演化研究带来了秩序。另一位荷兰人阿尔贝特·克吕沃尔（Albert Kluyver）阐明：生命令人眼花缭乱的多样性，其实是由非常相似的生物化学过程支撑。呼吸作用、发酵作用和光合作用虽然各有区别，但全都有共同的生物化学基础。这种概念的整合，证明了所有生物起源于一个共同的祖先。克吕沃尔认为，在生物化学层面，对细菌成立的理论，对大象也成立；细菌和复杂生物之间几乎没有界限。细菌的代谢多样性远超复杂生物，但二者最基本的生命活动过程都很相似。克吕沃尔的学生科内利斯·范尼尔（Cornelis van Niel），以及罗杰·斯塔尼尔（Roger Stanier），可能是那个时代最能理解细菌的本质不同于其他生物的科学家。他们认为，细菌就像原子，不可再分。它们是最小的生物功能单位。很多细菌和人类一样能进行有氧呼吸，但必须通过整个细菌才能执行这种功能，细菌没有人类细胞中专门进行呼吸作用的组件。细菌繁殖时会分裂，但从功能角度来说，细菌不可再分。

过去的半个世纪中出现了三次颠覆人类以往生命观念的生物学革命。第一次在1967年的盛夏，由林恩·马古利斯（Lynn Margulis）挑起。马古利斯提出，复杂细胞不是经由“标准”的自然选择演化而来，而是通过一场合作共生的盛宴；细胞之间进行非常密切的合作，直到永久入住彼此体内。共生是指两个或更多物种之间一种长期的互动关系，通常伴随着物质和服务的交换。对微生物来说，物质交换涉及的是新陈代谢所需的、构成细胞生命的基础物质。马古利斯使用的术语是内共生（endosymbiosis）：同样是交换物质，但这种合作方式极为亲密，合作一方干脆住到另一方的身体里面去了。马古利斯这些观点可以溯源到20世纪初期的研究，而且让人想起大陆漂移学说：非洲和南美洲的海岸线大致吻合，在地图上看，二者就像是曾经连在一起，后来才分开的。这种“幼稚”的想法，曾经被长期嘲笑为荒诞不经之谈。与之类似，复杂细胞的某些内部结构看起来很像细菌，而且好像是独立生长与分裂的。也许，解释就是那么简单——它们本来就是细菌！

与大陆漂移学说一样，这些思想都走在了时代的前面，直到分子生物学于20世纪60年代兴起，才给出了有力的论证。马古利斯以细胞内的两种专门构造为研究对象：线粒体和叶绿体。线粒体是细胞进行有氧呼吸的场所，食物在线粒体内氧化，并提供维持生命所需的能量。叶绿体是植物细胞进行光合作用的发动机，太阳能在这个场所中转化为化学能。这两种细胞器都保留了自身的微型基因组，其中只有几十个基因，编码几十种呼吸作用或光合作用所需的蛋白质。对这些基因测序后，真相终于明朗：简而言之，线粒体和叶绿体确实源自细菌。但它们不再是细菌，没有真正的独立性，因为绝大多数对它们自身存在必需的基因（至少有1500个）都储存在细胞核内。细胞核，才是细胞的“基因控制中心”。

马古利斯对线粒体和叶绿体的认识是正确的。到了20世纪80年代，反对者已经寥寥无几。但是她的野心远不止于此：在她看来，整个复杂细胞（现在的正式名称是真核细胞）都由共生细菌拼接而成。很多其他的细胞组成部分，尤其是纤毛（即列文虎克描述的“小脚”），同样起源于细菌（在马古利斯看来，纤毛起源于螺旋体）。她认为，一连串细菌共生合并造就了真核细胞。该理论后来被她命名为“系列内共生理论”。她认为还不只是单个的细胞，整个生物界的本质就是一张巨大的细菌协作网络：盖亚（Gaia）。她和詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock），成了“盖亚理论”的先驱。近些年，盖亚理论改头换面为“地球系统科学”（但摒弃了洛夫洛克原来的目的论成分），迎来了一次复兴；但是，马古利斯的观点，即认为真核细胞是细菌的集合体，从来没有多少实证基础。绝大多数真核细胞的内部构造，从形态上看并不像是起源于细菌，基因测序后更没有获得什么证据。所以，马古利斯在某些问题上是正确的，但在其他问题上几乎肯定错了。2011年，马古利斯因中风而过早去世。但她的斗士精神，她强烈的女性意识，她对达尔文主义式的竞争的排斥和她对阴谋论的轻信，都让她留下的智识遗产珠砾混杂。有人把她看作女权主义的英雄，有人认为她是我行我素的偏执狂。可悲之处在于，无论褒贬，这些争议大都远离科学。

第二次革命是种系发生学革命。这是一门关于基因族谱的学问，早在1958年，弗朗西斯·克里克（Francis Crick）就预见了这场革命的开端。克里克的预言，字里行间都带着他特有的从容自信：“生物学家应该意识到，很快我们就会迎来一门全新的学科，名字可能是‘蛋白分类学’，即对生物蛋白质氨基酸序列的研究，以及物种间的比较。这些序列是某种生物表型（phenotype）最细致的信息表达，它们之中可能隐藏着海量的生物演化信息。”他的预言果然成真。现代生物学的研究，很大程度上重心在于解开蛋白质和基因序列中隐藏的信息。我们已经不再直接比较氨基酸序列，而是比较DNA的字母序列（由它们编码蛋白质），因为这样准确度和灵敏度更高。尽管克里克有如此敏锐的预见性，但是他或者其他任何人，当时也完全想象不到，基因序列研究会牵出怎样的生命秘密。

卡尔·乌斯（Carl Woese）是一位历经坎坷的革命者。20世纪60年代，他低调开启了自己的研究工作，十年后才收获成果。当时，乌斯需要选择一个单一的基因来比较不同的物种。很明显，这个基因必须存在于所有物种之中，必须具有同一种功能。对细胞而言，这种功能必须非常基本、极为重要，任何细微改变都会遭到自然选择的惩罚。如果绝大多数变异都会被自然选择淘汰，那么留存下来的必然是基本不变或者说极端缓慢的演化，在漫长的岁月中改变非常小。如果我们要比较不同物种几十亿年间累积下的差异，就必须遵守以上选择标准。如果奏效，我们就能得到一张宏大的生命树图，一直追溯到生命起源。乌斯的计划就是这样志存高远。为了选出满足这些苛刻要求的基因，他开始研究细胞的基本功能，即细胞制造蛋白质的能力。

所有细胞都有核糖体。这是一种精巧的纳米机器，蛋白质的组装就是在核糖体上完成的。除了已经成为时代标志的DNA双螺旋，在信息时代的生物学领域，没有什么东西比核糖体更有象征意义了。它的构造还体现了一种人类思维难以测度的矛盾现象：比例。核糖体小到难以想象。细胞已经小到必须用显微镜观察；人类历史上的绝大多数时候，我们对细胞的存在都毫无概念。但核糖体比细胞还要小几个数量级，人类的一个肝细胞中就有1300万个核糖体。然而在原子维度上看核糖体，它又是非常巨大、极其复杂的超级建筑。由几十个基本部件组成，这些活动零件的运行精度，远超现代的自动化工厂流水线。这毫不夸张：核糖体首先与编码蛋白质的“穿孔带”代码脚本（即信使RNA）结合，然后按照序列逐个字母精确转译成蛋白质。核糖体捕获细胞质中的游离氨基酸作为基本构件，并把它们连成一条长链，顺序由代码脚本决定。核糖体的错误率大约为每10 000个字母出现一次错误，比人类高端制造业的废品率低得多。它们的工作效率大约为每秒钟处理10个氨基酸；由几百个氨基酸组成的蛋白质，一分钟内就能合成完。乌斯最终选择了核糖体的一个亚基，可以说是选了这台精密机器上的一个小零件，把它的编码基因作为比较对象。他比较了从细菌（例如大肠杆菌）到酵母再到人类等不同物种中的这一基因序列。

他的发现颠覆了我们的世界观。细菌和复杂真核生物之间的区别很明显，在表示亲缘关系的分支树图上，二者分属不同的分支大类。其中唯一的意外在于真核生物分支内部，即植物、动物和真菌之间的区别极小，但是，大多数生物学家仍在这个大类中投入了毕生的研究精力。真正出乎所有人意料的是，生命居然存在第三个域（最顶端的生物分类）。几个世纪以前，我们就已经知道这些简单细胞的存在，但一直把它们误认为细菌。它们的外观和细菌一模一样：同样微小，同样缺乏可以辨认的内部结构。但二者之间核糖体的区别，如同柴郡猫的神秘微笑，揭示了另有一种不同于细菌的生命存在—尽管同样缺乏复杂度。这种新的生物类群和细菌一样，没有真核生物的复杂形态，但它们的基因和蛋白质与细菌截然不同。这类生物被命名为古菌（archaea），因为当时的研究人员猜测，它们比细菌更古老。他们很可能猜错了，现代的研究认为，二者一样古老。然而在基因和生物化学层面，细菌和古菌之间的鸿沟就像细菌和真核生物（人类）之间一样巨大。在乌斯著名的“三域”生命树上，古菌域和真核生物域是“姊妹分支”，有较为接近的共同祖先。

古菌与真核生物在某些方面确实有很多相似之处，尤其是生物信息的流动（即读取基因序列并转化为蛋白质的方式）。古菌有几种精巧的分子机器，类似于真核生物的对等特征，只是少一些部件——也许这正是演化出真核生物复杂性的源头。乌斯不顾细菌和真核生物在形态上的巨大差异，而是把所有生物分成了地位相当的三个域，每个域内都经历了充分的演化，没有哪一支比其他任何一支更本源。他力主抛弃以前的术语“原核生物”（英文术语的原意为“出现细胞核之前”，适用于描述细菌和古菌），他的生命树图上也没有任何基因特征来反映“原核生物”这一划分。三个分支域都直接连回生命原点，拥有同一个神秘的祖先，不知如何就凭空出现了三支后代。乌斯晚年对生命最早期的演化持一种几乎是神秘主义的态度，呼吁用整体论来研究生命。这很讽刺，因为他本人掀起的生物学革命，恰恰是基于纯粹的还原论方法，即仅仅分析一个基因。细菌、古菌和真核生物确实是不同的类群，这点毫无疑问；乌斯的革命性开创也确实意义重大。但是他倡导的整体论方法，即以生物的整个基因组为研究对象，正在引发第三次细胞学革命。而这场革命，又推翻了乌斯自己的认识。

我们正处在第三次革命的进程之中。它的推理方法比较曲折，但带来的冲击最大。它的理论起源于前两次革命，特别致力于在二者之间建立联系。乌斯的生命树图，描绘了一个底层基因在三个生物域中的趋异演化关系。马古利斯描述的图景，则是不同物种的基因通过融合、捕获和共生行为，最终汇聚在一起的进程。如果把后者的想法也画成树图，会是一张汇聚图，而不是分支图，与乌斯的树图恰好相反。他们两个不可能全都正确！不过也不会全错。真相就隐藏在二者之间的某个位置，这是科学研究中常常遇到的情况。但不要以为这只是对两个理论的折中。目前正在成形的答案，比之前的两种结论都更加激动人心。

我们知道，线粒体和叶绿体确实源于细菌，它们是通过内共生作用融入细胞的；而真核细胞的其他部分，很可能通过常规方式演化而来。关键问题在于，融合究竟是什么时候发生的？叶绿体只存在于藻类和植物中，所以很可能是由这两类的某个共同祖先单独获得的。因此，这应该是一次较晚发生的事件。而线粒体存在于所有真核细胞之中（有一个实际上不是例外的“例外”，我们将在第一章中讨论），所以获得线粒体应该是一次较早发生的事件。有多早？或许我们可以换个问法：什么样的细胞获取了线粒体？以下是标准的教科书观点：它是一种十分复杂的细胞，类似于阿米巴原虫，是可以自由运动的捕食者，能够变形，并通过吞噬作用吞噬其他细胞。也就是说，与货真价实、构造完备的真核细胞相比，当初获得线粒体的细胞并没有多大差别。然而我们现在知道，这种看法是错误的。过去几年间，研究人员选择了更具代表性的物种，比较了大量基因，由此得出了毫不含糊的结论：那个宿主细胞是一个古菌，属于古菌域。所有的古菌都是原核生物，顾名思义，它们没有细胞核，没有性别，没有包括吞噬作用在内的一切复杂生命特征。这个宿主细胞在形态方面几乎没有任何复杂度可言。然而，不知如何，它捕获了后来变成线粒体的细菌。自那之后，它才演化出了所有的复杂特征。如果事实的确如此，那么复杂生命的单一起源很可能有赖于对线粒体的获取，是线粒体触发了复杂生命的狂飙演化。

复杂生命的起源，是发生在古菌宿主细胞和后来变成线粒体的细菌之间的内共生事件，而且只发生过一次。这个激进的理论，其实早在1998年就由演化生物学家比尔·马丁（Bill Martin）提出。马丁才华横溢，直觉敏锐，思维开阔。他发现了真核细胞不同寻常的基因嵌合现象，并据此提出了大胆的新理论。以发酵作用这条生物化学路径为例：古菌使用一种特定的方式，细菌则采用另一种，两种方式涉及的基因也大不一样。而真核生物会使用几种发现于细菌中的基因、几种发现于古菌中的基因，并把它们编织成一条精密的复合路径。这种错综复杂的基因嵌合现象，不止发酵作用有，复杂细胞中的所有生物化学过程几乎都是如此。从演化遗传学的角度来看，这种情况简直是“岂有此理”！

马丁考虑得十分周详。为什么宿主细胞从它的内共生体那里获取了这么多基因，并把它们深深地融入自己的基础架构之中，取代了很多自身原有的基因？马丁和米克洛什·米勒（Miklós Müller）共同提出的答案是“氢气假说”。他们认为，宿主细胞是一个古菌，能利用两种简单的气体生活：氢气和二氧化碳。内共生体（未来的线粒体）是一个有着多种代谢方式的细菌（这对细菌而言很普遍），为宿主细胞提供氢作为养料。马丁和米勒通过逻辑推理，一步步明确了这种共生关系的细节，解释了为什么一种原本依靠简单气体存活的细胞，后来会为了供养它的内共生体而变成以有机物为食。但这些都不是这里的关键。关键在于，马丁推测复杂生命起源于两种细胞之间的单一内共生事件。他认为，宿主细胞是古菌，不具有真核细胞的那些复杂特征；他还认为，从来就没有所谓的“中间型”，即不存在尚未获得线粒体的简单真核细胞；线粒体的获得和复杂生命的起源，本来就是同一事件。他还认为，真核细胞那些精巧繁复的特征，诸如细胞核、性和吞噬作用，全都发生在获取线粒体之后，是在这种独特的内共生状态下演化而来的。马丁的研究代表了演化生物学中最深刻的洞察力，本应该更加广为人知。但是它太容易被人与系列内共生理论混为一谈（后面我们会看到，内共生理论并没有提出马丁的这些推论），所以当时未能脱颖而出。然而过去20年间，马丁这些详尽的理论预言全都得到了基因组研究的证实。这真是一座生物化学逻辑严密推理的丰碑！如果诺贝尔奖单独设立生物学奖项，没有人比马丁更配得奖。

图1 显示复杂细胞嵌合起源的生命树（这是马丁于1998年绘制的复合生命树，依据的是对整个基因组的比较。细菌、古菌和真核生物三个域的关系如图所示。真核生物的起源是嵌合式的，古菌宿主和细菌内共生体的基因混合，宿主最终演化成了形态复杂的真核细胞，内共生体最终演化成了线粒体。某一类真核生物后来又获取了第二种细菌内共生体，最终演化成了藻类和植物的叶绿体。）

所以，我们现在又回到了起点。我们掌握了很多知识，但还是不知道为什么生命会是这样。我们知道复杂细胞起源于40亿年演化史中的单一事件：一个古菌和一个细菌的内共生（图1）。我们知道复杂生命的特征在这次结合之后才演化出现。但我们仍然不知道，为什么这些特征会出现在真核细胞中，在细菌和古菌中却没有留下演化的痕迹。我们不知道是什么力量限制了细菌和古菌：为什么它们的生物化学机制如此多姿多彩、基因多态性如此丰富、依靠气体和石头都能顽强生存，但一直保持着简单的形态？我们真正拥有的是一个新颖大胆的理论构架，可以依此继续探索。

我相信，线索就藏在细胞的生物能量生产机制中。这种怪异的机制从各方面限制了细胞，但很少有人理解这一点。本质上，所有的活细胞都通过质子（带正电荷的氢原子）回流来为自身提供能量，就像是某种电流——只是用质子代替了电子。我们通过呼吸作用氧化食物而获得的能量，被用来把质子泵过一层膜，在膜的另一边形成质子蓄积。从这个“水库”回流的质子可以为细胞工作供能，如同水电站的涡轮电机。这种利用跨膜质子梯度为细胞供能的奇特机制，发现之初完全出人意料。彼得·米切尔（Peter Mitchell）是20世纪最具独创性的科学家之一，他于1961年首先提出了这一理论，并在此后的30年间逐渐将其完善。米切尔的学说被认为是自达尔文以来最“反直觉”的生物学理论，可与爱因斯坦、海森堡和薛定谔的物理学思想相媲美。现在，我们对质子动力的工作方式理解得十分详尽，已经深入到蛋白质层面。我们还发现，所有的地球生命，无一例外都利用质子梯度供能。质子动力是生命不可或缺的成分，就像通用遗传密码。然而，这种反直觉的能量利用机制最初是怎么演化出来的，我们几乎一无所知。在我看来，这就是位于当代生物学核心的两大未知问题：为什么生命以如此令人困惑的路径演化？为什么细胞的供能方式如此古怪？

写作本书就是为了尝试回答以上两个问题，而且我相信二者紧密相关。我希望说服读者，演化是围绕能量进行的，我们必须考虑能量才能理解生命的各种特征。我希望向读者展示，能量与生命从一开始就密不可分，地球生命的基本特征源于一颗躁动行星的能量失衡。生命的起源由能量流推动，质子梯度对细胞的出现至关重要，但是对质子梯度的利用又限制了细菌和古菌的结构。这些限制条件主宰了细胞之后的演化历程，细菌和古菌虽然在生物化学方面花样百出，却一直保持着简单的形态。我想证明，一次罕见的内共生事件，即一个细菌入住一个古菌体内，打破了这些限制，使复杂细胞的演化成为可能。一个细胞在另一个活细胞内生活并逐渐融合，这是很难实现的变化；形成这种关系的困难程度，解释了为什么复杂生命的起源只有一次。我还想证明，这种密切的共生关系决定了后来出现的很多复杂细胞特征，包括细胞核、有性生殖、两性，还有不朽的种系和无常的肉体—也是有限寿命和基因预定死亡的源头。最后，从能量角度思考生命能让我们认识人类自身的生物学特性，特别是演化过程中深层次的取舍权衡：生殖力和年轻时的健康，代价是衰老和疾病。我认为，这些见解能够帮助人类增进健康，至少能加深对健康的理解。

本文节选自《复杂生命的起源》，贵州大学出版社2020年10月版。

作者简介：

尼克·莱恩（Nick Lane），演化生物学家，英国伦敦大学学院教授。他的研究方向为演化生物学与生物能量学，聚焦于生命的起源与复杂细胞的演化。他还是伦敦大学学院线粒体研究学会的创始成员，也是生命起源研究计划的项目领头人。2010年，他以《生命的跃升》荣获英国皇家学会科学图书奖。尼克本人因为在分子生物学研究上的卓越贡献，于2015年荣获英国生物化学学会奖。他不仅深耕自己的学术研究领域，还孜孜不倦地参与公众科学普及。2016年，尼克因为在科学传播上的深入付出而荣获英国皇家学会迈克尔·法拉第奖章。

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原标题：《生物演化史上的“黑洞”，可能需要物理学来填补丨展卷》

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