跨越进化史的鸿沟——真核细胞的可能起源
跨越进化史的鸿沟——真核细胞的可能起源
真核细胞的诞生是地球生命史上最重要的转折点之一。从简单的原核生物到复杂多样的真核生物，这一跨越不仅改变了地球的命运，也为智慧生命的出现开辟了道路。本文将带你探索这一伟大转变的奥秘。
我们准备着深深地领受
那些意想不到的奇迹，
在漫长的岁月里忽然有
彗星的出现，狂风乍起
——冯至
有什么东西彻底改变了我们的世界，自己却没怎么改变？最佳答案之一一定是以细菌、蓝藻为代表的原核生物。在地球生命诞生的前30亿年里，原核生物主导着一切。最著名的事实是，我们空气中所有的氧气都来自光合作用，早期完全来自蓝藻。这一剧变彻底改变了地球的命运，为行星地球转变为今日的地球家园奠定了基础，但反映在原核生物上仅仅是好氧细菌比起厌氧细菌占据了优势，细菌仍然是细菌。约6亿年前，复杂多细胞生物兴起，它们为细菌提供了新的生活方式，比如变成传染病的病原体，但细菌仍然是细菌。
原核生物是如此保守，几十亿年来在一个低层次上不停地“死循环”，这当然要从细胞结构上找原因。以细菌为例，它们的细胞趋近于自由生活所需的最简极限，而这归根结底是由它们孤注一掷的生存策略——快速繁殖所决定的。小的基因组复制起来更快，许多细菌保留的基因正是能少则少。
反观真核生物，顾名思义，细胞核是真核细胞的决定性特征。不像细菌那样只有一个环形染色体，真核细胞在核内有许多条直的染色体，通常成双结对，而且基因不像细菌那样裸露着，而是被蛋白质包裹起来。放眼核外，真核细胞不仅体积比原核细胞大得多，结构也复杂得多。真核细胞里装满了成沓的膜、成群的封闭囊泡，还具有动态的细胞内骨骼——它们提供结构支撑，还能自我解体并重建，从而使细胞变形和运动。当然，还有像人体内的器官一样执行特定任务的各种细胞器。
从功能上看，真核细胞的行为也复杂得多，这里只举两个例子：绝大部分真核生物都有性，能产生专门的性细胞。再有就是胞吞了，即整个包住别的细胞再把它消化掉。虽然今天大部分动物、植物细胞不会吞掉别的细胞，但当免疫细胞吞噬细菌时，我们会看到这种古老的功能在自己体内运行。
详细列举原核细胞和真核细胞的区别是没有必要的，参考任何一本细胞生物学教材即可，上图也画出了一些。在此只指出一个惊人的事实，它却被许多人忽略：不夸张地讲，直到真核生物诞生，辉煌的生物进化史才刚刚开始。造物者在这个时候仿佛突然苏醒，发誓要把过去几十亿年的时间里原核生物无休止的重复所造成的停滞弥补回来，形形色色、光怪陆离的生命形态在地质学意义上的瞬间井喷式呈现。著名的寒武纪大爆发是典型的真核生物事件，自此以后，独属于真核生物的演化之路越走越宽、越走越快：殖民陆地、有花植物的崛起、哺乳动物的壮大等等。
这样看来，不仅真核细胞和原核细胞在结构和功能上有本质的不同，从生物演化的观点看，真核生物本就是在跨越了一个巨大的鸿沟后才诞生的，这次跨越是一个奇迹，也许是我们的星球上最大的奇迹。要知道智慧生命在宇宙中的别处孜孜寻觅而不得，他（她）也在鸿沟的这一侧！
虽说是奇迹，在基因组时代，借助分子生物学技术它不再神秘。真核细胞里存在着两大类基因——和原核细胞里的基因等价的以及真核细胞独有的。生物学家们更感兴趣的是前者。为什么？原核细胞和真核细胞共有的基因所编码的通常是细胞的核心代谢过程或核心信息处理过程，由于太多的东西依赖于它们，这些核心过程往往演化得很慢。所以，这些共有的基因也演化得很慢而具有相当高的稳定性。我们可以对其进行精细的演化分析，从中构建出演化树以揭示真核细胞究竟从怎样的原核细胞中起源。
20世纪70年代后期，美国微生物学家卡尔·乌斯从不同的原核生物和真核生物里分离出了核糖体RNA，它作为核糖体的一部分，参与了细胞内蛋白质的合成，从而编码了部分核心信息处理过程。通过对这些核糖体RNA进行测序，卡尔·乌斯建立起一棵演化树，这棵树大大颠覆了当时生物学界的已有认知。如下图所示，细菌和真核生物是在人们意料之中的，古细菌却和细菌、真核生物三分这棵树而有其一！在这棵树诞生之前，人们虽然早就知道古细菌的存在，但一直以为它们不过是细菌内部的一个小分支。卡尔·乌斯的演化树则告诉我们，如下图，古细菌其实和真核细胞有着共同的祖先，且在演化的极早期就和细菌分家了。
虽然一开始卡尔·乌斯的重大发现难以被许多人接受，后来还是得到了越来越多的生物化学上的支持。不论是细胞膜还是细胞壁的组成，古细菌和细菌都大相径庭，它们的代谢通路也几乎没有重合处。相反，在核心信息的处理上，古细菌和真核生物十分相似：二者的DNA都被相似的组蛋白包裹起来，都以相似的方式阅读基因、用共同的机制合成蛋白质。总之，我们平日里看到的动物和植物之间的诸多差异，比起细菌和古细菌之间存在的本质差别是微不足道的，尽管后者只多了一个“古”字！还记得原核生物和真核生物之间的那道生物演化史上最深刻的鸿沟吗？跨越这道鸿沟，古细菌起了“人梯”的作用。
不过，卡尔·乌斯的演化树来自单一的基因，并不让人放心。分子生物学家们还要换其它具有高稳定性的基因进行同样的分析，把得到的所有这些“单基因树”叠在一起，得到一棵“共识树”，这才能逼近细菌、古细菌、真核生物三者演化关系的真相。最终的结果表明，选择三者共有的那些基因，“共识树”在细菌和古细菌的部分是自洽的，但真核生物的部分却是一团乱麻！当研究综合了百余个物种的几千个基因时，这一情况愈加明显。这只能说明发生了全基因组的融合，真核细胞在遗传上是“大杂烩”，最初的真核生物一半是古细菌，一半是细菌。
探索真核细胞、真核生物的起源，这一来自分子生物学实验的结论无疑点亮了明灯，为此美国生物化学家比尔·马丁提出了一个假说。地球生命的早期，考虑依赖氢气和二氧化碳的古细菌与能够呼吸氧气从而产生氢气和二氧化碳的细菌，显然二者可以通过交换原材料而产生互利关系，由此形成了紧密相连的细胞社群。约20亿年前，由于某种尚不清楚的机制，细菌进入了古细菌并定居了下来——至此这一假说看起来毫无亮点，真核细胞内的线粒体的前身是自由生活的好氧细菌，在今天已经是连高中生都了解的知识了，接下来才是比尔·马丁的假说的关键：所有真核细胞的特有属性都是在这次偶然的进入之后演化出来的，也就是说，进入前的双方都是实实在在的原核细胞，都没有细胞核、动态细胞骨架、性、胞吞等，这些都是定居之后才产生的全新的结构或功能。这意味着，这次偶然的进入及定居引发了一些剧烈的变化，使得因循保守的原核细胞变成了永远创新的真核细胞，成功跨越了鸿沟。
于是不难领悟，真核生物从原核生物里诞生且只诞生了一次，所有的复杂生命——动物、植物、真菌、藻类的祖先是同一个真核细胞。复杂生命并不是在不同时期反复从不同的细菌中诞生的！向我们人类的这一祖先致敬，目前最好的方式是为比尔·马丁的假说提供有力支持。这一假说面临的最大挑战在于，为什么原核细胞不能连续渐变地获得核、动态骨架、性、胞吞等真核细胞的特性？其实，的确有一派生物学家认为，古细菌可以逐渐地演化出这些特性，唯一缺少的就是线粒体。也就是说，真核细胞是古细菌和细菌的杂糅是所有人公认的，但这一派认为古细菌可以独立演化到“万事俱备，只欠东风”——只等线粒体的前身进入。线粒体前身的进入提供了更多的能量，但也仅此而已，无补于宿主已经具备的真核细胞的本质特性。
线粒体是细胞的能量工厂，驳倒上述质疑的关键因素正是能量！在没有思路的时候，自然界最基本的原理往往能为我们指向突破口。在真核生物诞生后的20亿年里，它们普遍丢失了95％以上的线粒体基因，大部分转移到了细胞核里，但线粒体基因组并没有被丢光。这其实是一件不容易理解的事情。且不说在线粒体中保留基因，就得同时保留把基因翻译成蛋白质的全套设备，无疑是铺张浪费，更重要的是，线粒体膜产生电荷跨越几亿分之一米，电压和闪电相当！在这里储存基因，就好比把珍贵的古籍文献保藏在比家用电网高一千倍的高压线旁边，危险性可想而知！事实上，线粒体基因的突变率的确比核基因高得多，今天还在人类身上引起一些难以治愈的疾病。
为什么真核细胞要冒着巨大风险保留线粒体基因组？以前我们介绍光合作用的可能起源时提到过的英国生物化学家约翰·艾伦提出了有说服力的观点。作用在呼吸——当然这里指细胞层次的呼吸——上的选择压力是最要紧的，就好比扼住了一个人的咽喉，于是，呼吸需要时刻进行细微调节，以随时让能量产出与需求相符合。而细胞核无法做到随时微调细胞内成百上千个独立的线粒体，于是只好“放权”，在每个线粒体内保留一个小基因组作为岗哨来微调呼吸，以保证供需平衡。
回到原核生物，它们也是通过产生跨膜电荷来产生ATP，但用的是细胞膜，相当于是用皮肤呼吸。由标度律，随着细胞体积的增大，表面积-体积比会下降，原核生物就会呼吸困难。其实，还真的有原核生物演化出了内膜以增加呼吸面积，有的甚至看上去很像真核细胞，但如何调控广大内膜的呼吸？它们彻底没辙了。真核细胞内线粒体的小基因组岗哨是成功的方案，但它们无法模仿着分出好多套基因，因为这和开篇讲过的它们的策略——只保留最小的基因组以快速复制是矛盾的！所以，原核生物向着真核的道路没走几步就只能停了下来，体积大但能量不足的大细菌不是快速繁殖的小细菌的对手，当然也就无法渐变式地演化出核、动态骨架、性、胞吞等真核细胞的特性。拿胞吞来说，大细菌无法省出额外的能量用来移动和变形。回到比尔·马丁的真核起源假说，细菌进入古细菌宁可说是由于“某种尚不清楚的机制”，而不是由于胞吞。
于是我们终于明白，原核生物之所以无法跳出死循环，根本原因还是残酷的能量制约。二十亿年前那次偶然的进入和定居使古细菌和好氧细菌建立起了最牢不可破的联盟，是这个联盟第一次突破了能量的制约，我们的祖先只诞生了一次！
最后，我们再来探索一下真核细胞的决定性特征——核的起源，或者说核膜的起源，解决了这个问题才算完整地回答了真核细胞的起源，哪怕是假说。与细胞外膜不同，核膜不是一张连续的膜，而是一系列压扁的囊泡，到处是大孔，且和细胞里的其它内膜相连，如上图所示。核膜的作用究竟是什么？许多资料甚至教材会笼统、含糊地回答“保护基因”。可是，如果保护基因，核膜又是在防谁？防止发生什么情况？前文还没有讲过，真核生物的基因不像原核生物的基因那样规整地排成行列，而是断裂成小碎片，中间有很长的非编码序列分隔开来。这些非编码序列称作内含子。比尔·马丁和美籍俄裔遗传学家尤金·库宁构想了好氧细菌进入古细菌后的动态图像，提出了一个天才的假说。这个充分体现了科学推理的魅力的假说一石二鸟，既解释了为什么几乎只有真核细胞才有内含子，又从应对挑战的角度解释了核膜的起源。
目前一般认为，内含子起源于转座子，形象地讲就是一种“跳跃基因”，这个自私的基因疯狂复制自己来感染基因组。每当一个转座子经转录而成了RNA——作为一条长序列的一部分，它就会自发折叠而变成一把RNA剪刀，把转录成的RNA从长链里切出来。然后以切出来的RNA为模板重新产生DNA，如此反复。这样产生的诸多DNA被重新整合进基因组，位置基本上是随机的。一旦转座子“死掉”，即衰败到无法跳跃，情况会更糟。因为“活”的转座子至少能从长链中切掉它所对应的RNA，不至于被翻译成有缺陷的蛋白质，而死掉的转座子就只能靠宿主细胞对付它了。
以细菌为代表的大部分原核生物能消灭所有的转座子和内含子，目前还不清楚它们采取了什么样的机制才做到的，不过可以确定这种机制具有专一性。所以，当线粒体的前身即好氧细菌第一次进入宿主即古细菌的内部时，一个巨大的副作用就是好氧细菌携带的转座子在古细菌的染色体上跳跃，古细菌的机制显然无法对付它们！一下子被来自好氧细菌的转座子的大入侵“打懵了”。古细菌内部乱作一团，基因组里塞满了内含子，全部来自好氧细菌的转座子。还好古细菌及时找到了应对策略：内含子本身并不要紧，关键是不能让它经由RNA翻译成“坏”蛋白质，于是，它征用了转座子的RNA剪刀，把RNA长链上内含子对应的片段剪掉。事实上，今天所有的真核生物无论植物、动物、真菌还是藻类，都是用这把古老的RNA剪刀把非编码RNA切掉的。
但是，这还不够，基因转录成RNA再翻译成蛋白质的速度非常快，这把RNA剪刀却不够快。古细菌作为原核生物，DNA和制造蛋白质的核糖体是直接混在一起的，于是没来得及把非编码RNA全部切掉，坏蛋白就已经制造出了好多份。马丁和库宁指出，一个简单粗暴却立竿见影的应对策略就是把DNA和核糖体隔开！为此宿主只需征用现有的膜，把DNA全部关进去，并保证有孔把RNA递出去交给核糖体。这样，就能保证RNA剪刀有充足的时间把非编码RNA全部剪掉，再把修剪完成的RNA链移交给核糖体去制造蛋白质。可见，真核生物的决定性特征——核根本不是用来“保护基因”的，而是为了不让基因靠近细胞质里的蛋白质工厂——核糖体。
一旦真核细胞探索出了控制转座子的成熟方案，不仅内含子可以变害为宝，使基因以不同的新方式组合在一起从而得到新的蛋白质，转座子还能大大增加真核生物的基因组。有线粒体保证能量供应，真核细胞就可以以胞吞的方式吃掉细菌，来自细菌的转座子再次在真核细胞的染色体上跳跃时也不必担心会生产出坏蛋白，而是直接融入真核细胞的DNA并活跃增殖。经过长期的增殖和积攒，转座子能帮助真核细胞的基因组生长到细菌的上千倍大小。有些所谓的额外DNA还可以被征用，形成了新的基因，最终表达为我们身边的奇妙生物世界的无尽形态。还记得我们开篇提到过的对原核生物的一切都具有决定性的生存策略——快速繁殖吗？既然可以以胞吞直接吃掉细菌，还能收集DNA并重组它们，真核生物自然已经不屑于在这个层面上和原核生物竞争，探索更加广大的复杂性才是它们的使命。
马丁和库宁的天才假说其实是有分子生物学上的佐证的。现生真核生物的一部分内含子所在的位置都是一样的，从人类到蜜蜂，从荠菜到竹荪。这说明它们都来自真核生物的共同祖先诞生时好氧细菌携带的转座子的那次大感染，转座子像狂风暴雨一样四处复制遍布基因组，最后衰败成了固定的内含子。我们星球的命运在这次狂风暴雨中又迎来了根本性的转折。比起原核生物改变了我们的星球却没有改变自己，在二十亿年后细读这些静默的内含子，仿佛在抚摩汤盘上的古训：“苟日新，日日新，又日新”。