撰文｜ 君子宿

编辑｜君子宿

最近在读《复杂生命的起源》，里面有很多生动的小例子，让我之前得到的知识都有了对应的画面感，我觉得非常有意思，所以摘抄我觉得精彩的部分分享出来。

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。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）。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。

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。

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（PeterMitchell）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。

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？

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。

它是一个冷血杀手，无数代磨炼造就了它的诡诈。它像一位双面间谍，可以骗过警觉的免疫系统，神不知鬼不觉地融入内环境。它可以辨认细胞表面蛋白，并佯装成“自己人”锁定后者，再溜进细胞内部。它能精确定位到细胞核，并把自己嵌入宿主细胞的DNA。有时候它在那里潜伏很多年，好像根本不存在。有时候它会马上发作，破坏宿主细胞的生物化学机制，制造出自己的千万份拷贝。它用伪装的脂质和蛋白包裹这些分身，把它们送往细胞表面，再破膜而出，开始下一轮欺诈与毁灭。它可以杀死细胞，杀死人类，制造毁灭性的传染病大流行，或者一夜之间消灭绵延几百公里的海洋藻华。然而，大多数生物学家甚至都不把它算作活物。病毒自己根本不在乎。

为什么病毒不算活物？因为它自身没有任何新陈代谢能力，完全依赖宿主的能量生产机制。那么问题来了：新陈代谢活动是否是生命的必要特征？不假思索的回答是“当然是”。但根据是什么？病毒利用自身的周围环境复制。但人类也是如此：我们以植物或动物为食，我们呼吸氧气。如果把我们与周围环境隔离，比如头上套个塑料袋，几分钟内就会窒息而亡。可以说，我们寄生于我们所处的环境，就像病毒。植物也是如此。植物需要我们，正如我们需要植物。

从这个视角来看，植物、动物和病毒之间的区别，只不过在于环境的慷慨程度。病毒进入我们的细胞，就像进了天堂，一个应有尽有的安乐窝。彼得·梅达沃曾把病毒形容为“一条外表包裹着蛋白质的坏消息”；它们能以如此简单的形式存在，正是因为周围的环境资源丰足。植物处于另一个极端，它们对环境的需求非常低，只要有光、空气和水，植物几乎能在任何地方生长。为了利用如此简单的外部条件生存，植物被迫发展出复杂精密的内部结构。植物的生物化学能力可以制造生存所需的一切有机物质，它们是真正的“餐风饮露”。①人类的情况介于二者之间。我们除了需要一般的食物，还需要摄入某些维生素；一旦缺乏，我们就可能遭遇维生素C缺乏病等恶疾。我们的演化祖先能用简单原料合成维生素，但我们不行，因为我们已经失去了这种生物化学能力。如果没有外部供应的维生素，我们就和没有宿主的病毒一样，注定灭亡。