地球生命在地球形成约5亿年后就已出现，然而在这之后的20亿年内，生命一直停滞在简单的细菌水平。在大约20亿~15亿年前，一种拥有精细内部结构和空前能量代谢水平的复杂细胞一跃而出。这份复杂性遗传给了大树和蜜蜂，也遗传给了人类中的你和我。我们与蘑菇有着天壤之别，但在显微镜下观察到的细胞又如此相似。从有性生殖到细胞衰老再到细胞凋亡，复杂生命共有的一套细胞特征在不同的物种间有着惊人的相似程度。生命为什么是现在这个样子？在40亿年的漫长岁月中，从简单的细菌到令人敬畏的复杂生命，这样的演化飞跃事件为何只发生了一次？不得不承认，在生物学的核心地带，横亘着一个巨大的认知黑洞。
生命究竟为何沿着这么令人困惑的路径演化？生物化学家尼克·莱恩从生物能量角度，交给了我们一把有望解开生物起源之谜的钥匙。怪异的生物能量生产机制从各方面限制了细胞，而一次罕见的一个细菌入住到一个古菌体内的内共生事件，打破了这些限制，使得复杂细胞的演化成为可能。看似偶然发生的单次事件，却因为能量的约束而必经一种演化历程，许多最重要也最基础的生命特征，也由此可以通过基本的生物化学规律进行推断。我们在演化过程中取舍权衡生殖力和年轻时的健康，换来衰老和罹患疾病的代价。生命的起源、人类的健康乃至生死，都可以从能量角度重新发问。
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。
严曦，科普作者，科幻作者，职业翻译。毕业于清华大学电子工程系。2012年发表科普系列《化学渗透》，是国内首批介绍尼克?莱恩科学思想的科普作者之一。
绪?论
为什么生命会是这样？
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1 500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。
