生命之源：能量、演化與複雜生命的起源
Author: 尼克．連恩(Nick Lane), AiBooKs.cc
Date: 2016-10-06
Keywords: 科普類
Description: 什麼是生命？ 什麼是「活著」？ 複雜生命又是如何演化而來？ 從幾萬英呎的高空到深不見底的深海海溝，我們的地球到處都充斥著生命。然而，生物學的核心卻是一個亙古難解的問題：複雜生命哪裡來？或者，換句話說，生命最初又是如何開始的。大師級生化學家尼克連恩則在本書中針對此問題提出解答。 第一個原始生命誕生之後，長達二十五億年的時光，這些單細胞生物基本上並無多大改變，仍維持原核型態。然而，在這生命演化的四十億年時光裡，僅僅一次，生命出現了跳躍性的成長，發展出前所未見的複雜性。在這之後所有的複雜多細胞生物，從香菇到人類，不僅出現令人費解、不同於原始細菌的生物特徵，如有性生殖、細胞凋零等，更甚，若是在顯微鏡下檢視這兩者的細胞，除了香菇有細胞壁之外，其他真核細胞的特徵皆一應俱全，無法輕易分辨兩者。為什麼只有真核細胞可以有這麼多樣的演化？以及，為什麼這樣激烈的演化是如何、又為何發生的呢？ 尼克連恩認為答案在於「能量」：地球上所有生命的代謝與存活皆需要耗費相當高能的能量。連恩以進化論為基礎，結合了前沿研究當中能量轉換與細胞生物學的關係，從中討論生命的起源到多細胞生物的出現，並提供一個嚴謹的論證，同時加深我們對於「活著」與「死亡」在生物意義上的見解。 既嚴謹又豐富，本書對生命起源的問題提供了一個解答，這個解答也可以幫助我們思索，在地球上出現的生命形式，到底是一個偶然，還是宇宙定律下的必然？
Publisher: 城邦出版集團 貓頭鷹出版社

貓頭鷹書房

有些書套著嚴肅的學術外衣，但內容平易近人，非常好讀；有些書討論近乎冷僻的主題，其實意蘊深遠，充滿閱讀的樂趣；還有些書大家時時掛在嘴邊，但我們卻從未看過……

如果沒有人推薦、提醒、出版，這些散發著智慧光芒的傑作，就會在我們的生命中錯失──因此我們有了貓頭鷹書房，作為這些書安身立命的家，也作為我們智性活動的主題樂園。

貓頭鷹書房──智者在此垂釣

■審定序 生命為何物？大哉問！

程延年

五年前，受邀為《生命的躍升︰四十億年演化史上最重要的十大關鍵》審定，並撰寫了序文「窺探新視窗，驚艷新十大」。全書十章，從「生」︰生命的起源，來自旋轉地球之外；到「死」︰死亡，是不朽的代價。一以貫之，讓人驚艷！時光荏苒，五年一瞬。再度受貓頭鷹書房之邀，審定本書，撰寫另一帖序文「生命為何物？大哉問！」。猶記去年十月下旬，我在倫敦「劍橋書屋」，手捧著剛出爐的原版硬皮精裝本。深秋迷霧，一股暖意湧上心頭。這本書封面，黑皮搭配反白與翠綠字樣，浮現一株蕨類的捲曲嫩芽，美極了！三百六十頁的大書，成為我案頭上常置的一片風景。

科學家中，眾多隱士高手，沉迷於「登山」，攀大山。超越巔峰，數十年如一日，持續夢想著征服心目中珠穆朗瑪峰的聖山，一探生命中最神祕的國度！本書《生命之源》（The Vital Questions）登峰造極，兩種版本的副標題，分別標示英倫版富詩意的《生命何以如是現身？》（Why is Life the Way it is?）；美國版本，則是散文式、平鋪直敘、自我詮釋的《能量、演化與複雜生命的起源》（Energy, Evolution and the Origins of Complex Life）。當絕大多數研究學者，焦點在DNA遺傳密碼，探究這群複製分子到底如何演化？連恩教授則慧眼獨具，直言︰笨蛋，是能量啊！生命本質，是細胞中的代謝化學，以及穩態的汲取養分，排出廢棄物質。沒有能量的「訊息」是一無用處的，就像是拔掉插頭的電腦，訊息將無法啟動執行任何事！這位倫敦大學學院的大師，花費二十年的時光，建構他的「生命的大能量」理論，誠然是原創研究者，思考大家，耐性十足。更讓人欣羨的，他也是具有獨特品味、風格的一位科普作家。在作者、科學本質，與讀者的三角關係中，連恩教授文筆清晰、易懂──即令，科學本體所探究的是更為深奧迷離；而讀者，將會在這趟攀登之旅中，驚艷於那出人意表的、非傳統式的生命科學新觀點，並且肯定會受益匪淺。

岩石、空氣與水，如何在「原湯」的初始地球，相互併合，崛生出最雛形的生命形式──生命何以如是現身？為什麼「複雜」的生命（像是動物與植物），演化自單一個祖型細胞？並且，在我們星球中，就僅僅演化出現一次？是必然抑或偶然？為什麼有「性」？而且僅存有兩性，而非三性，或多性別。為什麼我們會年華老去，會凋零，最終面臨肉身死亡？這中間，最核心的概念是︰「複雜生命」到底是如何崛生而起的？在地球上，生命演化的悠長歷程中，三分之二至五分之四的亙古美麗幽靜時光，是那一群「形式上簡單」的細菌所寡占、統領。讓人驚異的是，牠們卻呈現了生物化學上不可思議的多樣性，存活在各種極端的環境中。然而，細菌卻從未曾演化出「單一細胞」以上、更複雜的生命形式！為什麼？有關「生命起源」的議題，長久以來，可以視為「搖椅上的喃喃自語」──我們或許永遠不會知道，因此，不會太嚴肅的正視！我們或許依然想像它被監禁在暗室的牢籠中，沒有證據會浮現。這將是大錯特錯！近二十年來，強而有力的證據，在不同領域中崛起、一一浮現──跨界於遺傳學、地質學、生物化學與分子生物學。而這本書，提呈了所有堅實的證據，並且跨界、整合、串聯各項理論，緊密嫁接，將會面對著具備更寬廣知識背景的讀者群。假若，連恩教授所建構的思維體系是正確的話，它將有如哥白尼革命一般的重要，甚或更為驚世！

連恩教授追隨著威廉．馬丁博士，這位演化生物學家的印記，指出在數十億年前，一次偶然、意外的內共生作用（房東與房客的糾葛），在演化大樹上，造就了互相融合、而非分支的新結局。新房客提供了「能量」的租金，房東（宿主）交換了穩適的床位。房東／房客利用額外的收入，得以承擔更為複雜紅塵的投資。雙棲雙宿，牠們存活、繁衍、複製，並且演化。這個新房客，人們稱呼它為「線粒體」（在植物中，牠們變身為葉綠體）。每個細胞中，富含上千個能量的工廠，複雜細胞的每一個基因，擁有了加倍（至二十萬倍）的能量！生命布妥了舞台，形成了更大的基因體與無礙的演化大道。連恩教授針對生命起源的大哉問，又如何獨創嶄新的概念？他揚棄傳統、經典，那一汪「溫暖小池塘」，達爾文式的臆測──無生命物質，經由一道閃光雷擊，絕無可能融合成大分子，一如一堆的磚頭，經由一場暴風雨，無法建構起一個房子！連恩追隨先驅地質學家麥克．羅素教授洞見的洋底岩層，那兒有著炙熱、煉獄式、富含礦物質的水域──序列布陳的「深海熱液噴發口」。能量源源不絕的，來自地殼內部，富含各種養分。更重要的是，自然溫度與能量梯度，正適合於大分子的形成──一堆磚塊，終將在漫漫百萬年計的「地質時間」中，終於有可能形成一間適居的房子！更進一步，探針深入了更深奧的內情。生命，崛生於深海一個自然的「質子梯度－質子動力學」，連恩宣稱，一如DNA的宇宙遍存，質子梯度必然是一個「宇宙遍存的特質」，是生命最初始可能的搖籃！

解析生命攸關的重要問題，全書分成四部，七章（加上首尾，概說與跋文）。第一部，提問，提二問︰何謂生命？何謂活著？第二部，生命起源，探二事︰生命初始的能量之源與細胞的崛生（emergence）。第三部，複雜性，解二謎︰複雜細胞（所謂真核生物群）到底如何崛生的？性與死亡到底如何源起發生的？第四部，終曲預言︰讚頌能量的大力與壯闊，建構起「生命大能量」理論體系。最後跋文，以太平洋一千兩百米深海下，依附熱液噴發口的一顆獨特「細菌」──名之為「明神丘准核細胞」（Paralcaryon myojinensis）的神奇小傢伙為終結誘餌。喃喃自語的日本科學家們，無止盡的拚搏，再次興起攀登另一座聖母峰的迷戀。

我是「分子生物學」這門顯學的門外過客，專情於「化石生物學」的領地，觸探「演化論」的聖殿。貓頭鷹編輯部邀我審定尼克．連恩（Nick Lane），當今一代宗師的兩本大書的中譯本，膽子也夠大了。更有甚者，我不揣淺陋，貿然應允，接下重擔，更是斗膽！唯一能夠編織出的理由，是我鍾情於「什麼是生命？」這個從科學（古生物學的化石追尋）、到宗教、到哲學三域的迷人議題。陋室「冥古書齋」的左面書桌的案頭上依舊擺著《僧侶與哲學家──父子對談生命意義》（一九九七）；與《令人著迷的生與死──耶魯大學最受歡迎的哲學課》（二○一二）。轉身到右面大書桌上，堆疊著幾本大書，依序︰從薛丁格，這位頂著諾貝爾桂冠的大師的《薛丁格生命物理學講義：生命是什麼？》（What is Life? & Mind and Matter，一九四四）──那是先驅，鼻祖式提問並定調的經典著作！半個世紀後，洛夫洛克《Gaia: The Practical Science of Planetary Medicine》（一九九一），蓋婭假說，創新提出了地球演化與生命演化的互動共生關係。接續另一位傳奇大師人物馬格麗斯與薩根合著的《What is Life》，提出了內共生假說，振聾啟聵，被頌揚為「夢想不到的哲學」。而我，身為地質學者出身，對於地質學家華德與天文學家布朗尼合著的《珍稀地球》（Rare Earth: Why Complex Life Is Uncommon in the Universe，二○○○）格外關注，曾受邀撰寫了推薦序文《我們是宇宙間的孤兒嗎？》。生死為何物，直叫我沉醉。生命如何誕生、著陸於這顆藍色星球，更讓人著迷！往右移位，書架上直立擺置的，正是英國首屈一指的生化學家連恩教授的四本著作精裝原版與中譯本並陳。這幾本傳世經典，獲獎無數的科普書，已有超過二十國不同語文的譯本──從二○○二年問世的《氧︰建構世界的分子》；到二○○五年的《能量、性、死亡︰線粒體與我們的生命》；到二○○九年出版《生命的躍升︰四十億年演化史上最重要的十大關鍵》；到最新這本《生命之源︰能量、演化與複雜生命的起源》。

本書譯筆高妙，在譯者專業背景指引下，「信、達、雅」三者，至少得其二。正值報載台灣出版產業、產值，近五年來不幸腰斬。國人平均每年、每人閱讀書籍少於四本的窘局下，禮失則求諸野，「貓頭鷹」堅守初衷理念，推出科普系列──非新潮、非流行，非一目十行、過目即忘的淺薄書。我衷心期盼喜愛閱讀的讀者們若有所得，咸從捧手。這是一本攀登大山的好書！正襟危坐，閱讀它！

程延年　國立自然科學博物館考古學資深研究員，國立成功大學地球科學研究所合聘教授，專長為化石與演化生物學。論文發表於《自然》、《科學》、《古脊椎動物學報》等學術刊物。致力於科普教育，最新科普專書《水中蛟龍》獲二○一○年國家出版獎優等獎。

■審定序 生命演化的開源舞台

顏聖紘

或許你曾看過許多科普影片介紹「地球上的生命如何起源」，也曾在教科書上讀過這個議題。那麼你對這個議題的印象是甚麼呢？地球的初始是一個岩漿猛烈噴發、天崩地裂、閃電狂打四處都是熊熊烈火的世界嗎？接下來的地球就漸漸冷卻，在冷卻的過程中出現了許多大分子，之後這些大分子就漸漸地形成細胞的雛形，甚至還包藏著可進行自我複製的物質嗎？然後，生命現象，也就是生理代謝、自我複製、自我調節、複雜性就這樣忽然產生了嗎？然而單細胞是忽然產生的嗎？細胞內各種胞器的形成是在演化過程中一次到位的嗎？甚麼是早期的萬物之祖？甚麼又是晚近的萬物之源？多數的科普書中很少陳述這類議題的研究發展，甚至會以充滿神性與智能創造論的「造物主」一詞帶過。

那麼有了細菌以後，生物的演化就直接走向多細胞的植物與動物嗎？那海帶是植物嗎？香菇是植物嗎？細胞內具有光合色素的生物就是植物嗎？我們在日常生活中所接觸到生物真的只有動物、植物和細菌嗎？其實這個構成這個世界的動物不只有動物、植物，細菌，還有你可能從來沒聽過的不等鞭毛界、古蟲界、囊泡藻界、有孔蟲界、變形蟲界、和真菌界等等。你可能不知道「原生動物」這個經常出現在課本甚的類群已經不存在了。還有，人類和香菇的關係，比起人類與空心菜的演化關係更近，為什麼？許多生物在演化的歷程中都曾經得到其他生物的DNA而且因此變得更厲害，怎麼會這樣？

幾百年來科學家面對世界上這些眾多的生物時是不是很頭痛呢？如何認識它們？描述它們？為它們命名，並且推測它們之間的演化關係？有學者認為使用型態特徵來重建生物的演化關係是不足的，不客觀的。那麼在後基因體時代使用全基因體資訊來推測它們之間的關係就必然精準無比，無懈可擊嗎？

就算科學家有辦法推測這些生物的演化關係與起源歷史，又怎麼樣呢？我們如何能夠從這些演化假說中一窺地球生命演化歷程中產生的各種議題？我們有沒有辦法使用這些演化假說來推測過去、探索現在，並預測未來？

在現今大多數的科普書與科普影集中，《生命之源》這本書或許是首次試圖呈現與描述所有生物主要類群演化故事的著作。這本書描繪了自林奈以來的科學家試圖為這個地球上的生命分門別類，並且探索其起源的努力。正因為這數百年來的知識累積，我們現在知道生命的起源歷史比我們過去所知的更古老；真核生物可能源於一小群古菌；藍綠菌如何藉由內共生作用成為葉綠體，而具有葉綠體的生物又如何再成為其他生物的一部分；動物和真菌的精子為什麼如此相像？黏菌沒有神經系統也可能具備學習能力。當我們盛讚寒武紀大爆發對動物世界多樣化的影響時，不要忘了，還有除了植物與動物的許多生命形式，早在幾十億年前就已經悄悄地在地球上蔓延，它們在當年的「所作所為」不只神秘精彩，也造就了如人類一般複雜生物的演化舞台。

顏聖紘　英國倫敦大學帝國學院生物科學博士，現為國立中山大學生物科學系副教授，專長為昆蟲學、鱗翅學、演化生態學、擬態生物學、親緣生物地理學、水生植物學暨野生動物貿易管制政策。

■推薦序 生命之源的大躍升

黃貞祥

有這樣的說法，指稱我們不過是百分之十的人類，因為我們身上的微生物，佔了全身裡外細胞數的百分之九十。然而，沒有人在活著的時候，就長得像是《屍速列車》裡的喪屍，或者被噁心惡臭的黏液給包裹，甚至我們都能夠長期忽略身上那百分之九十的細胞，因為相較我們這些多細胞真核生物，身上那百分之九十的伙伴，實在是太太太不起眼了。

對於這群小不點伙伴，我們實在有資格嘲笑它們嗎？論在地球上存活的時間、論傳宗接代的速度、論能夠適應的環境廣度……這些原核小傢伙，簡直無所不能，更甭提在歷史上，它們對咱們人類的健康，闖過多少次禍。好吧，如果原核小傢伙們已經這麼牛逼，那麼為何它們不演化成多細胞生物呢？為何地球上所有多細胞生物，都是尾大不掉的真核生物呢？

地球上的生命多樣性高得令人咋舌，可是歸根究底，大致分成了三大域，也就是細菌域、古菌域和真核域，前兩域皆是原核小傢伙，我們是屬於真核的大傢伙。不管是原核還是真核，我們都是由一個極為類似構造──細胞給組成的。沒有細胞的病毒，儘管再蠻橫，生物學家顯然並不把它們當作真正的生命。如果沒有細胞讓病毒寄生，病毒不過就是蛋白質和核酸的組合，沒多少也會敗壞消失殆盡。

是的，能夠歷經三十幾億年的風風雨雨、大風大浪一路走來始終成功的，都是有細胞構造的生物。另外，我們和細菌差異再大，也還是共同了絕大部分的遺傳編碼，以致分子生物學家能夠哄騙細菌來製造人類的蛋白質。這些事實強烈地意味著，我們在遠古一定共同擁有一個祖先。而真核生物也一樣，有了細胞核，還有共生的線粒體，我們也是來自一個共同的祖先。

這一切都看似如此合情合理，可是仔細追問下去，其實又是詭異到不行。如果說細胞這構造超靠譜，為何在地球上，不多演化出幾次？就像 iPhone 這樣的智慧型手機這麼給力，頓時手機市場就成了戰國時代，而非讓蘋果獨霸。如果說真核生物這麼行，為何真核生物在地球上，也只有出現過一次？當真核生物現身後，多細胞生物可是在地球上演化出好幾次啊，這似乎才是正常現象吧？

這些問題，挑戰著科學家的智慧，在最新版的教科書，也找不到令人完全信服的答案。如果當今有一位科學家，要有資格來接受挑戰試圖提供解答，那麼非《生命的躍升》作者尼克．連恩莫屬。在他的新作《生命之源》，以一位生物化學家的身份，雄心勃勃地論證以上種種問題的可能解答。

演化生物學是門連結了所有生命科學分支的重要學門，涵蓋了分子生物學、細胞生物學、遺傳學、生理學、族群生物學、生態學等等從最微觀到最宏觀的學門。在眾多學門中，生物化學過去算是比較少被演化生物學家探討的學門，而生物化學家也比較不關心演化的問題。直到大概二十年前，一位名為 Michael Behe 的生化學家趁虛而入，寫了本《Darwin's Black Box》，試圖指稱所有的生化證據，再再反駁了達爾文的演化論。

《Darwin's Black Box》在歐美刮起了旋風，促成了智慧設計論的興起。雖然本質上換湯不換藥，智慧設計論比神創論聰明之處，在於剝去了宗教的外衣，不再傻傻地照聖經的字面意義做解讀並莫視所有科學證據，而是披上科學外衣利用科學事實來做論證。雖然這二十年來，智慧設計論的許多論據和論點都被科學地推翻了，可是當年卻讓演化生物學家疲於奔命，因為在歐美不時有人倡議既然智慧設計論也可以是科學理論之一，那就該放入教科書中在課堂中被教授。

過去二十年來，科學界累積了更多的證據一再支持了達爾文的演化論，而演化生物學家也更看重生物化學的證據，生物化學家也更願意從演化的角度來思考一些生化問題，但是嚴肅認真地從生物化學的角度來思考生物演化可能性的科學家，也就是演化生物化學家，在演化生物學界仍是小眾。幸運的是，在這個小眾裡頭，仍然出現了幾位極為傑出有創見的科學家，本書作者尼克．連恩和他的麻吉威廉．馬丁就是其中的佼佼佼者。

他們的研究，讓我們能夠大致瞭解複雜生物為何能夠現身演化舞台。他們給出的答案，用最最最簡單的一句話來總結，那就是「問題出在能量，笨蛋！」如果沒了能量，生命就是一片死寂。尼克．連恩不僅是位很有創見的學者，他同時也是位優異的科普作家，雙劍合壁的結果，創造出能在深入淺出的科普書，吸收到嚴肅教科書都來不及加入的一手知識。

演化生物學是門論證性很強的學科，因其為一門歷史科學，我們至少在可預見的未來，還無法製造出時光機回到過去看看生命演化早期的模樣，所以只能從現在殘存的片斷證據中推敲論證。尼克．連恩就像寫本偵探推理小說一樣，試圖從蛛絲馬跡中重建過去的犯罪現場。

尼克．連恩仔細討論為何他認為「鹼性熱液噴發孔」比起教科書裡較常提到黑煙囪噴發孔更有可能是生命起源之處。鹼性熱液噴發孔的碳酸鈣煙囪充滿微孔，適合合成有機分子。微孔能夠濃縮熱化學物質，並且富含鐵和硫，能夠創造能量梯度。

另一些生命演化的難題，包括細胞如何變得複雜？為何會演化出「性」？為何生物學上只有兩性，而非三四個或更多種性別？我們為何會衰老和死亡？還有多細胞生物怎麼能夠讓細胞們合作無關？尼克．連恩認為關鍵都來自線粒體。線粒體原本就是獨立生活的原核生物，當和吞噬了它們的細胞共生了，就像包租公騙到了會印鈔票的租戶，可以賺進大把ATP幣，用來瘋狂血拚狂買一堆奢華品，還能繼續炒房炒樓。租戶和包租公之間還演化出了一大票狗血淋頭的故事……。

《生命之源》不僅論證嚴謹，還有許多好故事。生命科學到處充滿著令人眼花繚亂的和意外的複雜性，瞭解生命現象為何是今天看到的模樣，是生命科學最基本的基石，而《生命之源》是理解這個大哉問最重要的書籍之一，值得所有關注生命現象的朋友一同來研讀。

黃貞祥　清華大學生命科學系助理教授／泛科學專欄作者。

推薦短語 （按姓氏筆畫序）

我們眼前繽紛的生物世界究竟是怎麼形成的？其實這個問題包含兩個部分：第一，生命最初是如何產生的？第二，生命出現之後是如何演變成如此多樣的形式？本書以能量的觀點企圖解釋生命的起源以及能量如何限制早期原核細胞的發展。一直到真核生物出現，突破了能量的桎梏，生命才得以展現出無盡的多樣性。從這個觀點出發，作者也企圖解釋為何多細胞生物「看起來」相當突兀的現象，包含有性生殖、老化、以及死亡等，是無法避免的。全書雖然探討生物學核心的問題，但是在作者的生花妙筆之下，即使是一般讀者也能夠一窺這謎中之謎（mystery of mysteries）。

──王弘毅／臺灣大學臨床醫學研究所教授

生命是什麼？從何處來，又往何處去？這是千百年來一直困擾人類的大哉問。無論是從宗教的角度詮釋生命的意義與價值，或是嘗試在實驗室裡製造生命，都還難以獲得一個明確肯定的答案。即使準備生命所需的分子和原子，為什麼仍無法合成活生生的生命？尼克‧連恩揉合生命科學與化學的知識，帶我們回到生命共有的基本結構，從蛋白質和胞器這些微小元素之間的物質與能量流動，尋找能夠解答生命之源的蛛絲馬跡。

──林大利／行政院農業委員會特有生物研究保育中心助理研究員

生命的關鍵是自我複製──資訊的傳遞，抑或是新陳代謝──能量的流動？在生命的起源與演化上，熱力學與電化學扮演了什麼樣的角色？複雜細胞與性和死亡的關聯又是什麼？

尼克．連恩所描寫的生命起源模型，是一個尚未被學界普遍接受的新穎觀點，然而其旁徵博引，立論嚴謹，卻又使得它讀起來如此之迷人。隨著本書，讀者有機會身處科學辯證的最前線，一同體會探索新知與發掘未知的驚奇與喜悅

──林勇欣／國立交通大學生物資訊所副教授

生命的開始起源於能量的流動，卻也限制了細菌與古細菌的細胞結構與演化方向。若不是一次偶然，細菌嵌合古菌成了第一個真核細胞，多樣形態與構造複雜的真核生物也不會出現。真核生物如何運用體細胞與生殖細胞的分化，以死亡的代價，換得生殖力與生命力。本書以能量的觀點，易懂的文句闡述真核生物的演化，為讀者掀開隱藏在細胞內生命起源的奧秘。

──陳濟民／國立台灣博物館館長

具名專業推薦（按姓氏筆畫序）

李家維／《科學人》雜誌總編輯

林仲平／國立台灣師範大學生命科學系教授

邵廣昭／國立台灣海洋大學講座教授、中央研究院生物多樣性研究中心兼任研究員

孫維新／國立自然科學博物館館長

徐堉峰／國立臺灣師範大學生命科學系教授

高文媛／國立台灣大學生態學與演化生物學研究所教授兼所長

彭鏡毅／中央研究院生物多樣性研究中心前研究員兼博物館主任

獻給阿娜

在這段奇妙的旅程裡，

妳一直是我的伴侶，

也是靈感的來源。

序論 為何生命會是這樣地存在？

在生物學的核心議題，有一個黑洞。直白地說吧，我們其實不知道，為什麼生命，是以今日這樣的形態，存於世上。今天地球上所有的複雜生命，都來自一個共同的祖先；那是一顆從簡單細菌祖先所演變出來的細胞；在整整四十億年的時光中，只有過這麼一次偶然的機緣。這只是某個瘋狂的意外？抑或是大自然其實還做過其他複雜生命的演化實驗，但全都以失敗告終？我們不得而知。但是我們知道，這個所有生命的共祖，已經是一個非常複雜的細胞了。它有著跟你的細胞差不多一樣的複雜性，而且它把這個複雜性，不只傳給了你跟我的細胞，還傳給了其他所有後代，從樹木到蜜蜂都是。你可以在顯微鏡下面，試著分辨自己的細胞跟香菇的細胞。你會發現，它們長得幾乎一模一樣。但是我們長得一點也不像香菇呀，那為什麼我們的細胞卻如此相似呢？而這，不只是外形相似的問題。所有複雜生物的細胞，都共享著數種非常精巧、令人咋舌的特徵，諸如有性生殖、細胞自殺以及老化。然而這些特徵，在細菌身上，卻完全沒有可以相比擬的行為。關於「為什麼這些獨一無二的特徵，會全部聚集在我們那個祖先細胞身上？」或是「為什麼這些特徵，並沒有在細菌身上，獨自演化出來？」這些問題，學界並沒有統一的答案。如果說，這些特徵，都是透過天擇所篩選出來，而天擇的原則，就是每一代都略有差異，而且每代都比上一代更優秀一點，那麼為什麼類似的特徵，卻沒有在其他的機緣下，在各種不同的細菌族群中演化出來呢？

這些問題，其實凸顯出了，生命的演化在地球上，所遵循的是一條極為獨特的軌跡。生命在地球誕生約五億年之後出現，大概是四十億年以前，但是之後它的複雜程度，就卡在細菌等級，卡了超過二十億年，這已經差不多是我們地球年齡的一半了呢。細菌的外形，在這整整四十億年裡面，都跟剛開始出現時一樣簡單（但是它們的生化反應，可一點也不簡單）。相反的，所有外形複雜的生物，包括所有的植物、所有的動物、真菌、海藻，以及我們稱為「原生生物」的單細胞生物，像是變形蟲之流，全部都是從約十五到二十億年前，同一個祖先所繁衍出來的。這個祖先，很明顯是個「現代化」的細胞，它有極為精巧的內部結構、前所未見的分子機動性；這些，全部都是由許多複雜的奈米機器所驅動，而這些奈米機器，是由數千個基因所製造。這些基因，大部分都不曾在細菌身上見過。然而，在細菌跟這個細胞祖先之間，沒有殘存的演化中間形態；沒有所謂的「失落的環節」，可以用來解釋這些複雜的特徵，是如何以及為何出現。在形態簡單的細菌，跟歎為觀止的各種複雜生物中間，是一片難以解釋的空白鴻溝。這是演化學上的黑洞。

我們每年都要花上幾十億美金，做生醫研究，極力尋求諸如「為何我們會生病」這種複雜問題的答案。對於基因跟蛋白質如何互動、調控它們的分子路徑為何？它們又是如何互相影響？我們不但所知甚多，而且非常詳細。我們也建立了精巧的數學模型、設計了電腦模擬程式，去驗證我們的預測。但是，我們卻不知道這些細節，如何演化出來！如果我們不知道為什麼細胞如此運作，那我們如何能夠期望自己了解疾病呢？就像如果我們不知道一個社會的歷史變遷，就不可能理解這個社會一般；如果我們不知道細胞如何演化出來，就不可能理解它的運作原理。而這還不只為了實用的理由而重要，這也是關乎於人類的問題，關於為何我們會出現的問題。到底是哪些科學定律，規範了宇宙、恆星、太陽、地球，以及生命的誕生呢？同樣的定律，是否也統御了宇宙其他地方的生命？外星人的生命形態，跟我們的一樣嗎？這些形而上的問題，也正是我們何以為人的核心問題。在我們發現了細胞約三百五十年以後，我們卻仍然不知道，為何地球上的生命是如此運作。

或許你沒注意到我們其實不知道答案，不過這不是你的錯。今天教科書跟期刊上提供了各種資訊，但是絕大多數，都不是在研究這類「童稚的」問題。而網路上，又充斥著各種雜亂無章的論據，其中還混入程度不一的胡言亂語，讓我們暈頭轉向。不過，不知道答案的原因，不僅僅只是因為資訊過多的緣故，事實上，只有很少的生物學家稍微意識到，在他們的研究的主題中心，有個大黑洞。大部分的科學家，都忙於研究其他的問題。他們研究的材料，絕大多數都是較大型生物，或是幾種特定的動物或植物；相較之下，只有很少數的人在研究微生物，而只有更少的人，才在研究細胞的早期演化。這其中還要擔心創生論者與「智能設計論者」的攪局：承認我們其實無法回答所有問題，很可能會幫否定論者，也就是那些全盤否認我們對於演化論，有任何扎實知識的人，開了一扇大門。事實上，我們對演化論的知識，當然非常扎實，而且我們知道非常多。關於生命起源以及早期細胞的演化，所做的假設，除了必須要能解釋一籮筐的現象、要局限於現有知識的框架下，同時還要能預測意料之外、但是可以透過實證來驗證的交互作用。我們對於天擇所知甚詳，對於某些會改變基因體的隨機意外，也了解不少。這些現象都跟細胞的演化相吻合。但是，也正是這些現象，造成我們的疑問：為什麼生命的演化，是循著這樣一條軌跡呢？

科學家都是充滿好奇之人，如果這個問題是如此明顯的話，它應該會家喻戶曉才對。然而事實上，它其實一點也不顯眼。眾多爭相出頭的解答，往往僅局限於圈內人流傳而已，更糟的是，它們還常讓問題顯得更加隱晦。另一個問題是，這些解謎的線索，需要來自各個不同領域，從生物化學、地質學、譜系發生學、生態學、化學以及宇宙學等等。沒幾個人，能敢自稱是所有領域的專家。尤有甚者，今日我們正處於基因組革命（genomic revolution）的潮流中，科學家已經掃描出數千段完整的基因體序列，全部伸展開來的話，大概有幾百萬到幾十億個字母之多，而且常常帶著跟遠古時代完全相反的訊息。要解讀這些訊息，需要非常嚴謹的邏輯能力，同時要熟稔資訊學跟統計學，如果還懂一點生物學，則更有加分之效。所有的論證，常常像是走在五里霧中一般；每次我們打開一個缺口，眼前所展開的，就是一幅更超現實的景象。過去曾讓我們感到滿足的論點，瞬間消失殆盡。眼前所面對的，是一幅全新的圖像，既真實，又棘手。不過從研究者的觀點來看，能找到新穎且重要的新問題，可是極其興奮的一件事呢！現在，生物學界最大的問題尚待解答，而本書，就是我試著去解答它的起點。

細菌如何跟複雜的生命產生連結？關於這個問題，要追溯回到一六七○年代，荷蘭的顯微鏡學家雷文霍克（Antony van Leeuwenhoek）發現微生物的那個時代。他在顯微鏡下面所展示的活潑「小動物們」，剛開始少有人信，不過很快地，就被另外一位天才虎克（Robert Hooke）所證實。雷文霍克那時也觀察到了細菌，並在他一六七七年所發表的著名論文裡寫道：「在我的視野下面，它們是難以置信的小，小到這樣的程度，讓我覺得即使有一百個這種小東西，一個接著一個排起來，也不會超過一粒沙的寬度；假使真的是這樣的話，那麼一百萬個這種小生物在一起，大概勉強跟一粒沙的體積一樣大吧。」。以前很多人懷疑過，雷文霍克真的可以用他那台簡陋的單眼顯微鏡，看到細菌嗎？不過現在這點應該是毋庸置疑的。他發現兩件事，第一，他發現細菌無處不在──不僅僅只是在自己的牙齒上，也在雨水中、在海水中。第二，根據微生物各種引人注意的行為，以及「小腳」構造（纖毛），雷文霍克直覺地將「非常非常小的動物」（細菌），跟「大怪獸」（也就是細小的原生生物）兩者區分開來。他甚至注意到了有些較大的細胞，體內帶有許許多多的「小泡」，他把這些小泡拿來跟細菌相比，當然，那時候他用的不是「細菌」這個名稱。在這些小泡之中，雷文霍克應該已經觀察到了細胞核，也就是所有複雜細胞體內的基因儲存所。不過除此之外，這些結果就這樣被靜靜地擱置了好幾世紀之久。在雷文霍克發表他的結果五十年之後，著名的分類學家林奈（Carl Linnaeus），也僅僅只是把所有的微生物，全部歸類到「蠕蟲門」（phylum Vermes）下面的「變形蟲屬」（genus Chaos）而已。十九世紀時，與達爾文同時代的德國科學家海克爾（Ernst Haeckel），同時也是一位偉大的演化學家，曾再次將細菌與其他微生物區分開來，將它們之間巨大的差異正式化。不過從概念上來說，直到二十世紀中葉以前，這方面的研究沒有太大的進展。

生物化學知識上的統合，是這個問題的轉捩點。細菌在代謝反應上面所展現的多才多藝，讓它們非常難以被分門別類。它們幾乎可以生長在任何一種環境下，從水泥、電池酸液到玻璃表面都可以。如果這各種各樣的維生方式，沒有什麼共通點，那我們要怎麼將細菌歸類呢？而如果無法分門別類，又怎麼有辦法了解它們呢？幸好，就像化學周期表統合了化學一般，生物化學也為細胞演化，帶來了可循的規則。另外一個荷蘭科學家克萊佛（Albert Kluyver）曾經指出，所有生命雖然看似複雜多樣，其實都是根基於類似的生物化學反應過程。呼吸反應、發酵反應以及光合作用，外表差異極大，但其實都有一樣的基礎；而這種概念上的完整性，正好見證了所有的生命，都是源自一個共同祖先。會發生在細菌身上的，也會發生在大象身上。因此，如果從生物化學的等級來看，那細菌跟複雜生命的界線，就幾乎不存在。細菌誠然比複雜生命要多才多藝，但是維繫牠們生存的基本反應，是非常相似的。克萊佛的學生凡尼爾（Cornelis van Niel）跟史坦尼爾（Roger Stanier），或許是對細菌與複雜生命之間的差異，描述得最透徹的人了：他們說，細菌是最小的功能單位。意思是說，從功能的角度來說，細菌就像原子，不可再被分割。比如很多細菌，都能行跟我們一樣的呼吸作用，但是它們必須要用完整的個體來處理，而無法像人類的細胞一樣，裡面有一小部分構造，專門用來處理呼吸作用。隨著細菌長大，它們會分裂成兩半，但是它們的功能卻不會分成兩半。

接著，有三場最關鍵的革命，顛覆了我們在二十世紀上半葉，所建立起來對生命的看法。第一場，是由美國微生物學家馬古利斯（Lynn Margulis）所挑起的，在一九六七年那個有嬉皮革命而著名的「愛之夏」。馬古利斯認為，複雜的細胞，並非遵循「標準」的天擇規則演化出來，而是經由一種狂亂的合作方式所產生：細菌彼此合作之緊密，讓一個細菌甚至進入另一個體內。一般所謂「共生」，指的是兩個或多個物種之間，長期的互動，通常都是彼此交換代謝物質，或是互相服務。在細菌的例子裡，這些被交換的物質，是生命之源，是代謝所需的受質，也是支持細胞活下去的動力。馬古利斯用了內共生作用（endosymbiosis）來描述這現象：它跟共生一樣是交換，但是這種交換是如此親密，以至於某些合作夥伴，乾脆直接住在宿主細胞體內；就像聖經裡面說的：「商人乾脆直接在聖殿裡面做起生意了。」其實這種想法的根源，可以追溯回二十世紀早期，而它的遭遇，讓人聯想起古老的板塊理論。板塊理論指出，非洲跟南美洲兩塊大陸，「看起來」很像是曾經連在一起，然後被拉開來；但是這個天真的論點，長久以來都被斥為無稽。細胞也是一樣，有些複雜細胞體內的構造，看起來就像是細菌，而且似乎也會獨立生長跟分裂。或許，最簡單的解釋就是，它們本來就是細菌。

也如同板塊理論一般，這些想法，都遙遙領先它們的時代太多。一直要到了一九六○年代，分子生物學的時代興起後，才有可能提供強而有力地實例證明。馬古利斯提出了細胞內兩個特化的構造為例：第一個是線粒體，也就是呼吸作用的基地，在這裡，食物會和氧氣燃燒，轉換成生命所需要的能量；另一個例子則是葉綠體，也就是植物體內的光合作用引擎，可以將太陽能轉換成化學能。這兩個「胞器」（意思是細胞的微小器官），仍然保有自己非常獨特的基因體，帶有一小撮基因，可以轉譯出幾十個參與呼吸作用或是光合作用的蛋白質。這些基因的序列，洩漏了它們的身世：很明顯地，線粒體跟葉綠體，都是從細菌變來的。注意，我是說「變來的」，因為它們已經不再是細菌，也沒有任何獨立性了，大部分維持它們生活所需的基因（至少需要一千五百個基因左右），都已經跑到細胞核，也就是細胞的基因控制中心裡了。

關於線粒體跟葉綠體，馬古利斯是對的。到了一九八○年代，已經沒什麼人再質疑這項論點。不過馬古利斯的野心遠大於此。她認為，複雜的細胞，也就是我們所熟知的真核細胞（eukaryotic cell，這個字源自希臘文，意思是「有真正的核」），其實就是共生作用的拼貼作品。對她而言，細胞的其他部分，特別是纖毛（也就是雷文霍克稱之為「小腳」的構造），也都是從細菌演變來的（她認為纖毛來自螺旋體）。她的理論後來漸漸合併了各家論點，最後馬古利斯將其正名為「連續內共生學說」。她認為，不只細胞是細菌的合作成果，其實整個世界，都是細菌們互相合作的網絡，也就是所謂的「蓋婭」；這是她跟英國科學家洛夫洛克（James E. Lovelock）一起提出來的先進想法。雖然「蓋婭」這個概念，在除去了洛夫洛克原本非常目的論的內容之後，最近幾年轉化成比較正式的面貌，也就是所謂的「地球系統科學」（earth systems science）重生，也較被大眾接受。但是另外一個概念，關於複雜的「真核細胞」，是由細菌拼裝而成，則只有很少的證據支持。事實上，大部分細胞裡面的構造，看起來都不像是來自細菌，同時，基因上面也沒什麼證據支持這種看法。因此，馬古利斯說對了一半，但是對另一些部分，則幾乎是錯定了。不過她的奮鬥精神、堅強的女性特質、不畏與達爾文主義者互爭鋒頭，以及傾向去相信一些帶有目的性的理論，混在一起，注定了她在二○一一年，因為中風而英年早逝後，留下頗具爭議的形象。對某些人來說，她是女性主義的英雄，在另一些人眼中，她卻像個失控的大砲。不幸地，這些都讓人忽略了她的科學成就。

第二場革命，是一場「譜系發生學」的革命，這是一門探尋我們祖先基因的學問。早在一九五八年，克里克（Francis H. C. Crick）就已經預測了這場革命會出現。他用一貫冷靜的文筆寫道：「生物學家應該體認到，很快地就會出現一個新的研究主題，或許可以稱作『蛋白質分類學』（protein taxonomy）──我們可以研究各種生物的蛋白質胺基酸序列，然後比較各物種之間的差異。這些序列，可能代表了生物表徵裡最細微的部分，同時可能有大量的演化資訊隱藏於其中。」結果，它真的實現了。現代的生物學，幾乎就是在研究蛋白質跟基因序列裡面隱藏的資訊。現在，我們已經不再直接比對胺基酸序列，而是比對DNA裡面的字母順序（因為DNA負責轉譯出蛋白質），這樣做的敏感性更高。不過儘管如克里克般有遠見，在當時也沒有人能想像到，我們會從基因裡面，挖掘出怎樣的祕密。

這次傷痕累累的革命先鋒，是微生物學家渥易斯（Carl R. Woese）。他大約從一九六○年代開始，就默默地著手進行研究，但一直要到約十年之後才獲得成果。渥易斯選擇了一個基因，做為各物種之間比較的標準。當然啦，這個基因，必須是所有生物都擁有，而且在大家身上，它還必須做著一模一樣的工作才行。同時這項工作，必須是非常重要而基本，基本到如果有一絲絲功能上的改變，都會導致細胞被天擇淘汰。如果大部分的變動都被淘汰了，那剩下的，就是改變很少的基因──也可以說這是從亙古以來，改變極為緩慢的基因。如果說，我們想要比對各物種之間，幾十億年以來基因所累積的差異，然後藉此畫出一棵、可以一直追溯到物種誕生之初的生命樹，那麼變異緩慢這點，就絕對必要。而這也正是渥易斯宏遠的野心所在。為了要符合這一切的要求，渥易斯回頭把重心放在一個所有細胞都有、而且是最基本的工作上，那就是製造蛋白質這件事。

細胞的蛋白質，是由一種叫做「核糖體」的超小奈米機器所製造；所有的細胞，都有這種優秀的機器。在進入資訊時代後的生物學裡，最具代表性的東西，大概除了那圖騰般的雙螺旋DNA以外，就屬核糖體了。從各種尺度上來講，它的構造都正好體現了一種，人類智慧難以想像的矛盾。細胞已經很小了，小到在人類歷史大部分的時間裡，完全沒有人知道它們的存在。但是從數量級上來看，核糖體更是小到不可思議的地步：光是你的一顆肝細胞裡，就可以塞下一千三百萬個核糖體。不過，核糖體不是只有體積小讓人難以理解，若從原子的尺度來看，它們還是複雜到難以想像的超級機器。它們由許多次單元組合而成，是一台會移動的機器；而它們工作起來精確的程度，遠遠勝過自動化工廠的生產線。這一點也不誇張：核糖體的工作，有如讀著一條發報機的紙帶，每條紙帶上，都寫好了製造一條蛋白質所需的密碼。核糖體一邊精確地依序翻譯它們，一個字接著一個字地，同時一邊把所有所需的蛋白質零件（胺基酸），連成一串長鏈，組裝出一條蛋白質；而每個胺基酸的順序，都根據紙帶上的密碼順序。核糖體工作的出錯率，大概是每一萬個字會錯一個，這數字，遠低於世上任何高精度工業的製造程序。而它們工作的速率，大概是每一秒鐘可以串起十個胺基酸，一條由數百個胺基酸接起來的蛋白質，只要不到一分鐘就可以做出來。渥易斯選擇了核糖體的一個次單元，或者說這台機器的一個零件，去比較在不同物種之間，從大腸菌、酵母菌，到人類體內，這個零件的基因序列，有什麼不同。

這個比較的結果非常驚人，完全顛覆了我們對這個世界的看法。渥易斯可以清楚的區分細菌與複雜的真核生物，這部分沒有問題。在這一棵根據物種基因相似程度所畫出來的樹上，細菌跟真核生物這兩大家族，分開在不同枝幹上；而各家族內的不同生物，也可以區分開來。這部分結果唯一讓人意外的是，動物、植物與真菌，這三群讓大部分生物學家，耗費畢生心力研究的對象，竟然是如此親近。而真正讓人跌破眼鏡的結果，則是他分出了另外一群新的生物「域」（domain）。我們其實已經認識這些單細胞生物很久了，但是過去一直都把它們當成細菌，因為它們看起來，真的就跟細菌一模一樣：一樣的小、一樣的缺乏值得注意的內部構造。但是它們的核糖體，卻像《愛麗絲夢遊仙境》裡面那隻微笑的貓一樣，洩漏了看似不存在、卻留在那裡的祕密。新分出來的這群生物，或許一樣沒有真核生物的複雜性，但是它們的基因跟蛋白質，卻跟細菌的完全不同。現在這群單細胞生物，我們稱為古菌（archaea），因為原本科學家直覺地認為，它們可能比細菌還古老，不過這種看法可能有誤。新的觀點認為，它們兩者應該一樣古老。但是令人費解的是，從基因跟它們的生化反應來看，古菌跟細菌之間的鴻溝，跟細菌與真核生物（我們）之間的差異，一樣巨大。根據渥易斯那棵著名的「三域」生命樹，古菌與真核生物反而是「姐妹群」，兩者分家比較晚。

從某些方面來看，古菌與真核生物，確實有很多地方很像，特別是它們處理資訊的方式（也就是說它們讀取基因的資訊，然後轉譯成蛋白質的方式）。古菌有少許跟真核生物很相似的複雜機器，而這少數相似之處，就是真核細胞複雜化的種子。渥易斯並不認同細菌與真核生物之間，是因為在形態上有巨大鴻溝而不同；相反地，他主張將生物分成三個地位相等的域，每一域在演化上，都各自發展出一片天，沒有哪一域可以算是其他域的祖先。渥易斯最強調的，就是拒絕使用老舊的「原核生物」（prokaryote）這個名詞。「原核」這兩個字，是「在有細胞核以前」的意思，古菌跟細菌都符合原核生物的定義。渥易斯反對的理由，是因為他認為，並沒有任何基因上的證據，支持古菌與細菌的出現，早於真核生物。相反的，渥易斯認為這三域生物，都可以直接回溯到最古老的年代，它們共享一個祖先，但不知何故分道揚鑣。在他晚年，渥易斯對於演化最早期階段的看法，卻變得神祕難解。他認為我們對生命，需要有一個更全面、更整體的看法。這是很諷刺的一件事，因為由渥易斯自己所寫下的革命史，本身卻是根據非常化約的、單一基因的分析。渥易斯所掀起的革命，當然是貨真價實的；而細菌、古菌跟真核生物，也毫無疑問分屬於完全不同的族群。但是他的整體論主張，也就是必須把所有生物的所有基因體，都納入分析，正帶領了我們進入第三場細胞革命，而這場革命，又顛覆了渥易斯自己的結果。

這第三場革命正方興未艾，它的推論其實有點微妙，但是影響層面卻非常廣。這場革命的起因，正是根基於前兩場革命，它的問題是：前兩場革命之間的關聯是什麼？要知道，渥易斯的生命樹所描繪的，是一個非常重要而基本的基因，在三個生物域中分歧的情況。而馬古利斯則完全相反；她主張的，是不同物種的基因，會透過內共生作用互相取得、融合，然後合而為一。如果要畫成樹狀圖的話，會是一棵融合的樹，而不是分岔的枝幹，這跟渥易斯的主張完全相反。他們不可能都對！但是其實他們也都沒有全錯。在科學裡面常常就是這樣，事實總是介於兩者之間。不過，你可別以為這是兩者妥協後的成果。其實，這次的答案，與其說是另類，不如說讓人振奮。

我們現在知道，線粒體跟葉綠體確實是從細菌，透過內共生作用演化而來。但是細胞的其他部分，則很可能是透過傳統的方式演化出來。問題是，這些事件在何時發生？葉綠體只存在於藻類跟植物體內，因此最可能是由藻類跟植物的共祖獲得，這應該發生在比較晚的時間點。相反地，所有真核生物都有線粒體，所以線粒體的取得，應該比較早（這裡有一些背景故事，我們將在第一章詳談）。但是有多早呢？或者換個方式問，哪一種細胞，可以獲得線粒體？教科書上面的標準答案常常是：一個比較複雜的細胞，像變形蟲一般，是一個掠食者，可以改變形狀、匍匐前進，可以透過一種叫做「吞噬作用」的動作，吞掉其他細胞。換言之，可以吞掉線粒體的細胞，應該是一個即將完備、相當資深的真核生物細胞了。不過我們現在知道這是錯的。過去幾年，針對更多較具代表性的物種，大量分析它們的基因之後，科學家得到了一個非常明確的結論，那就是：獲得線粒體的宿主細胞，應該是個古菌，是一個來自古菌域的細菌！所有的古菌，都是原核生物。根據這個定義，它們沒有細胞核、沒有性生活，也沒有任何複雜細胞的行為特徵，當然也沒有吞噬作用。根據形態學對「複雜」的定義來看，這顆宿主細胞可說是一無所有。但是，不知道怎麼著，有天它得到了一個細菌，然後細菌變成了線粒體。而只有從那時候開始，它才漸漸演化出其他複雜的特徵。如果是這樣的話，那麼關於「所有複雜的生命，均來自同一個祖先」這件事，很可能取決於它有沒有獲得線粒體，是這件事引發了複雜生命。

這個激進的觀點：「複雜的生命，源於一個古菌宿主，與一個變成線粒體的細菌之間的內共生作用。」早在一九九八年，就由一位擁有過人直覺的演化生物學家，馬丁（William F. Martin）預測過了。馬丁是一位思想奔放的人，他的猜測，是根基於我們觀察到，真核生物的基因，呈現了一種驚人的拼貼式排列法，這其中大部分都是他本人發現的。舉個生化反應的例子好了，比如發酵作用：古菌會進行一種發酵反應，而細菌的發酵反應則很不一樣，控制這兩種發酵作用的基因，非常不一樣。但是真核生物呢，則是從古菌那裡拿一點基因，再從細菌那裡拿一點基因，然後把兩者編在一起，形成另一套配合緊密的發酵反應步驟。這種錯綜複雜的基因混合現象，不只出現在發酵反應上，幾乎所有複雜細胞的生化反應皆如此，這真的是非常誇張的事情。

為什麼宿主細胞，要從內共生者那裡，拿來這麼多基因？又為什麼它要把這些基因，緊緊鑲嵌到自己的基因裡面，把原本就有的基因換掉呢？對這些問題，馬丁想得非常透徹。他跟謬勒（Miklós Müller）一起提出了一個答案，稱之為「氫氣假說」（hydrogen hypothesis）。他們認為這個宿主細胞是一個古菌，而古菌可以靠兩種簡單氣體為生，一個是氫氣，另一個是二氧化碳。這個內共生者（也就是未來的線粒體），則是一個多才多藝的細菌（就細菌來說，這很正常），它可以提供宿主細胞生長所需要的氫氣。當我們一步一步靠著推理，慢慢揭開兩種細菌之間相處的詳細情形後，才知道為何一個原本靠著簡單氣體，就可以過活的細菌，後來會變成一個到處搜刮有機物（食物），來供養內共生者的細菌。不過，這不是這裡的重點。真正值得注意的是，根據馬丁的預測，複雜的生命，興起於兩個細胞間的單一共生事件。他預測「宿主細胞」就是一個古菌，缺乏真核細胞的複雜構造。馬丁認為，根本就沒有什麼較簡單的、中間型的、缺少線粒體的真核細胞；取得線粒體，跟複雜生命的誕生，是一體兩面，是同一件事情。同時馬丁認為，所有複雜細胞的精巧特徵，包括細胞核、性行為，以及吞噬作用，都是在經過了這個獨特的內共生事件，在取得線粒體以後，才會演化出來。他的預測，是演化史上最棒的洞見之一，值得廣為傳播。很可惜的，如果這理論，不是因為跟「連續內共生學說」混淆在一起的話（但是兩者預測出的結果，完全不同），它應該會更有名。馬丁理論中的各項具體預測，在最近二十年裡，都已經透過基因研究，被細細檢視過。這理論，就像是個紀念碑一樣，見證了生化推理的威力。如果諾貝爾獎有生物學獎項的話，應該沒有人比馬丁更有資格拿。

然而，繞了一圈，我們又回到了原點。我們已經知道了非常多事情，但是，卻仍然不知道為何生命會變成今天這樣的形式。我們知道複雜的細胞，在這四十億年的演化史中，只有一次機會，透過一次古菌跟細菌之間的內共生作用誕生（見圖1）。我們也知道，複雜細胞的種種特徵，都出現在這次融合之後；但是我們仍不知道，為什麼這些獨特的特徵，會出現在真核生物身上，卻從不出現在細菌，或是古菌身上？我們依然不明瞭是哪些力量，限制了細菌跟古菌？為什麼它們的形態一直是如此簡單？儘管它們能執行的生化反應，已經遠遠不同於以往；儘管它們的基因，已經變化甚多；儘管它們如此多才多藝，可以從氣體跟岩石中活出生命？我們現在所有的，是一個非常前衛的理論架構，可以讓我們在追尋答案時遵循。

我相信答案的線索，就藏在那古怪的生物能量產生機制裡面。這個奇怪的機制，在細胞身上施加了一種非常普遍、卻甚少被察覺的限制。基本上，所有的生命，都是靠著「質子流」在維持生命（質子，是一顆帶正電的氫原子。譯注：一顆質子跟一顆電子結合在一起就會變成一個氫原子）。它有點像是電力，不過要把電子代換成質子，所以可以稱為質子力（proticity）。當我們透過呼吸作用燃燒食物後，所產生的能量，都會用來把質子運輸過一張膜，讓這張膜的一側像水庫一樣，充滿質子。當這些質子穿過膜流回另一側時，它們的作用方式，就像是水庫大壩的水流一樣，會推動水力發電廠的渦輪發電。這種在膜的兩側，製造出質子的濃度梯度，來幫細胞發電的方式，完全出乎我們意料。這個理論最早在一九六一年被提出，在隨後的三十年間，由二十世紀一位最有創意的科學家，米契爾（Peter D. Mitchell）逐漸發展完成；它被稱為是在生物學史上「自達爾文以降，最反直覺的想法了」。它也是生物界中，唯一可以跟物理界的愛因斯坦、海森堡（Werner K. Heisenberg）、薛丁格（Erwin Schrödinger）等人的理論齊名的想法。我們現在已經可以從蛋白質的層級，知道質子梯度作用的詳細情形。我們也知道，地球上所有生命，都使用一樣的質子梯度：質子發電，內建在所有生命之中，如同普世通用的遺傳密碼一樣。但是，我們對於這種反直覺的能量生成方式，如何演化出來，卻一無所知。所以，我認為在今日生物學核心裡，有兩大未解的問題：一個是為何生命用這種令人費解的方式演化出來；另一個則是，為何細胞用這樣獨特的方式發電。

我相信，這兩個問題，其實緊密相關，互相纏繞著彼此，而本書正試圖去回答它們。我想要說服你們一件事，那就是：能量才是演化的核心。只有當我們把能量的觀點帶進來，去思考這些問題，才有可能了解生命的本質。我想告訴你們，生命跟能量兩者的關係，可以一直追溯回到太古之初──只有在一個生生不息的星球上、一個不穩定的狀態中，才有可能產生所有生命所需最根本的機能。我也想帶你們去看，生命的起源，是由能量的流動所驅使，而質子梯度，就是演化出細胞的關鍵；如何使用它，則限制了細菌與古菌的結構。我會解釋給你們聽，這樣的限制，如何主宰往後細胞的演化，讓細菌跟古菌，永遠只能維持簡單的外形，儘管它們的生化反應能力，早已變化多端。我也想證明，是一場稀有的事件，一次內共生事件，讓一個細菌跑到一個古菌體內，才突破了這層限制，讓極度複雜的細胞，可以演化出來。我想告訴你們，一個細胞，親密地生存在另一個細胞體內這種情況，絕非易事，因此形態複雜的生命體，總共只誕生過一次。我還希望能夠多說服你們一些，像是這種親密的共生關係，基本上已經可以去預測複雜生命的某些特徵。這些特徵包括了細胞核、有性生殖、兩種性別，甚至將永生不朽的生殖細胞，與終歸一死的體細胞區分開來；而最後這個特徵，正是「有限生命」與「命中注定死亡」現象的起源。我最後要說服你們的就是，從能量的觀點去思考，有助於讓我們預測自己生命的樣子，特別是演化中最深遠的「交易」：用疾病伴隨著老死，去交換充滿生殖力與適應力的青春。我認為，如果能洞悉這一切，或許能夠幫助我們改善自身的健康，或至少多了解一些。

若你是科學邏輯支持者，那你大可皺眉質疑我的論點，在生物學界裡，這算是行之有年的優良傳統，可以一直追溯到達爾文自己：他稱自己的《物種起源》是「一帖漫長的論證」。時至今日，想要細細陳述這千絲萬縷的科學世界中，各項證據如何彼此關聯；或是想要提出一個假說，有條理地解釋萬物之形，用一本書，恐怕仍然是最好的辦法。免疫學家梅達瓦（Peter B. Medawar）曾經這樣形容科學假說：就是憑想像力，躍入未知中。一旦縱身躍入，假說就變成了「企圖用讓人能夠理解的方式，去講一個故事」。符合科學原理的假說，必須是要能夠被檢驗的預測。在科學裡面，恐怕沒有一種侮辱，比稱呼一個假說是「連錯的資格都沒有」要更嚴重了（譯注：這句話傳說是諾貝爾物理獎得主包立，在評論一項糟糕的科學理論時的用語），也就是說，無法被反證。因此，在本書中，我將要展示一個，可以把能量與演化聯結在一起的假說，說一個前後連貫的故事。我會極盡所能的，把它講得高潮迭起又老嫗能解；同時內容足夠詳細到可以被反證。這個故事，一部分是根據我自己的研究（你們可以在後面的延伸閱讀裡面找到原始論文），其他則是根據別人的研究。我有許多研究，都是跟在德國杜塞爾多夫的馬丁一起進行，他對「正確」的敏銳度，總是讓人驚訝。此外我也跟波明安可夫斯基（Andrew Pomiankowski）合作。他是一位具有數學頭腦的演化遺傳學家，也是我在倫敦大學學院最好的同事之一。同時，還有幾位能力卓越的博士班學生一起參與。這真是非常令人愉快的經驗，而我們才在這段旅程的起點而已呢！

我已經試著讓本書的內容精簡，專注於重點，刪除了許多有趣但離題的故事。這本書，是一次論證，可以隨時依需要而詳細或精簡。它有許多隱喻性以及趣味十足（我希望是）的細節，對於想將一本以生物化學為基礎的書本，講到對一般讀者而言，也活靈活現，這可是相當重要的呢。畢竟我們之中只有很少數人，能夠輕易地看穿那顯微世界裡，如外星球般的各種巨大分子彼此交互作用，但那些才是貨真價實的生命。然而重點還是科學本身，這也是我寫作的風格。直言不諱的方式雖然老套，卻是美德，它讓文章簡潔，而且直指核心。假設我要提到鏟子，卻每幾頁就提醒你：所謂鏟子就是一種挖土的工具，用來埋葬人；你一定馬上就會大感不快。雖然線粒體可能沒鏟子那麼好懂，但是如果我每次都寫：「所有大而複雜的細胞，比如人類的，都有一種迷你發電廠；它是很久以前，由本來獨立生活的細菌所變成，今天則可以提供我們的細胞生存所需的能量」，那未免也太冗長了；我會說「所有真核生物，都有線粒體」，後面這句子，明顯要強而有力多了。當你習慣了少數幾個專有名詞後，你會發現它們可以在簡潔中，傳達豐富的意義；而且在這個例子裡，問題立刻浮現：線粒體是怎麼來的？如此我們馬上就來到未知的邊緣，同時也是科學中最有趣的事。我會儘量避開不必要的術語，偶爾再稍微解釋一次，除此之外，我希望你們可以慢慢熟悉重複出現的術語。為了安全起見，我還在書末加入主要術語的名詞解釋表。我重複檢查了幾次，希望本書可以對任何有興趣的人來說，都淺顯易懂。

而我真心希望你們會覺得有趣！我們即將要面對的新世界，是如此令人興奮；這世界包含了新的構想、可能性，以及即將讓我們了解自身在宇宙中的地位，都是我們陌生的。我要為這個新而未開發的世界，描繪輪廓；像是展望一幅從生命源頭，一直延伸到我們的生與死的遠景。多虧了跨越生物膜兩側的質子梯度，以及與它有關的幾個簡單想法，將如此大規模的尺度聯結在一起。對我來說，從達爾文以降，生物界中最好的幾本書，都是論證集。這本書也將遵循這個傳統。我將論證，是能量規範了地球上生命的演化；同樣的力量，也應適用於宇宙其他任何一處。而合成能量與演化這兩個原則，將讓生物學變得比較容易預測，可以幫助我們了解，為何生命是如此運作；不只是在地球上，同時也在宇宙其他可能有生命的地方。

第一部 提問

第一章 什麼是生命？

電波望遠鏡晝夜不息地掃描著天空。它們總共有四十二個，散開分布在北加州低矮的山脊上。那些白色的碗狀圓盤，像一張張蒼白的臉，協調一致、充滿希望的望向遙遠旳地平線上方某處，如同那裡是外星人回家時的聚集點。很矛盾地，這些望遠鏡屬於「搜尋地外文明計畫」（Search for ExtraTerrestrial Intelligence，SETI）這個組織，它們已經持續對著天空，掃描生命跡象長達半世紀之久，但至今尚無結果。儘管連倡導者對這個計畫成功的機率，都不表樂觀，但是在數年前，當SETI的經費告罄時，來自群眾直接的支持，卻又讓SETI的艾倫望遠鏡陣列重新運作。在我看來，這項計畫正好代表著，人類對於自身處於宇宙中的不確定感，同時也標誌著科學本身的脆弱性：科幻小說裡面描述的科學技術，如此神祕難解，感覺起來科學似乎無所不能，讓我們夢想著自己在宇宙中並不孤單，但是這美夢卻幾乎毫無堅實的科學基礎。

陣列天線就算沒有偵測到外星人，這個實驗還是很有價值。透過電波望遠鏡去尋找外星人，不太可能錯到哪裡去，畢竟，這正是陣列天線的威力所在。到底，我們想從天上找到什麼呢？宇宙中其他地方的生命，有可能跟我們相似到也會使用無線電嗎？其他生命的組成，也是以碳原子為基礎嗎？他們也需要水嗎？氧氣呢？這些問題，其實無關宇宙其他地方如何組成生命；它們是關於地球上的生命，是關於為什麼地球上的生命會是如此。這些電波望遠鏡就像一面鏡子，將問題反問回地球上的生物學家。棘手的地方在於，科學是關乎「預測」的學問。在物理學中，最緊要的問題就是，為什麼物理定律是如此規範萬物？也就是說，什麼樣的基本原則，可以預測宇宙中萬物的已知屬性？生物學雖然比較無關預測，也沒有可跟物理學相匹配的定律，然而儘管如此，演化生物學預測能力之糟糕，還是讓人十分汗顏。關於地球上生命的歷史，與演化的分子機制，我們所知甚多，但是關於這些現象，哪一部分是巧合（也就是說在其他星球，可能完全遵循另外一條軌跡發展）；哪一部分又是受制於物理定律，我們所知卻相當貧乏。

這並不是因為沒有人研究的關係。許多退休的諾貝爾獎得主，以及眾多生物學大師，都曾在此著墨，但是儘管飽學聰明如他們，卻仍無法在彼此之間達成共識。四十年前，在分子生物學啟蒙之初，法國的生物學家莫諾（Jacques Monod）在他的名著《偶然與必然》（譯注：劉鴻珠譯，杏文出版，民六十六年）裡，曾經絕望地說過，地球上會出現生命，只是一場意外，因此在這無限虛空的宇宙中，我們是孤獨的。他以近乎詩歌的文體作結，混合了科學與形上學：

「舊約崩潰了，人類終於覺察自己是孤獨地一個，生存在自己曾經從偶然中誕生出來的、這個冷漠而不關心、而又無依無靠的宇宙茫然的空曠裡。誰都不曾規定過他的命運，也不曾規定過他的義務。但是，他必須獨自個下決心選擇王國樂土或是黑暗的奈何地獄。」

從那時候開始，持反對的意見的人也發聲了：生命誠然是宇宙在化學定律下，不可避免的產生。它應該很快就會出現，而且在任何地方都可能出現。但是一旦生命出現在別的行星上，接下來會怎樣呢？又一次，科學家對此依舊沒有共識。設計上的制約，可能會收斂生命發展的方向，結果不論在何處誕生，都將殊途同歸。比如說因為有重力，任何會飛的動物，都免不了必須輕盈，然後要有類似翅膀的構造。一般來說，生命可能必須以小細胞的形式出現，由許多小單元組合而成，以便保持內在與外面世界不同。如果由這些限制主宰，那麼其他星球上的生命，應該會與地球上的十分相似。反過來說，生命或許由機率主宰也不一定，比如說，生命是星球災難事件的倖存者，像是發生了隕石撞擊地球後，消滅恐龍之類的事件。如果將時鐘調回寒武紀，大約是五億多年以前，那是動物首次出現在化石紀錄的年代。然後將時鐘發條放開，讓它向前走，那之後發展出的平行世界，會跟我們現在的世界一樣嗎？或許，在山巒上爬行著的，將會是巨大的陸生章魚也不一定？

將望遠鏡指向天空的原因之一，是因為在地球上，我們只有一個樣本數。從統計的觀點來看，我們沒有辦法斷論，到底是什麼力量，規範了地球上生物的演化。如果事情果真如此，那這本書就沒有什麼好說的了，而其他所有的書恐怕也一樣。然而，物理定律是放諸宇宙皆準的，所有元素的成分與特性亦如是，化學也因此可信。地球上的生物，有非常多獨特的特徵，像是有性生殖與老化等，幾個世紀以來，讓眾多優秀的生物學家，絞盡腦汁也想不通。不過如果我們可以從幾個所謂的「第一原理」著手，也就是從那些「組成宇宙萬物的化學規則」開始去預測，為何這些生物特徵會出現？為何生命會如此發展？那麼我們就可以再次回到統計的世界。地球上的生物，並非真的只有一個樣本數，事實上是牠們是在亙久的時間裡，為了實用的理由，經過無數次演化。然而，演化論這個理論，一開始卻不是由那些第一原理出發，去預測為何地球上的生物，會發展成今日的樣貌。我的意思並不是說演化論是錯的。它沒錯。我只是說，演化論不具預測性。我在這本書中想說的論點是：確實有些原則，強烈地規範著演化，特別是能量上面的限制，讓我們可以從第一原理出發，去預測生物某些最基本的特徵。不過在我們可以了解這些限制之前，必須先想一下，為何演化生物學不是預測的科學？為何這些能量限制，常常被忽略？以及為何從來都沒有人覺得有問題呢？這些問題，直到最近幾年才開始浮現，而且也只有專研演化生物學的人才有注意到：在生物學的核心裡，有個惱人的不連貫性留在哪裡。

講重點。我們可以把一切歸咎給DNA。很諷刺的一件事情是，開創新時代的分子生物學，以及包含於其中了不起的DNA技術，一開始卻是由一位物理學家所開展的。確切地來說，是薛丁格，他在一九四四年出版了《薛丁格生命物理學講義：生命是什麼？》這本書之後才開始的。薛丁格提出了兩個重點：第一，根據熱力學第二定律，宇宙萬物皆傾向退化，也就是增加熵（失序狀態）。然而生命卻因為某種原因，可以抵抗這種傾向；第二，生命這種回避熵的能力，來自於基因。他認為，遺傳物質是一種「不規則的」結晶，沒有重複性的構造，因此可以用「編碼／工序指令」這樣的方式運作。據說，這是第一次有人在生物性書籍中，使用這種說法。薛丁格本人假設，這種近乎結晶的物質，一定是蛋白質，而與他同時的大部分生物學家，也都同意這種看法。但是，在隨後狂飆的十年內，克里克跟華生就確認了，所謂結晶物質是DNA。一九五三年，他們在第二篇發表在《自然》期刊上面的論文中說道：「因此，鹼基的精確序列看起來像是編碼，攜帶著遺傳的資訊。」這句話就成為了今日分子生物學的基石。今日的生物學，資訊是主角；基因序列就排列在電腦矽晶片中，而生命的定義，就是把資訊轉移出去。

基因體是通往神奇國度的道路。大量的編碼（以人類基因來說，就有三十億個字母之多），讀起來就像是一本實驗性小說，偶爾出現連貫的故事，穿插在極短的章節中，被大量重複文句、韻文、空白頁、意識流句子，切割成破碎片段；還有詭異的標點符號穿插其中。在我們的基因體中，只有很小部分，少於百分之二，是負責蛋白質的編碼；然後負責調節的部分比較大一些。剩下未知的部分呢？則是讓平常溫文儒雅的科學家們，爭執得面紅耳赤的導火線1。不過這不是重點。重點是，基因體可以編出幾萬個基因的碼，而且有非常複雜的調節機制，足以應付它所需要的一切，從可以把一條毛毛蟲變成一隻蝴蝶，到把一個小孩變成一個大人。比較動物、植物、真菌、單細胞變形蟲之間的基因體，可以發現它們執行的是同一套程序。我們在這些生物的基因體裡面，可以找到一樣的基因（雖然略有變異）、一樣的調節元件、一樣的「自私複製者」（像病毒的基因片段），以及一樣毫無節制不斷重複的無意義片段，用各式各樣的方式跟大小，呈現出來。洋蔥、小麥跟變形蟲，都有比我們還多的基因與DNA。兩棲類動物如青蛙跟蠑螈，基因體的大小差異，甚至可以橫跨兩個數量級！有些蠑螈的基因體，比人類還大上四十倍；而有些青蛙，則不到我們的三分之一。所以基因體的結構，有沒有什麼限制呢？如果要用一句話來總結的話，那大概就是「任何事都可能發生」。

這件事情很重要。基因體如果等同於資訊，而如果基因體的大小與結構，並沒有什麼嚴重限制的話，那也就是說，資訊也可以毫無節制。但是基因體當然不是毫無限制，它們顯然受限於一些基本原則。除了天擇以外，還有一些隨機的力量，像是意外地多複製了一個基因、一條染色體，甚至一整組基因體；還有DNA倒位、缺失，或是寄生性DNA的入侵等等。這些變異會造成什麼結果，端視生態區位、物種之間的競爭，或是族群大小而定。從我們的角度來看，這些因子的影響都是難以預料的。它們都屬於環境的一部分。如果環境因子的限制夠明確的話，我們或許勉強可以預測一個物種的基因體大小。但是當無數個物種，生活在各種變化萬千的微環境中：從寄生在另一顆細胞裡，到住在人類的城市中，再到無垠深海下，與其說「任何事都可能發生」，不如說「每件事都會發生」。在如此多變的環境中、在這麼多種因素交互作用下，我們理應在基因體裡面，看見各式各樣的變異。因此，基因體並不能幫我們預測未來，它們代表的是過去，它們反映的是歷史中曾出現過的考驗。

再回頭想想其他星球上的世界。如果資訊就是生命，而資訊沒有限制的話，那我們就無法預測其他星球上的生物，會長什麼樣子；我們只知道，它們不會違背物理定律而已。一旦某種可以遺傳的物質出現，不管是DNA還是其他東西，那牠們演化的軌跡，就不再受到資訊的限制，也就無法從什麼第一原理來預測演化的結果。什麼東西會冒出來，端視當時環境條件、歷史上的突發事件，以及精巧的天擇篩選而定。但是回頭看看地球，若我們只看今日已經存在、千變萬化的生命，前面的論點似乎言之成理；然而事實上，在地球亙久的歷史中，卻根本不是這麼一回事。有好幾十億年的時間，生命似乎被限制在某些條件下，不能簡單地以基因體、歷史突發事件，或是環境因素來解釋。對於我們星球上生命的獨特歷史，直到最近，科學家才稍微釐清一些頭緒，但細節部分，卻仍然很模糊。現在，讓我們勾勒一下，最近浮現出來的景象，拿去跟以往那些錯誤的看法，比對一下。

生命開始之初二十億年的簡史

我們的星球，大概有四十五億年。在早期的時候，大約有七億年的時光，世界是一場大災難，那時候太陽系才剛誕生，正在慢慢穩定系統，大量的小行星轟擊著地球。那時候有一個大概跟火星一樣大小的物體，撞上早期的地球，這場巨大的撞擊可能形成了月球。月球不像地球，它的地殼沒有因為地質活動的關係，被持續翻動；月球的原始表面，仍然保持了這場撞擊的證據，這些岩石被阿波羅號太空船的太空人帶回了地球。

雖然科學家在地球上，並沒有找到年代久遠到，可以與早期地球相比擬的岩石，但是我們還是有一些線索可供模擬，特別是鋯石（zircons）這種礦物。鋯石是矽酸鋯的細小結晶，體積比沙子還要小，可以在許多岩石裡面找到。鋯石的組成告訴我們，海洋很可能出現得比大家想像要早了許多。利用鈾定年法可以測出，這些堅固得嚇人的結晶，大約在四十億到四十四億年前形成，之後以岩屑顆粒的形態，累積在沉積岩中。鋯石結晶像小籠子一樣，會把化學物質困在其中，因此可以反映出它們形成時的環境組成。鋯石裡面的化學成分顯示，它們形成時候的氣溫，相對較低，而且有水。這完全不是以前我們所想像的：一個充滿火山活動、滾燙的岩漿像海洋一樣蔓延的世界。這樣的景象，透過藝術家的想像，活靈活現的呈現出來，甚至讓那個年代獲得「冥古宙年代（Hadean）」這樣的名稱。但鋯石的證據指出，當時應該是一個比較平靜的水世界，而且有少許陸地。

過往我們也認為，太古的大氣成分，充滿著像是甲烷、氫氣跟氨氣等氣體，它們混在一起，產生了有機物質，但是，這說法一樣禁不起鋯石證據的考驗。一些困在鋯石結晶中的痕跡元素，像是鈰（Se，cerium），都處於被氧化狀態。在這些最早的鋯石中，存有大量的鈰，這現象顯示了當時的大氣，主要是由火山所噴出的氧化性氣體組成，特別是二氧化碳、水蒸氣、氮氣跟二氧化硫。這樣的氣體組成，除了氧氣缺席以外，跟今日的大氣並沒有差太多。氧氣還要好一陣子，等光合作用出現之後，才會充滿在大氣中。當然，僅僅從少數四散的鋯石結晶中，去猜測過往漫長的虛無世界，是有一點強求，不過，這總比什麼證據都沒有要好。這項證據不斷地顯示出，過往的地球，像極了今日我們熟悉的世界。偶爾出現的小行星撞擊，或許會蒸發一部分海洋，但是卻不太可能打攪到深海中的細菌──如果它們已經演化出來的話。

關於最早生命的證據，其實也相當薄弱。這項證據，來自於地球上目前已知最古老的岩石之一，位於格陵蘭西南方的伊蘇阿（Isua）與阿基里亞（Akilia）兩個地方，時間可以回推到距今約三十八億年以前（請見圖2的地質時間表）。這項證據，並非化石，也不是由活細胞所製造出的複雜分子（也就是所謂的生物標記），它只是科學家在石墨裡發現了「非隨機性」的碳原子排列而已。碳原子有兩種穩定的形式（稱為同位素），它們在質量上面，有很小的差異2。酶（就是細胞體內催化各種反應的蛋白質）一般偏好輕一點的碳原子，也就是碳十二，因此它會比較容易堆積在有機物質裡。你可以把碳原子想像成一顆乒乓球，稍微小一點的乒乓球，會彈得比較快，所以比較容易撞到酵素，也就比較容易被轉移到有機物質裡面。相反地，另一個比較重的碳原子，碳十三，只占全部碳含量的一．一％，則比較容易被留在大海裡，或是當碳酸鹽沉澱在沉積岩（比如像石灰岩）裡面時，被留在岩石裡。這種差異雖然非常細小，卻很穩定，穩定到可以用來偵測生命的存在與否。其實不只是碳原子，其他的元素像是鐵、硫跟氮，都會被活細胞透過一樣的原理，分離開來。科學家在伊蘇阿跟阿基里亞的石墨裡面，就找到了這種同位素分離的現象。

然而這項證據，卻受到各方質疑，比如樣本岩石的年齡是否確實？小小的碳粒是否真的代表生命存在過？更糟的是，我們現在發現，細胞不是唯一會造成同位素分離現象的原因，在深海熱液噴發口（hydrothermal vents）中，經由地質作用，它也會發生，雖然效果比較微弱，但是結果很類似。所以即使格陵蘭的岩石，真的如它們看起來那樣古老，而碳元素的同位素分離現象也是真的，這仍然無法證明曾經有生命。這聽起來似乎很讓人氣餒，但是反過來想，這其實也都是意料之中。這裡或許我該解釋一下，關於「活的星球」，也就是存在著活躍的地質活動的星球，與「活的細胞」兩者之間，其實並沒有明確的界線，所差的，只是定義不同而已。地球化學，注定會孕育出生物化學。從這個觀點來看，我們無法區別那些古老岩石裡面的東西，是由地球化學還是生物化學造成的，其實很合理。我們的星球，就是在「活的星球」上孕育「活的生命」，這其實是一體兩面，無法分割。

如果把時間往後推個幾億年，那麼地球上生命的跡象，就變得比較明確了，而這次證據，一如澳洲跟南非的古老岩石一樣堅實。在這些地方，有著與細胞十分相似的微體化石，不過如果想要把它們放到現代細胞分類中的話，會是毫無意義的事。在這許多微體化石裡面，都覆蓋著一層碳，而且有著跟前面化石一樣的同位素分離標記，同時這次的標記更一致也更明確，強烈暗示它們是由細胞代謝形成，而不是隨機的熱液作用（hydrothermal）。這裡也有許多類似疊層石的構造。疊層石是由活生生的細菌堆疊而成，當下層的細菌死亡礦化之後，會變成岩石層，而上層細菌繼續生長，一層一層這樣堆疊上去，最終形成一個大約一公尺高的驚人結構。除了這些直接的化石以外，科學家還發現一種較大尺度的地質結構，約在三十二億年前形成。這是一些範圍廣達好幾平方公里、厚達幾十公尺的結構，有著十分特殊的帶狀鐵礦以及富碳頁岩。我們或許會認為，這種結構，是細菌與礦物分別占領了不同地方，代表生命與無生命比鄰而居。不過其實這大部分，是細菌所造成的大規模沉積岩結構。帶狀鐵礦有著漂亮的紅黑條紋，交錯重疊，這是因為當時曾有大量的鐵溶在海水裡面（在過去還沒有氧氣的時代，這種二價鐵是非常豐富的），而細菌從這些鐵中擷取電子之後，留下了不溶於水的鐵鏽殘骸，沉到海底。至於為什麼這些富鐵岩石，會形成條紋狀的花紋，至今仍是一個謎，但是，同位素標記再次顯示這裡有生物的作用。

這些巨大的沉積物代表的，不僅僅只是曾經有生命，它還代表了曾經有過光合作用。這裡的光合作用，當然不是今日我們所熟悉的那種、由植物綠葉跟藻類所執行的，而是比較簡單、比較原始的一種。所有的光合作用，都是利用光的能量，從一個不情願的供應者身上奪取電子，再將這些電子，強塞到二氧化碳分子中去形成有機分子。不同的光合作用之間所差別的，僅在於電子來源不同。這些電子，可以來自各式各樣的供應者，最常見的來源，就是溶解的鐵（二價鐵）、硫化氫，還有水。當電子被轉移到二氧化碳身上之後，這些供應者就成了不同的廢棄物，它們依序會是：鐵鏽、硫元素（硫磺）以及氧氣。在所有的電子供應者中，最難搶奪的就是水。所以三十二億年以前的生命，是從其他各式各樣的東西身上奪取電子。根據匈牙利生物學家聖哲爾吉（Ablert Szent-Györgyi）的觀點，生命，不過就是一顆電子到處尋找棲身之所而已。到底是從什麼時候開始，光合作用演化出可以從水裡面搶奪電子的能力呢？科學家至今還在爭論。有人認為這應該發生在演化非常早期，不過根據現在比較明確的證據指出，「產氧」光合作用，應該出現在距今二十九億到二十四億年之間，然後再過不久之後，地球就會進入一段動盪的劇變期，像是步入中年危機一樣。在這段動盪期間中，全球首先會進入一段大冰期，也就是著名的「雪球地球事件」，然後，在大約二十二億年前，地表所有的岩石都被全面氧化，留下滿地生鏽的「紅色岩層」，見證當年大氣中必定開始有氧氣，這就是所謂的「大氧化事件」。其實全球大冰期也是大氣氧氣上升的證據之一。因為甲烷被氧化了，氧氣等於是移走了大氣中的溫室氣體，結果誘發了全球冷化3。

當產氧光合作用演化出來之後，維持生命代謝所需要的工具箱，基本上也算是完備了。至此，我們也蜻蜓點水般的介紹了約二十億年的地球歷史，這長度可是三倍於動物的演化歷史呢！這麼簡略的介紹，在許多細節上面，自然不可能太精確。不過，現在讓我們停下來想想看，上面這段概述，說了些什麼。首先，生命出現的很早，至遲，大概在距今前四十億年到三十五億年之間就出現了，他們出現在一個與我們今日差別不太大的水世界中。再來，從大約三十五億到三十二億年前，細菌已經發明了各式各樣的代謝反應，包括各種形式的呼吸作用與光合作用。後來有大約十億年的時間，地球是一大鍋細菌，各自展示著別出心裁、令我們瞠目結舌的生化反應4。根據元素的同位素分離現象，我們知道大部分的營養物循環代謝反應，包括碳、氮、硫、鐵……等，大概在二十五億年以前就出現了。但是要等到二十四億年前，氧氣濃度升高之後，這些小生命才將我們的星球整個改頭換面，只有從那時候開始，這個本來就已充滿細菌的星球，從太空中看起來，才真正像一個有生命的星球。也只有從那時開始，大氣中才開始累積各種可以反應的氣體，像是氧氣跟甲烷。活的細胞會持續補充這些被消耗掉的氣體，如此生命的跡象，才提升到整個行星的規模。

基因與環境的問題

「大氧化事件」一直以來，都被認為是地球演化史上的重大事件。但是，對於這個重要性的看法，在最近幾年，有很大不同，而新的觀點，對於我在本書中所要闡述的論點，至為重要。過去我們認為，氧氣對於生命，是極關鍵的環境決定因子。這樣的觀點認為，氧氣並不能決定什麼東西會演化出來，但是氧氣放開了演化的煞車，讓極度複雜的生物可以出現。拿動物為例，氧氣讓牠們可以四處移動，去追逐獵物，或者讓牠們可以避掠食者。因為這樣的行動極度耗能，所以不難想像，在沒有氧氣的情況下，這些動物根本不可能存在，而用氧氣來呼吸，可以提供比其他任何一種呼吸作用，多了將近一個數量級的能量5。但是這個論點是如此索然無味，根本不值得反駁。這是一部分的問題：這論點無法激起更多討論。我們可以理所當然地這樣想：因為動物需要氧氣（但是其實不一定），然後地球又有氧氣，所以氧氣就解釋了一切。然後，演化生物學真正該討論的問題，或至少看起來該討論的，就是動物跟植物的特質與行為了。

這樣的觀點，或多或少支持一般教科書對演化歷史的論點：雖然我們總認為氧氣對健康有益，但是其實從太古生化反應的觀點來看，完全不是那麼一回事。氧氣有毒，而且反應性很強。教科書是這麼說的：當氧氣濃度上升之後，這個危險的氣體，對整個微生物世界產生極大的演化壓力。很多人說，氧氣消滅了這些細菌，馬古利斯說這是氧氣「大屠殺」。關於「沒有任何化石痕跡，可以證明這場災難」這件事，倒不怎麼需要擔心（論者如此保證）：這些細菌畢竟太小，而且這是好久好久以前的事情了。氧氣出現，會強迫細菌用新的方式互動：共生或是內共生，彼此互相交換、或者根本住在別人身體裡面，來交換生存所需的工具。經過好幾億年的演化之後，隨著細胞的複雜度漸漸增加，它們不止學會對付氧氣，還學會利用氧氣的反應性：它們演化出有氧呼吸，如此可以提供自己更多的能量。這些又大、又複雜、又會有氧呼吸的細胞，把自己的DNA包在一個叫做「細胞核」的特化構造裡，因而贏得「真核生物」（eukaryotes）的名稱，這個字代表了「有真正的核」。在此，我要再重申一次，這裡講的都是教科書的觀點，而我將會證明它是錯的。

今天，所有的動物、植物、藻類、真菌、原生生物（像變形蟲這樣的大細胞），所有我們觸目可見的複雜生物，都是由這種真核細胞所構成。教科書繼續如是說：真核生物安安靜靜地演化了約十億年，逐漸取得優勢。這十億年被科學家嘲諷為「無聊的十億年」，因為這段時間內，它們幾乎沒有留下什麼化石紀錄。話雖如此，我們還是找到了一些定年（dating）在大概十六億年到十二億年前，看起來很像真核細胞的單細胞化石，其中有一些甚至可能可以躋身到現代生物的分類中，因為它們看起來很像是真菌或是紅藻。

接著，在七億五千萬年到六億年前，地球進入了另一段全球變動期，然後緊接著的是另一次雪球地球事件。在那之後，大氣層中氧氣濃度迅速上升到跟今日一樣的水準，然後，第一批動物化石就忽然出現在地質史紀錄中。這批最古老的大型化石，是一群似葉狀體（frond-like）、直徑約一公尺的二對稱性神祕動物，大部分的古生物學家都認為，牠們是濾食性動物，少數則堅持這只是地衣化石而已。這些就是埃迪卡拉生物群（the Ediacarans），或者用比較專業、深情的稱呼「文發生物群」。接著，一如牠們的出現時那樣地突然，大部分這種形態的生物，又瞬間消失在一場大滅絕中，被後繼演化的動物取代。那時正是寒武紀的拂曉，約莫五億四千一百萬年前（譯注：最新定年寒武紀的開始），這個年代對於生物學家來說，如同人類史上的西元一○六六年或是一四九二年一般地重要（譯注：一○六六年，諾曼地公爵威廉征服英格蘭，從此改變英格蘭文化跟語言。一四九二年則是哥倫布發現美洲新大陸）。此時許多較易辨識的動物，爆發式地出現。牠們長得又大又有機動性，帶著複雜的眼睛，以及各種引人注目的附肢。這些讓人望之生畏的掠食者，伴隨著同樣嚇人、覆蓋著胄甲的獵物，就這麼躍入演化的舞台上，帶著沾滿鮮血的獠牙跟利爪，像是穿著現代服裝的達爾文。

以上所描述的情節，有多少地方有問題呢？從表面上來看，這故事很合理，但是我認為它背後所隱含的意義大有問題，而且當我們學的愈多，愈發現細節部分不對勁。這裡隱含的意義，關乎基因與環境的交互作用。教科書的故事，是圍繞在氧氣這個重要的環境因子打轉，一般認為這個因子讓基因產生變化，進而解開創造力的束縛。大氣氧氣濃度上升過兩次，一次是二十四億年以前的「大氧化事件」，另一次在六億年前的寒武紀前夕（圖2）。教科書說，每一次氧氣上升，都會減少細胞結構與功能上面的限制。在大氧化事件之後，環境中多了新的危機跟轉機，細胞開始透過一系列的內共生作用，彼此交換物質，漸漸累積出真核細胞的複雜度。第二次氧氣濃度，在「寒武紀大爆發」前夕上升，一掃所有的物理性限制，像魔術師一樣揮舞一下斗篷，秀給我們看動物演化的各種可能性。沒有人說氧氣直接造成了這些改變，應該說是氧氣選擇性的改變了周圍環境。而在這個新的環境裡，景色壯麗遼闊又毫無限制，基因因此得以自由自在的擴張，同時也完全釋放出它們內涵的資訊。從此，生命繁盛，用各種方式，填滿所有可能居住的生態區位。

這種演化觀點，可以視為「辯證唯物論」（dialectical materialism）的觀點，原則上遵守著二十世紀初期到中葉，「新達爾文主義綜論」發展時，幾位重要的演化學家所提出的觀點。在這樣的觀點中，互相交織又對立的兩件事是基因跟環境，也有人稱為「先天與後天」（nature and nurture）。基因會決定生物的一切，而環境塑造牠們的行為，就是如此。除此之外，難道還會有其他東西有影響嗎？其實，生物並非只關乎基因與環境，生物還跟細胞有關，以及細胞物理結構的限制有關。我等一下會介紹給你們看，這些東西跟基因與環境，都沒什麼直接關聯。但是從這兩種不同的世界觀去預測演化，會得到完全不同的結果。

先看第一種可能性，如果將演化解釋為基因跟環境的作用會如何。在早期地球環境裡，缺氧是最重要的一個環境制約。加入氧氣之後，演化開始爆發。所有暴露在氧氣下面的生物，都或多或少受到影響，因此需要適應。有些細菌很幸運，可以在有氧的環境下活得更好，於是開始繁殖，其他不幸的細菌則會滅絕掉。但是微環境有很多種，世界畢竟不是一個單一的生態系統。氧氣濃度上升後，並不只是像洪水一般，淹滿世界每個角落，它們還會氧化大地中的礦物，也會溶解到大海中。這樣的話，連無氧生態區位也變多了，因為硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫酸鹽、亞硫酸鹽……等等全部都跟著變多了，很多細菌可以利用這些化合物，來替代氧氣，進行呼吸作用。因此，在有氧世界中，無氧呼吸也會開始盛行。這些例子清楚地說明，生物在新的氧氣世界裡，可以發展出各種不同方式過活。

假設在一個環境裡，混雜著各式不同的細胞，有些細胞透過直接吞掉其他細胞來過活，像變形蟲，這叫做「吞噬作用」（phagocytosis）。有些細胞可以靠著光合作用過活。還有一些細胞會在體外消化食物，比如像真菌，這叫做「滲透營養作用」（osmotrophy）。假如結構不是演化障礙的話，那麼我們可以合理預測，這些細胞，很有可能分別來自不同的細菌祖先。比如有一個細菌祖先，比較擅長原始的吞噬作用，另一個比較拿手原始的滲透營養作用，還有一個會光合作用。過了很久之後，它們的後代，就漸漸變得專精於各自的營生技能。

講的正式一點，如果氧氣上升，會讓原本生物發展出新的生活方式的話，那我們應該會看見多系輻射演化（polyphyletic radiation），也就是分屬於不同門、各不相干的細胞或生物，在很快地適應新環境之後，各自演化出各式各樣新的物種，填滿環境中每個角落。這確實是有時我們會在化石中見到的演化模式。舉例來說，在寒武紀大爆發時，從海綿動物、棘皮動物、節肢動物到蠕蟲，很多不同的動物門，紛紛以自身為中心，呈輻射狀演化開來。除了動物在演化以外，植物、藻類以及原生生物（比如纖毛蟲），也有一樣的輻射演化現象。從此之後，生態系變得更大也更複雜了，這又促成了更多變化。不論是不是因為氧氣濃度上升，引起了寒武紀大爆發，科學家都同意，環境的改變，確實讓天擇從此改觀。世界上發生了一些事情，從此一切就不一樣了。

而如果細胞的結構限制，對演化占有決定性影響的話，我們就會看到另一種相反的模式。我們應該會發現，即使環境改變了，生物始終以不變應萬變，直到它們突破自身的限制為止。我們會看到儘管環境不斷變動，但是生物除了偶爾出現的單系輻射演化（monophyletic radiation）以外，有很長一段時間都處於不變的狀態。也就是說，很可能只有某一群比較特別的生物，在極為偶然的機會下，克服了天生的結構限制，開始輻射演化，填滿環境中還空著的棲地（有時候，這要等到環境改變允許了之後才會發生，所以會晚一點出現）。當然，我們也見到這種模式了。在寒武紀大爆發時，我們見到了各群不同動物的輻射演化，但是，牠們的來源並無不同。所有的動物，都來自同一個祖先，所有的植物也一樣。要知道，發展出複雜的多細胞生物，同時帶有分化好的生殖細胞（負責生殖）與體細胞（構成身體），可不是件簡單的事。一部分的原因是因為，這需要一套精確的發育程式，也就是要能夠緊密控制體內每一個細胞的發展，因此會成為限制條件之一。但是如果我們把多細胞生物的標準放寬一點，那麼某種程度的多細胞生物發育，其實還算常見。比如大約有三十幾群多細胞生物，包括藻類（海藻）、真菌，以及黏菌等，來源都不同。但是，有些時候，物理結構的限制（細胞的結構），似乎會變得非常重要，重要到凌駕其他所有因素，成為發展中最主要的限制，這就是在大氧化事件的餘波中，讓細菌演變成真核細胞（大而複雜的細胞）的情況。

生物學核心裡的黑洞

如果複雜的真核細胞，真的是應大氣氧氣濃度上升而演化，那麼根據預測，之後應該會出現多系輻射演化，應該會有許多不同類群的細菌，分別變成較複雜的細胞。比如我們應該會看到行光合作用的細菌，演化成大而複雜的藻類；行滲透營養作用的細菌，演化成真菌；會移動的掠食細菌，變成一個吞噬細胞。在這種演化理論裡，透過一般的基因突變、基因交換、天擇，或是透過內共生作用下融合或擷取（如馬古利斯著名的連續內共生學說所言），複雜的生物就會演化出來。不論如何，如果針對細胞結構沒有任何基本的制約，那麼在氧氣上升之後，不管詳細機制為何，都應該促成細菌發展出各式各樣可能的複雜度。我們應該預期，氧氣解放了所有細菌身上的枷鎖，讓它們可以各自變得更複雜，造成多系輻射演化。但是我們看到的卻不是這樣。

讓我解釋得更詳細一點，因為這裡面的推論非常關鍵。如果複雜的細胞，是透過「標準」天擇篩選出來，亦即，基因突變造成多樣性，然後天擇篩選出可存活的個體，那我們應該可以看到，細胞將有著各式不同的內部構造，一如它們多變的外表一樣。真核細胞的外表跟尺寸，其差異之大令人咋舌，從巨大的葉狀藻類細胞，到梭狀的神經細胞，或是伸縮自如的變形蟲，各不相同。如果真核細胞，是在這漫長的演化旅途中，各族群為了適應漸漸趨異生活形態，而獨立演化出大部分的複雜構造的話；那麼這段漫長演化旅程，理應也會造成細胞內部構造，出現極大的差異。但是如果你看看細胞裡面（我們很快就會看到了），就會發現所有的真核細胞，內部組成基本上都一樣。大部分人大概都沒有能力從電子顯微鏡下，分辨出植物細胞、腎臟細胞，或是池塘裡撈出來的原生生物，它們看起來幾乎是一模一樣。你試試看就知道（圖3）。如果上升的氧氣濃度，解除了大自然對複雜度的限制，那麼根據「標準」天擇的預測，不同族群的生物，為了適應不同的環境跟生活形態，應該會呈現出多系輻射演化。但是事實卻非如此。

從一九六○年代末期，馬古利斯就不斷地主張，這種看法是誤導。她認為真核細胞本來就不是透過「標準」天擇演化出來，而是透過連續內共生作用，亦即一些細菌彼此緊密地合作，緊密到某些細菌，甚至住進其他細菌體內了。這個概念，最早可以追溯到二十世紀初期，許多科學家包括奧特曼（Richard Altmann）、米列史科夫斯基（Konstantin Mereschkowski）、波提耶（Paul Portier）、華林（Ivan Wallin）等人都曾提出過，認為所有複雜的細胞，均來自比較簡單細胞的共生作用。他們的理論雖未被同代的世人忽略遺忘，但是卻受盡嘲笑，因為「太荒唐而不適合在當前上流的生物學社群中提及」。不過當時序到了一九六○年代，分子生物學革命興起後，馬古利斯有了比較堅實（雖然仍有矛盾）的基礎，而我們現在也知道，真核細胞裡面至少有兩個東西，來自內共生的細菌：一個是線粒體（複雜細胞的能源轉換器），它來自α變形菌（α-proteobacteria）；另一個是葉綠體（植物的光合作用機器），來自藍綠菌（cyanobacteria）。真核細胞體內，幾乎每一個特化的「胞器」，從細胞核本身、纖毛跟鞭毛（彎彎曲曲的東西，律動拍打的時候可以讓細胞前進），一直到過氧化體（細胞的毒物代謝工廠），都曾經被認為內共生者變成的。連續內共生學說因此認為，真核細胞本身就是眾細菌的集合體，在大氧化事件之後的好幾億年中，融合成一個彼此共享的整體。

這種說法雖然頗具詩意，但是不言可喻的，根據連續內共生學說，一定會預測出跟標準天擇演化一模一樣的結果。如果連續內共生學說是對的，那麼我們除了應該會看到各種不同來源（多系群演化）的細胞，也會看到各式各樣的細胞內部構造，一如它們多變的外表。如果說，為了要適應各種不同的環境，讓細菌彼此之間發生一系列不同的內共生作用，來進行各種所需的代謝交換；那生活在不同的環境中的細菌，理應發生不一樣的交互作用才對。而如果這些內共生者，日後都變成複雜真核細胞的某個胞器，那麼根據這假說的預測，某些真核細胞，應該會有一套胞器組合；別的真核細胞，則有另一套胞器組合。我們應該可以找到各式各樣的「中間型成品」，或是毫不相干的變異細胞才對，或許躲藏在發著惡臭的泥漿之類的幽暗處也不一定。直到馬古利斯於二○一一年，因為中風而早逝之前，她一直堅信，真核生物，就是由內共生作用所編織出來，一張華麗而多變的掛毯。對她而言，內共生作用是過往的生命之路，是演化大道中尚未被探索的「女性」式部分，在此，合作才是生存之道（她稱之為網路連結 networking），而不是那種獵人與獵物之間、令人不快的「男性」式競爭模式。不過，她一方面推崇現實中「活生生」的細胞，一方面又棄冷冰冰的資訊化「譜系發生學」不顧。但是，譜系發生學卻是研究基因序列跟基因體的學問，擁有揭露真核生物彼此之間關聯的威力。而這門學問卻告訴我們一個完全不一樣、而最終極為可信的一帖故事的故事。

這個故事的主角，是一大群沒有線粒體的單細胞真核生物，種類達一千種以上。以前科學家曾經有一度認為，它們就是介於細菌與複雜真核生物之間，演化初期那「失落的環節」，因為它們正是根據連續內共生學說，所預測的那種中間型成品。被科普作家勇愛德（Ed Yong）稱為「惡毒眼淚」的梨形鞭毛蟲（譯注：因為梨形鞭毛蟲外形像淚滴），也屬於這群細胞（見圖4）。不負那醜陋的外表，它們會引起嚴重的腹瀉。梨形鞭毛蟲不只有一顆細胞核，它有兩顆呢，所以是貨真價實的真核細胞！但是它缺少其他特徵，特別是沒有線粒體。在一九八○年代中期，破舊立新的生物學家卡瓦里爾史密斯（Tom Cavalier-Smith）曾認為，梨形鞭毛蟲及其他相關的簡單真核生物，或許是真核細胞演化早期，還沒有取得線粒體時代的倖存者。卡瓦里爾史密斯雖然同意線粒體來自細菌，但是他對馬古利斯的連續內共生學說卻興趣缺缺。相反地，他認為（到現在仍是）最早的真核生物，應該是一個原始的吞噬細胞，就像現在的變形蟲一般，靠著吞噬其他細胞維生。他主張細胞在擁有線粒體之前，就已經有了一顆細胞核；有機動的內部骨架，可以幫助它們改變形狀、四處移動；有整套蛋白質機器，負責在細胞內部將物質送往迎來；有分化完整的區域，可以消化食物等等。有了線粒體之後一定有所幫助，當然，可以幫這些原始細胞增加馬力。但是，改裝汽車並不等於改變汽車的構造：你一開始就已經有一輛汽車了，它已經有了引擎、變速箱、煞車、還有其他一切裝備。加上渦輪發動機後，除了讓汽車變得超級有力以外，並沒有改變什麼。在卡瓦里爾史密斯的例子裡就是如此，這個原始吞噬細胞，已經萬事俱備，只缺線粒體了，而線粒體僅僅也只是提供細胞馬力而已。如果關於真核細胞起源的故事，有任何教科書版本的話──即令最新版本，大概就是這種吧。

卡瓦里爾史密斯將這些早期的真核生物命名為「古原蟲」（archezoa，意思就是古老的動物），以反映它們的古董程度（根據他的推想，見圖4）。它們之中有不少都是會致病的寄生蟲，因此關於它們的生化反應與基因，引起了醫學研究的注意，經費也隨之而來。這個意思就是，我們現在對它們瞭若指掌。過去二十年間，在它們的基因序列與生化反應，都被詳細研究後，我們知道這些古原蟲，沒有一個是所謂的失落環節，也就是說，它們都不是真正的演化中間型。相反地，它們全部都源自於更複雜的真核生物，都曾經一度擁有過全套裝備，包括了（或許該說，特別是）線粒體。它們捨棄了複雜的過往，特化成適合過簡單生活的形態。這些古原蟲，也都保留了一些構造，像是氫化酶體（hydrogensome）或是殘留紡錘體（mitosome）。我們現在知道，這些構造是線粒體，經過縮減式演化而剩下的殘骸。雖然這些殘骸還保有跟線粒體一樣的雙層膜構造，但是因為看起來實在不像，所以讓人誤以為它們從未有過線粒體。透過結合分子生物學研究及譜系發生學的資料，清楚地指出氫化酶體跟殘留紡錘體，確實源自於線粒體，而不是來自其他的內共生細菌（馬古利斯曾如此預測）。所以到頭來，所有的真核生物都有線粒體，不管長得是什麼樣子。我們可以據此推論，最後一個真核生物共祖，應該已經取得線粒體了，一如馬丁在一九八八年所預測的（請見序論）。或許你會認為，所有真核生物都有線粒體這件事，其實無足輕重。但是如果再加上從更廣大的微生物世界裡，將基因體序列複製過來這件事，這些知識顛覆了我們原本對真核生物演化的了解。

我們現在知道，所有真核生物分享一個共祖，也就是說，在地球上，生命演化的四十億年歷史中，就只有這麼一個祖先。這論點很重要，請容我再重申一次。所有的植物、動物、藻類、真菌跟原生生物，都有一模一樣的祖先，而真核生物是單系群發生的。這意思也就是說，事實並不是：植物來自於一種細菌，動物或真菌來自另外一種細菌。恰恰相反，外貌千奇百怪的真核生物，全都來自一次偶然的機遇；所有的植物、動物、藻類跟真菌，均演化自同一群創始族群。根據定義，所謂共祖是單一的整體，但這並不是說單一一個細胞，而是一群基本上一模一樣的細胞。這倒不是說複雜細胞的起源，是個罕見事件。原則上，複雜細胞可能出現過好幾次，但是最後只剩一群細胞存活下來，其他的細胞，可能都因為某些原因而滅絕了。我要先說明一下，其實事情不單純就是這樣，不過首先我們不妨多了解一點真核生物的特質，才能理解。

真核生物的共祖誕生了之後，很快地就分化成五個「超群」（supergroup），每一群的外形都變化多端，即令對那些受過古典分類學訓練的生物學家而言，若他不是專精研究化石的，都會覺得怪異難解。這五個超群都有奇怪的名字，像是單鞭毛生物（unikont，包含了動物跟真菌）、古蟲（excavate）、囊泡藻（chromalveolate）、植物（plantae，包含後來的陸生植物跟藻類）等等。這些名字並不重要，但是有兩件事值得注意。首先，在這每一個超群之內，都存有巨大的遺傳變異，其程度之大，遠遠勝過超群的祖先彼此之間（圖5）。這代表了在很早的時候，就出現了爆發式輻射演化，特別是這種單系輻射演化，暗示生物從構造的桎梏中被解放出來。第二，這個共祖，已經是一群相當複雜的細胞了。科學家比較了這幾個超群之間共同的特徵，據此重建了這個共祖的可能樣貌。我們可以假定，任何由所有超群所共享的特徵，應該都是從共祖那裡繼承來的；而任何特徵，如果只有一兩個超群才有的話，那就是後來才獲得，而且可能只限於這一兩個超群。後者最好的例子就是葉綠體，只有植物跟囊泡藻超群才有葉綠體，而眾所周知這是一個內共生作用的結果。因此，葉綠體並不屬於真核生物的共祖。

所以這段親緣關係分析，所揭露的資訊中，哪一部分屬於我們的共祖呢？結果出人意料，幾乎全部都是。讓我快速地先講幾點。我們知道那個遠古的共祖細胞有一個細胞核，這是儲存DNA的場所。這個細胞核的構造非常複雜，但是，偏偏所有的真核細胞，都留著這個複雜的細胞核。細胞核被包在一種「雙層膜」裡面，或者可以說，看起來像是許多壓扁的塑膠袋連在一起，以至於看起來是兩層的，而它同時還跟細胞裡面其他膜連在一起。核膜上面綴滿了由複雜蛋白質組成的核孔，透過有彈性的基質排列開來。在細胞核裡面其他複雜的構造，像是核仁，一樣也是所有真核細胞所共有。這裡要強調一下，這複雜的構造裡面，有幾十個核心蛋白，包括DNA所纏繞著的組織蛋白（histone），也全都是所有超群共有。真核生物的染色體都是棒狀，兩端被「端粒」（telomere）罩著保護，這樣才不會像鞋帶末端一樣被磨損。真核生物的基因「是破碎的」，意思是說，負責蛋白質編碼的DNA，因為被好幾段長長的「非編碼區」插入而顯得支離破碎，這些非編碼區我們稱為「內含子」（introns）。在細胞做出蛋白質以前，它們會先把這些內含子切掉；所使用的機器呢，大家也都一樣。更神奇的是，在所有真核細胞所共享的基因裡面，這些內含子也是插在一模一樣的位置上。

在細胞核外面，情況也很類似。所有的真核細胞，基本上都有類似的蛋白質機器，除了比較簡單的古原蟲以外（結果後來發現所謂的古原蟲，其實散見於五大超群之中，這種現象，再次印證了它們其實是各自獨立失去了原來的複雜性）。所有的真核生物，都有複雜的內部網狀構造，像是內質網跟高基氏體，這些構造專門負責包裝、輸出蛋白質。所有的細胞都有機動的內部骨架，可以依據需求，自動重組成任何形狀。大家都有專門的運動蛋白質，可以在細胞骨架構成的軌道上移動，將物質送往迎來。大家都有線粒體、溶體、過氧化體；每個細胞輸入跟輸出物質的機制、以及訊息傳導系統也都非常相似。這份名單還可以繼續列下去：所有的真核生物，都透過有絲分裂來繁殖，在分裂的時候，染色體都會排列在微管所組成的紡錘體上，然後靠同一套酶系統運作。所有的真核生物，都行有性生殖，在生命周期中，都會透過減數分裂，去形成配子（就是像精子或是卵子的細胞），然後配子再重新結合。也有少數真核生物失去了性生活的習慣，但它們通常都很快就滅絕了（所謂很快，是指在幾百萬年之內）。

這些現象，其實從細胞微結構的角度，已經被研究得很透徹了。新時代的種系基因體學研究，提供了兩個新的研究角度可以切入。首先，這些結構上的相似性，可不只是表面看起來像而已。外表誠然可以騙人，但這相似性，可是用了幾百萬到十幾億個字，詳細地寫在DNA裡面。這樣一來，我們就可以用電腦去分析物種之間的親緣關係，然後畫出一張準確度前所未有的樹狀圖。第二，先進的高通量基因定序技術出現，從此我們取得自然界的樣品後，再也不需要焚膏繼晷的培養細胞，或是辛苦地準備顯微鏡切片，而可以像使用霰彈槍定序機（shotgun sequencer）一樣又快又準。我們也發現了幾群前所未見的新族群，包括一些可以在極端環境下生存的真核細胞，它們可以處理高濃度的有毒金屬，或是可以在高溫下生存；還有一些體型嬌小，內容卻十分完整的「超微真核生物」，雖然小如細菌，卻有著照比例縮小的細胞核以及迷你線粒體。這一切都讓我們對於真核細胞的多樣性，了解愈來愈透徹。然而所有新發現的物種，都可以完美地歸類到上述五大超群中，沒有任何一個物種，開啟任何新的分類。我們從這些外形千變萬化的真核生物中，所歸納出的唯一結論就是：它們真是像極了。科學家並沒有找到一系列的演化中間型，或是毫無關聯的變異型。根據連續內共生學說的預測，它們應該存在才對。因此，這個學說是錯的。

但是這又出現了另外一個問題，雖然譜系發生學的研究，加上將資訊分析應用在生物學裡面，帶來了前所未有的成果，但它們一樣會因為技術上面的極限，而蒙蔽我們。這裡會有的問題是，種系關係學的極限，差不多就是在真核生物起源的時候。所有上述特徵的基因，都可以追溯回到真核生物的共祖，它差不多全部都具備了。但是這些特徵又是從何而來呢？這個共祖，難道是從石頭裡面蹦出來的？就像雅典娜從天神宙斯的頭裡蹦出來一樣。哪些特徵，在共祖出現以前就出現了呢？我們所知甚少，或許該說，其實根本一無所知。細胞核是如何演化出來的？又是為什麼？有性生殖又是為什麼呢？為什麼幾乎所有的真核生物都有兩種性別？細胞那些奢華的內膜系統又從何而來？為什麼細胞骨架是如此機動又靈活？為什麼生殖細胞在分裂的時候（減數分裂），要先倍增染色體數目，然後再對分？為什麼我們會老化？會得癌症？然後會死亡？譜系發生學儘管威力強大，但是對於這些生物學裡面最重要的問題，卻仍然愛莫能助。所有負責這些特徵的基因（製造出的蛋白質，我們稱為真核生物「識別蛋白質」），原核生物體內一個也沒有。相反的，細菌也一點都沒有想要演化出這些特徵的樣子。在簡單的原核生物，以及讓人困擾的真核生物共祖之間，並沒有已知的演化中間型存在（圖6）。所有複雜生物的特徵，都是從無親無故的空虛中突然冒出來，從生物學中心的黑洞中出現。

通往複雜之路上，消失的階梯

演化論的預測其實很簡單：複雜的特徵，會透過一系列微小的改變，慢慢累積出來，而每一次改變，都比上一步要多一點點優勢。最適合的特徵會存活，就代表較次者會被淘汰，因此，天擇會持續地消滅演化中間型。長此以往，在這片最適者生存的大地上，每種特徵都會傾向登峰造極，因此，我們只會看見完美的眼睛，卻看不到演化到半路、比較次級的中間型產物。在《物種起源》裡面，達爾文就已經指出，根據天擇，中間產物應該會被淘汰。在這樣的脈絡下，沒有從細菌到真核細胞之間的中間型存活下來，反倒不是最大的問題；同樣的特徵（比如眼睛），如果沒有一次又一次地重複演化出來，反而比較奇怪。

雖然我們沒有親眼印證眼睛演化出來的完整歷史，但是卻在生態學上，看見過各式各樣的眼睛。從原始似蠕蟲形動物，身上的簡單感光點為起點，眼睛早就獨立演化出來過好多次了。這正是根據天擇所預測的結果。在特定的環境下，每一次小改變，都會提供多一點點優勢；至於是怎樣的優勢，端視所處的環境而定。因此，在不同的環境中，會演化出形態趨異的眼睛，像是蒼蠅的複眼，跟扇貝的反光鏡眼睛；也可能演化出形態趨同的照相機式眼睛，比如章魚跟人類的眼睛，長得幾乎一模一樣。還有各種一望即知的中間型構造，可以在不同物種身上看到，從針孔式，到適應力強大的水晶體。科學家甚至在某些單細胞原生生物身上，發現了超迷你眼睛，從「鏡頭」到「視網膜」一應俱全。簡而言之，根據演化論預測，生物的每項特徵，都應有多種不同起源（多系群）；它們每一次改變，都會比上一步多一點點競爭優勢。理論上，所有的特徵都是如此演化出來，而我們所見也確實如此。因此，像飛行這項特徵，就曾經在至少六種不同的情境下各自演化出來，包括了蝙蝠、鳥類、翼龍，以及多種不同的昆蟲身上。多細胞構造前面也提過，曾各自演化過約三十次。各式各樣內溫性（溫血動物）也曾在不同群的動物中演化出來，包括了哺乳類、鳥類、某些魚類、昆蟲，甚至還有植物6。即使是意識與知覺這種「特徵」，在哺乳類跟鳥類身上，都很可能是各自演化出來的。至於眼睛，我們剛講過了，為適應各種不同環境，已經演化出各種多樣性。這些特徵當然都有其物理性的限制，但是這些限制，顯然不夠強到阻止它們，從各種來源冒出來。

那麼，關於細胞的性生活、細胞核，或是吞噬作用呢？同樣的推理應當也適用在它們身上才對。如果它們是透過天擇篩選而演化出來（它們當然是），而每一次適應上的改變，都會增加一點點優勢（這當然也是），那麼我們也應該在不同細菌身上，找到不同真核生物特徵的源頭才對，但是從來沒有！這真是演化論的「醜聞」呀！我們幾乎沒有在任何細菌身上，看過真核生物的特徵萌芽過。就拿有性生殖做例子好了，有些人認為，細菌會進行「接合」，透過「水平」基因轉移，將自己的DNA從一隻細菌傳給另一隻，這等同於有性生殖。細菌有一整套用來重組DNA的蛋白質機器，可以幫助它們鍛造出新而多變的染色體，而這正是一般咸認為有性生殖的優點。可是，這兩者之間的差異，判若雲泥。有性生殖需要經過兩個配子的融合；每一個配子，只帶有正常細胞一半數量的基因，兩者全部的基因，都會互相重組。水平基因轉移則完全不是，它既沒有互相、也不是系統性重組，而是非常零碎的重組。可以說，真核生物是「全心投入性生活」，細菌則是半吊子玩玩而已。很明顯地，一定有什麼優勢，讓真核生物如此沉溺於性生活；但是果如此，我們應該可以在某些細菌身上，看到類似的行為才對，就算詳細機制不同也無妨。但是，就我們所知，完全沒有這樣的例子。細胞核與吞噬作用的起源，以及基本上所有真核細胞特徵，都有類似的問題。初始的一些步驟，誠然不構成問題，因為我們曾經發現過某些細菌，體內帶有摺疊起來的內膜；有些細菌並沒有細胞壁，卻帶有簡單的機動性細胞骨架；另外有些細菌有直線狀的染色體、或是有好幾套基因體備分；有的細菌尺寸極大……等等，這些全都是邁向複雜真核細胞的起點。但是細菌總是在一開始就放棄了，尤有甚者，幾乎沒有任何一種細菌，在同一細胞中曾經融合多重的複雜特徵。

關於細菌與真核生物的巨大差異，最簡單的解釋就是因為競爭。這個理論說，一旦第一個真核生物演化出來之後，因為競爭性太強，所有適合複雜形態細胞生存的區位，很快就會被占滿。它們所向披靡，以至於任何一顆細菌，想要嘗試侵入這些生存區位時，都會被早已存在的真核生物排擠。用行話來說，就是細菌因為無法競爭而滅絕了。大家都聽過不少大滅絕的故事，發生在恐龍、其他大型植物或動物等等身上，所以，這個解釋聽起來非常合理。想像一下，我們那些毛茸茸的嬌小，現代型哺乳類的祖先型，四千五百萬年來受盡恐龍的欺壓，只有等到牠們滅絕之後，才有機會大鳴大放，成為今日的模樣。然而，我們有十足的理由，去質疑這個解釋「看似合理其實錯誤」。首先，細菌畢竟不是大型生物，它們的族群大小常常大的嚇人，而且它們會利用水平基因轉移，把有用的基因傳來傳去（像是抗藥基因）。如此一來，細菌要滅絕的機會微乎其微。事實上，我們找不到任何可以證明，細菌曾經滅絕過的蛛絲馬跡，即使在「大氧化事件」之後，也不曾見過。不管是譜系發生學，或是地球化學的研究，都找不到什麼證據可以證明，傳說中把大部分厭氧菌一掃而空的「氧氣大屠殺」確實發生過。恰恰相反，厭氧菌繁殖得相當成功。

更重要的是，有明確的證據顯示，所謂的「中間型」，並沒有因為跟「複雜真核生物」競爭失敗而滅絕，相反地，它們至今仍存在世上。我們剛剛已經介紹過了，就是「古原蟲」，那一大群一度被誤認為是「失落的環節」的原始真核生物。雖然它們並非真正演化上的中間型，卻是不折不扣生態學上的中間型，因為這兩者所占領的生態區位，一模一樣。演化上的中間型，才是真正「失落的環節」，比如有「長腳的魚」型類群（提塔利克魚，Tiktaalik），或是有羽翼的恐龍類群（始祖鳥，Archaeopteryx）。生態學上的中間型，雖然不是真正「失落的環節」，但是牠們可以告訴我們，特定的生態區位，或特定的生活方式，有沒有可能性出現。比如飛鼠，雖然跟其他會飛的脊椎動物，如蝙蝠跟鳥類，親緣關係並不近，但是牠的存在等於示範給我們看，在樹枝間滑翔，不需要豐滿的羽翼，也可以辦到。這個意義在於，完美的飛行，確實可能從這裡開始演化，而不只是我們幻想而已。而古原蟲的意義也一樣，它們是生態學上的中間型，因此可以證明，特定的生活方式可行。

之前我曾經提過，古原蟲的種類，超過一千種以上。這些細胞都是貨真價實的真核細胞，透過簡化自己，去適應「中間型」生態區位；它們並不是變得比較複雜的細菌。我想強調一下這件事情。簡單細胞的生態區位，被這些形態變簡單的細胞，入侵了這麼多次（譯注：一千種不同的古原蟲，代表最多入侵了一千次），然後它們在此興盛。這些變簡單的細胞，並沒有被早已存在的複雜真核生物，趕盡殺絕而滅亡。相反地，它們之所以繁衍，正是因為變得較簡單。從統計學的角度來看，假設真核生物跟細菌的條件都一樣的話，那麼只有簡單真核生物（而沒有複雜的細菌）入侵這些區位，而且成功一千次的機率，將是十的三百次方分之一，這是只有在小說《銀河便車指南》（Infinite Improbability Drive）裡面，使用柴法德癟頭士（Zaphod Beeblebrox）的「無限的非或然性推進器」，才可能出現的誇張數字呀！就算用非常保守的估計，假設古原蟲只獨立演化了二十次好了（然後每一次都輻射演化出大量的子群），那成功入侵棲位二十次的機率，也是一百萬分之一那麼低。這要不是純然僥倖、可以在這麼低的機率裡中獎；就是前提有誤：大家條件其實並不一樣。比較合理的解釋是，真核生物的結構中，必定有某些特質，讓它們可以輕易入侵這些適合中間型生物的區位；而細菌的結構必定有一些限制，讓它們無法演化出複雜的形態。

這種看法其實並不極端，事實上，還跟我們所知的資訊相當吻合。在本章之初我們談過細菌，而在序論的地方也曾提過，因為缺乏細胞核，因此被稱為「原核生物」（原核的意思就是「在有細胞核以前」）。它們又可以分成兩大族群，或者分類學上稱為兩大域，那就是細菌跟古菌。請別把「古菌」（archaea）跟「古原蟲」（archezoa）搞混了，古原蟲是前面介紹過的簡單真核細胞。真是抱歉，這些生物的學名實在很難記，好像是中世紀鍊金術士使用的、故意阻止外人了解的密語似的。不過還是請儘量記清楚，古菌跟細菌都是沒有核的原核生物，而古原蟲則是原始的真核生物，它們有細胞核。其實，古菌到現在還常被稱為「古細菌」（archaebacteria），或是「古老的細菌」；至於一般的細菌，則被稱為「真細菌」（eubacteria），或是「真正的細菌」。因此，這兩群生物都是正格的「細菌」。為了方便起見，以後我會都使用「細菌」來稱呼它們，除非當我要強調這兩域生物之間的差異時，才會更精確的區分它們7。

古菌與細菌這兩域的生物，最大的差異，在於它們的遺傳與生化反應部分，外觀則是一模一樣難以區分。它們兩者都沒有細胞核，也缺少任何可以過複雜生活的真核生物特徵。正是因為細菌與古菌，兩者都有多樣化，且差異極大的基因，又可以執行令人歎為觀止的生化反應，但卻都沒辦法演化出更複雜的形態，看起來似乎有某種物理上的障礙，阻止原核生物在演化之路上變得更複雜，但是真核生物，卻跨越了這道障礙。在第五章我會詳述，跨越這道障礙的關鍵，在於一場罕見的意外，一次發生在兩個原核生物間的內共生作用，在序論我們已經大略介紹過一點了。現在只要記住，有某些結構上的限制，綁住了兩大域的原核生物，讓細菌跟古菌這兩群生物，在不可思議的四十億年間，始終維持著簡單的外形。只有真核生物，真的跨越了複雜度的界限；之後用爆發式的單系輻射演化，悄悄告訴我們，過去確實有一道未知的結構障礙存在。這事件只發生過一次，因此，所有的真核生物，彼此都是親戚。

錯誤的問題

至此，就是從新的視野看到的生命簡史。讓我快速總結一下。早期的地球環境，與我們今日的世界，並沒有太大的不同：過去的地球也是一個水世界，有溫和的氣候，大氣中主要的成分，是二氧化碳跟氮氣等火山氣體。彼時空氣中既沒有氧氣，其他能合成有機分子的氣體，像是氫氣、甲烷、跟氨氣，含量也不多，這樣馬上就讓太古濃湯那個老掉牙的想法出局了。儘管如此，生命還是出現得非常早，大概誕生於四十億年以前。事實上，有其他的因子，促成生命誕生，這點我們晚一點再回頭來講。生命出現後，細菌很快地掌握全局，它們布滿了地球上每一寸空間、每一個代謝區位，在往後二十億年間，徹底改變了全球的環境；它們造成大規模的岩石與礦物沉積，改變了海洋、大氣，也改變了大陸。它們顛覆了穩定的氣候，造成雪球地球事件；它們氧化了世界，讓大氣跟海洋中，都充滿了反應性極強的氧氣。然而，在這段無垠的時光中，不管是細菌也好，古菌也好，都還是長得一模一樣：固執地保留著簡單的構造及生活方式。整整四十億年的時間裡，儘管環境跟氣候都發生了劇變，儘管細菌的基因與生化反應都改變了，但是外形卻始終如一。它們從來不曾變成較為複雜的生命形式，沒有變成那種，可能在外星球才能找到的智慧外星人──除了僅有的一次。

是那一次絕無僅有的機會，在我們這顆星球上，讓細菌變成了真核生物。不管是化石紀錄或是譜系發生學的研究，都不支持「複雜生命曾經出現過好多次，最後卻只剩今日我們熟知的真核生物這個族群，存活下來」這樣的假設。相反的，單系輻射演化的現象，強烈暗示了，是物理結構上的限制，造成真核生物只會有一個來源；而這跟環境中是否發生了像「大氧化事件」這種巨變，幾乎沒有什麼關係。在本書第三部分，我們要來看看，這些限制可能是什麼。現在，讓我們先記住，任何恰當的解釋，都應該要能夠說明，為何複雜的生命只演化出一次？這個解釋的說服力，可信度必須要夠強；但卻又不能太有說服力，以至於讓我們想問：那既然如此，為何沒有發生過好多次呢？對於只發生過一次的事情，任何解釋，看起來都免不了有僥倖的成分。我們該如何反覆檢驗呢？關於事件本身，或許沒有剩下太多可資證明，但是事後卻可能留下一些線索，供我們推敲；就像一把冒著煙的槍，暗示了剛剛曾發生過的事。一旦掙脫了細菌的枷鎖，真核生物就演化出極度複雜多變的外形。但是這些複雜性，並非以明顯可以預測的方式出現：它們還伴隨著一系列難解的特徵，像是有性生殖、老化，或是種化等等。這些特徵，不管是在細菌還是在古菌身上，都不曾見過。最早的真核生物，是在孤零零沒有任何同伴群的情況下，慢慢累積出每一項特徵，後來就成了大家的共祖。沒有任何演化中間型存活下來，可以告訴我們之間的故事。這些現象加總起來，成就了生物學裡面最大的一個待解問題，也是最令人興奮的一件事。這些特徵有沒有什麼模式，可以告訴我們它們是如何演化出來的嗎？我認為有。

這個問題的解答，跟本章一開始我們所問的問題有關。生命史以及生命的特質中，有多少部分，可以根據第一原理來預測？我認為，生命形態發展所受到的限制，不能單純以基因、環境或是歷史因素來解釋。如果我們只把生命視為傳給下一代的資訊的話，那麼在這世事難料的歷史洪流中，也沒有什麼可以預測的了。為什麼生命出現的如此之早？又為什麼它們的外形會停滯不前好幾十億年？為什麼細菌跟古菌，並不受到全球氣候與生態巨變的影響？為什麼所有複雜的生命，在這四十億年中，都只有一個共祖，然後都是靠單系群演化來的？為什麼原核生物不持續它們的演化之旅，僅僅一次也好，變成複雜度更高的細胞或生物？為什麼真核生物的種種特徵，像是有性生殖、細胞核、吞噬作用，沒有出現在細菌或是古菌身上？真核生物又為什麼保留著這些特徵呢？

如果生命的本質就是資訊，那這些問題就成了深不可解的謎。光靠資訊，我不相信，生命的故事還能夠透過科學來預測跟料想。多變的生命，只可能是歷史上的意外，如同暴虐命運的矢石（譯注：語出莎士比亞的戲劇哈姆雷特）。要去預測其他星球上的生命形態，也再無可能。都是DNA，它那迷人的編碼／工序指令系統，看起來似乎是一切問題的答案；卻讓我們忘記薛丁格提出的另外一個重點：生命可以抵抗熵（entropy）──也就是退化的傾向。在《薛丁格生命物理學講義：生命是什麼？》這本書的注腳裡，薛丁格說到，如果他這本書的對象讀者，都是物理學家的話，他將不會使用「熵」這個術語，他會用「自由能」（free energy）。在物理學裡，「自由」這個詞有特定的含義，我們將在下一章談到。現在，我們只要知道，「能量」正是本章完全沒有談到的事情之一，也從薛丁格的書中缺席。他那象徵性的書名，其實是問了一個錯誤的問題。把能量的觀點加入考量的話，什麼是活著？才是更貼切的問題。但是這不是薛丁格的錯。在他寫書的那個年代，還沒有任何人知道生物的能量貨幣是什麼。而現在，我們對這一切是如何運作，都已瞭若指掌，而且是到了原子等級。我們發現，生物產生能量的詳細機制，就跟遺傳密碼系統一樣，是橫跨所有物種都一模一樣的。正是這些機制，形成細胞結構上最基本的限制。然而，我們並不知道這些機制是如何演化出來，也不知道它們如何限制了生命的發展。這些，正是本書要討論的問題。

1　關於這些非編碼的DNA到底有什麼用途，科學界爭執非常激烈。有些人認為它們確實有用，因此「垃圾DNA」（junk DNA）這樣的詞彙應該揚棄。其他的人則用「洋蔥考驗」來責問：如果非編碼DNA真的有用處的話，那為什麼洋蔥需要比人類還多五倍的非編碼DNA？我認為，現在就談放棄「垃圾DNA」言之過早。垃圾畢竟不同於廢物。廢物會被馬上丟棄，但是垃圾混在廢物中，有朝一日可能會變成有用的東西（譯注：junk DNA 中譯「約定成俗」譯為垃圾DNA，但其實意義上比較接近雜物DNA）。

2　還有第三種不穩定的同位素，叫做碳十四，它帶有放射性，以半衰期五千五百七十年的速度衰變。它常常被用來探測人工製品，但是對於測量地質年代，卻沒有用處，因此跟我們在這裡講的故事無關。

3　這些甲烷，是由產甲烷菌（methanogenic bacteria）所製造的，或者說精確一點，是古菌。因為產甲烷菌產生的同位素記號非常之強，所以，如果同位素記號是可信的話，那麼這些甲烷菌，應該興盛於三十四億年前。如同前面說過，在更早以前的太古大氣中，並沒有太多甲烷。

4　在第一章裡面，為了簡單起見，我都叫它們細菌，雖然比較正確的說法是「原核生物」，包含了我們在序論裡面解釋的細菌與古菌。在本章結尾時，我們再來談談古菌的重要性。

5　這種說法其實不全對。有氧呼吸（Aerobic respiration）的確可以提供比發酵作用，多了將近一個數量級的能量。但是嚴格來說，發酵作用根本不算是呼吸作用的一種。真正的無氧呼吸，不使用氧氣，而會使用如硝酸鹽之類的物質，當作電子接收者，而它們可以提供跟氧氣一樣多的能量。不過呢，因為這些氧化劑，還是需要氧氣來合成，所以只有在氧氣充足的世界裡，才有可能累積到足夠數量，讓無氧呼吸順利進行。所以，即使水生動物，真的可以利用硝酸鹽代替氧氣來呼吸，牠們仍然需要活在有氧世界裡。

6　說到植物也有內溫性（endothermy），也許會讓你大吃一驚，不過，事實上許多花朵都有這種特徵。或許，這樣做有助於釋放出吸引傳粉者的化學物質；又或許這樣能提供「熱獎勵」給傳粉昆蟲、促進花朵發育，還有幫助它們對抗低溫。像蓮花（Nelumbo nucifera）甚至可以調節體溫，它們可以感知環境中氣溫的變化，調整細胞的產熱能力，以便維持組織的溫度在固定的範圍內。

7　所有的科學術語其實都帶有豐富的意義，不管是知識上或是情感上的，累積了數十載。不過精確地來說，不管是古細菌或是古菌兩種叫法，其實都不正確，因為這些生物並沒有比細菌還老。我比較喜歡使用古菌跟細菌的原因，一方面是可以用來區分這兩大域生物，天差地別的差異，另一方面則是名字比較簡單。

第二章 什麼是活著？

它是一個冷血的殺手，身懷精心算計好的熟練技巧，這可是磨練了數百萬年的成果。它可以干擾生物複雜的免疫監視系統，也可以像個雙面諜一樣，悄然隱身在背景中，毫不引人注意。它可以辨認細胞表面的各種蛋白質，像個內部工作人員一樣的貼上去，打開進入細胞內部聖堂的入口後，精準無誤的直驅細胞核，讓自己混入宿主的DNA中。有的時候，它可以匿跡其中不動聲色好幾年；其他時候，則會毫不猶豫地出手，破壞宿主的生化系統，利用它來複製出好幾千個自己的替身。它會將這些替身穿上偽裝的脂質與蛋白質，把它們運送到細胞表面，撐破細胞而出，讓它們開始重新開始另一輪狡獪的破壞攻擊。它們可以只把細胞一個接著一個殺掉，也可以造成毀滅性大流行，把人類一個接著一個地殺死。又或者，可以在一夜之間，瓦解海洋中蔓延幾百公里的藻華。儘管大部分的生物學家，都不把這些「病毒」（virus）視為有生命的，但是它們可是一點也不在乎。

為何我們不認為病毒是「活著」的？因為它們沒有獨立而主動的代謝機能，必須完全仰賴宿主。這就帶給我們一個問題：代謝能力，是生命必要的屬性嗎？大家都會不假思索的說：「是」，但是為什麼？若說病毒使用環境中唾手可及的材料，來自我複製，我們又何嘗不是？我們吃其他的動物與植物，呼吸空氣中的氧氣。一旦把人類與環境隔絕，舉例來說，把一個塑膠袋套在頭上好了，那我們最多只能活幾分鐘而已。論者大可說，我們也跟病毒一樣，是寄生於環境之中。植物也是如此。植物依賴我們的程度，其實跟我們依賴它們的程度差不多。為了要透過光合作用來製造有機分子，讓自己生長，植物需要陽光、水跟二氧化碳（CO2）。不毛的沙漠跟陰暗的洞穴，都不適合植物生長；同樣的，缺少二氧化碳，植物也無法生長。植物之所以從不缺乏二氧化碳的原因，是因為動物（以及真菌還有數種細菌），會持續地消化有機分子，把它們打碎、燃燒，最後形成二氧化碳，釋放回大氣中。人類大量燃燒消耗化石燃料，會為整個星球帶來可怕的後果，但是對植物而言，它們卻會非常感激，因為愈多的二氧化碳代表愈多生長。所以，植物也跟我們一樣，寄生於它們的環境之中。

從這個觀點來看，動物、植物跟病毒之間的異同，不過就是受惠於環境多少而已。在我們細胞裡面，病毒可是像回到溫暖的子宮裡面一樣受盡寵愛，這個世界，可以提供任何它想要的東西。因為周圍環境中的資源是如此豐富，病毒可以讓自己簡化到不可思議的地步，梅達瓦爵士（Peter Medawar）曾這樣形容病毒：「就只是一片蛋白質外衣裡面，包著一條壞消息而已。」與病毒完全相反的例子是植物，它們對周遭的環境需求非常少。只要有陽光、空氣跟水，植物幾乎可以在任何一個地方生存。為了要達到降低環境需求，驅使它們的內部系統就變得極為精緻化。從生化學的角度來看，植物甚至可以從空氣中擷取稀薄的原料，合成所有生長所需的物質8。至於我們人類，則是介於兩者之間。除了日常進食的需求以外，我們的飲食中還必須含有幾種特定的維生素，如果沒有的話，我們可能會死於像是壞血病這種可怕的疾病。人類沒有辦法從一些簡單的母質中，自行合成維生素，因為在演化的過程中，我們喪失了生物祖先從原料合成維生素的整套生化工廠。如果沒有外部支援維生素的話，我們也會像失去宿主的病毒一樣，走向毀滅。

所以我們一樣需要環境的支援，問題只是，有多需要？事實上，病毒跟某些寄生性DNA的關係，非常複雜。這些DNA的寄生蟲，像反轉錄轉位子（retrotransposon，又叫跳躍基因，jumping genes）這類的片段，總是讓宿主睡不安寧，因為它們會自我複製，隨意安插在宿主基因體裡任一處。還有像質體（plasmid）這種獨立的環狀DNA，只帶著極少基因，可以從一個細菌直接傳給另一個細菌（透過非常小的連接管），因此可以完全無視外在環境。那麼，反轉錄轉位子、質體，還有病毒，它們算是活著的嗎？它們全部都為了複製自己，會施展「目的性」十足的詭計，占盡周圍生物環境的便宜。很顯然地，在「活性的」與「沒有生命」之間，是一段連續的光譜，硬要去畫出一條界線，其實並沒有意義。大部分人對於生命的定義，都著重在生物本身，而傾向忽略生命對環境的寄生性。比如美國太空總署對生命的「工作定義」就說：「生命是能夠自給自足、同時進行達爾文式演化的化學系統。」這包不包含病毒呢？大概沒有吧。不過這要看你如何解讀那段模稜兩可的「自給自足」。不過不管如何解讀，似乎都沒有強調，生命對於環境的依賴性。環境，從本質上來講，是自外於生命的；然而我們將會看到，事實上根本不是這樣，環境與生命，永遠是攜手並進的。

如果把生命跟它賴以為生的環境切斷，會發生什麼事？我們會死亡，還用說嗎？我們不是活著，就是死掉。不過其實也並非總是如此。當病毒離開宿主細胞，缺少資源時，它們並不會馬上腐壞然後「死亡」；事實上，病毒對外面世界的破壞，還滿有抵抗力的。在每一毫升海水裡面，病毒的數量是細菌的十倍之多，它們就靜靜的浮在那裡，等待適當時機到來。病毒抵抗腐化的能力，跟細菌的孢子很像；孢子可以長達數年之久，維持著讓任何生命跡象都暫停的狀態。孢子也可以存活在永凍層中好幾千年、甚至可以活在外太空中，而新陳代謝完全停滯。它們還不是唯一有這種能耐的東西，很多種子也可以，甚至一些動物如緩步動物（tardigrades），也可以忍受極端環境，比如像完全脫水乾燥的地方、輻射劑量高達人類致死劑量數千倍的情況下、深海底下壓力極大的環境，或是完全真空的太空中；這些地方，一樣既沒有水也沒有食物（譯注：緩步動物屬於緩步動物門，一般又俗稱水熊蟲）。

為什麼病毒、孢子跟緩步動物，不遵守大自然的法則，由熱力學第二定律所主宰的，因腐化而碎成一片片呢？或許，如果它們被宇宙射線直接烤焦，或是被公車碾過去，也是會碎成片片；但是在其他的情況下，它們卻可以穩定地維持著無生命狀態。這或許解釋了一些，關於「生命」跟「活著」之間的差異。確切的說，孢子並不算是活著的，即使大部分的生物學家，都會認為它是「有生命的」，因為它們仍保有活過來的潛力。因為它們會活過來，所以它們沒有死。因此，我認為我們對病毒，也應該一視同仁，因為一旦回到合適的環境下，病毒也可以馬上開始自我複製。緩步動物也一樣，生命跟身體結構比較有關（而結構一部分是由基因跟演化所決定）；但是要活著，也就是要有生長跟繁殖等行為，則跟環境比較有關；那是環境如何跟身體結構互動的問題。對於基因如何編碼出細胞的各種成分，我們知之甚詳，然而，對於物理性限制，如何主宰細胞的構造跟演化，卻知之甚少。

能量、熵，以及構造

熱力學第二定律主張，熵，也就是系統混亂的狀態，只增不減。因此乍看之下，孢子或是病毒可以處於這麼穩定的狀態，實在非常奇怪。熵跟生命不一樣，熵有非常準確的定義，也可以測量（如果你要問的話，它的單位是焦耳／絕對溫度／莫耳）。假設我們拿一顆孢子，把它磨成粉，把它磨碎到分子狀態，再去測量它的熵是否改變。結果呢？熵必定會增加吧？原本是一個完美有秩序的系統、是一個一旦找到合適的環境，就可以活過來的狀態，現在卻變成毫無功能的碎片，根據定義，現在應該是「高熵」。但是其實不是！根據生物能量學家巴特利（Edwin H. Battley）的精心測量，熵幾乎沒有改變！這是因為，要計算熵的話，除了孢子以外，還有其他東西必須考量；我們必須把環境也考慮進去，而環境中也有一定程度的混亂。

孢子是由相互作用、卻又配合得恰到好處的部分所組成。它被一層油性膜（脂質）包覆著，把水分很自然的隔絕在外；這是不同分子之間的交互作用力使然。如果你把油性的脂質跟水混在一起，搖晃一下，脂質會自然地聚集成一種脂雙層的膜狀構造，形成許多小滴，把水包在小滴裡面；為何會如此？因為這是它們最穩定的狀態（圖7）（譯注：脂雙層（lipid bilayers）是脂質形成的雙層構造，跟第一章提到細胞核的雙層膜（nuclear membrane）不一樣。第一章提到的雙層膜，每一層都是一片脂雙層）。同樣的道理，漂在海上的浮油，也會自然形成薄薄的一層膜，蓋在海面上，綿延好幾平方公里，造成嚴重的生態浩劫。我們常說，水跟油不互溶，這是因為分子之間的斥力與拉力，讓它們比較喜歡跟自己人在一起，而不願意跟對方互動。蛋白質也有類似的性質：帶電比較多的蛋白質分子，會溶於水；不帶電的蛋白質溶於油，這時我們會說它有「疏水性」（hydrophobic），意思其實就是說它們「討厭水」。當油分子自己聚集在一起，或是當帶電的蛋白質分子溶於水時，會釋放出能量：這時候的物質，在物理上就處於一種穩定而低能量的「舒適」狀態。能量會以熱的形式釋放出來，而所謂的熱，就是分子運動、互相碰撞，也就是分子失序的狀態。這就是熵。因此，當油水自動分離時，會釋放出熱量，增加周圍的熵。所以，若是從整體的熵來看，考慮所有分子之間的互動，當細胞被排列整齊的油性膜圍繞時，雖然整體看起來比較有秩序，但是其實比起互相不溶的分子隨意排列，要有更高的熵9。

把孢子磨碎，整體的熵卻幾乎不會增加。那是因為，雖然壓碎的孢子本身處於混亂的狀態，但是它每個成分，現在的能量卻比以前更高：油跟水混在一起、互不相溶的蛋白質被硬塞在一起，要維持這種從物理上來看「不舒服」的狀態，需要消耗能量。如果物理上舒適的狀態，會讓分子把能量以熱的形式，釋放到環境中，那麼不舒適的狀態，則會反其道而行：它們要從環境中吸收能量，冷卻環境並降低熵。在恐怖故事作家筆下那些令人打冷顫的情節，就很有這種味道：鬼魂、惡靈以及催狂魔，都會瞬間讓周圍環境變冷，甚至結凍；它們會吸走所有能量，來維持它們違反自然的存在。

在孢子的例子裡，當把所有條件都納入考慮，整體的熵幾乎不改變。從分子的角度來看，形成了聚合物，可以將局部的能量降到最低，多餘的能量，都會以熱的形式，釋放到周圍環境中，增加環境中的熵。所以，蛋白質一般都會自己摺疊成能量最低的形狀：它們會把疏水的部分包在裡面，遠離會跟水接觸的表面。帶電的部分，會互相吸引或排斥，比如帶正電的部分，會被帶負電的部分固定住，這樣可以維持三維結構的穩定性。因此，蛋白質總是會自動扭曲成特定的形狀，雖然，有時候未必是好事。比如普里昂蛋白（prions，譯注：造成狂牛症跟人類庫賈氏症的病原），就是本來完全正常的蛋白質，經過重新摺疊之後，變成半晶質的構造；這個構造又可以作為模板，繼續去摺疊其他正常的普里昂蛋白，而整體的熵幾乎一樣。一個蛋白質，可能會有好幾種摺疊法，都處於穩定狀態，但其中只有一種對細胞來說有用；可是從熵的角度來看，這幾種摺法幾乎沒有差異。或許，最令人驚訝的事實，莫過於一大鍋散亂的胺基酸（組成蛋白質的材料），跟摺疊好整齊漂亮的蛋白質成品，在熵上面，也幾乎沒有差異。解開蛋白質，讓它們回到原本滿鍋的胺基酸狀態，雖然會增加熵，但是，這樣也會讓疏水性胺基酸暴露在水中；這種違反自然的不舒服狀態，會吸收環境裡的熱能，跟剛才一樣，或許我們可以稱其為「惡靈效應」。不過如果要說生命處於低熵狀態，也就是說，比一鍋散亂的原料，要來的更有組織，其實也並不完全正確。生命會有規則跟組織，其實並不僅僅只是因為環境中的熵增加了而已。

所以，當薛丁格說，生命從環境中「吸吮」負熵的時候，他的意思是，生命吸收了環境中的「秩序」。然而，即使一堆胺基酸跟摺疊好的蛋白質，都有一模一樣的熵，仍然有兩個問題，讓胺基酸未必會形成蛋白質，所以還需要加入額外的能量才行。

首先，一堆胺基酸不會自動自發地接在一起，形成一條長鏈。蛋白質雖然是胺基酸長鏈，但是胺基酸本身反應性並不好。細胞要先活化它們，才有辦法把它們接起來。只有活化了之後，胺基酸才會接成一串鏈子。連接起來的胺基酸，會釋放出跟剛剛活化時差不多的能量，因此，反應前後的熵會差不多一樣。當蛋白質摺疊起來的時候，能量會以熱的形式散逸到環境中，增加周圍的熵。因此，在反應前後兩個相等的穩定態之間，有著一道能量障壁（energy barrier）。這個意思代表了，要形成蛋白質並不容易，但是要降解它們也不容易。要經過一番努力（用消化酵素），才能把蛋白質拆回原來的零件。我們必須要知道，有機分子傾向彼此作用、去形成一個像是蛋白質、DNA或是細胞膜之類的大分子，其實並不比火山岩漿在冷卻後形成礦物結晶，要來得神祕到哪去。如果有足夠具有反應性的材料，形成那些大分子，將會是萬物最穩定的狀態。真正的問題其實是，這些有反應性的材料，來自何處？

這就是第二個問題了。就算在今日的環境下，要找到一堆活化過胺基酸，也不容易。如果放著不動的話，活化的胺基酸會慢慢跟氧氣作用（也就是「氧化作用」），然後變成一堆混合氣體，像是二氧化碳、氮氣、二氧化硫，還有水蒸氣等。這也就是說，要形成胺基酸，首先要灌注能量進去，而當它們降解的時候，會把這些能量釋放出來。這也是為何即使飢餓了好一段時間，我們仍然可以藉著把肌肉裡面的蛋白質分解，當作燃料使用來生存。這些能量並非來自蛋白質本身，而是來自燃燒蛋白質的零件，也就是胺基酸。因此，種子、孢子還有病毒，在今日這個充滿氧氣的世界中，其實並非全然穩定。隨著時間過去，它們的組成分子，會慢慢地跟氧氣反應（也就是氧化反應），長此以往，會漸漸侵蝕它們的結構與功能，最終讓它們即使到了適當的環境中，也無法回春發芽。這樣，種子就死了。不過假設改變大氣組成，將氧氣完全隔絕開來，它們確實可以永遠維持穩定10。在這個全球產氧的環境中，有機物其實是「失去化學平衡」的，它們平常傾向被氧化，除非我們主動地阻止氧化反應（不過在下一章裡面，你會看到其實並非總是如此）。

所以在正常情況下（有氧氣存在時），要從簡單的分子，像是二氧化碳跟氫氣，去合成生物原料像是胺基酸、核苷酸，需要消耗能量。接著，又要再消耗能量，去把它們連接起來，形成長鏈聚合物（胺基酸變成蛋白質，核苷酸變成DNA）。在這些反應的前後，熵的改變極小。合成新的材料，把它們連起來，生長，複製，這樣才算是活著。生長，同時也代表了要主動把細胞裡各種資源，運進運出。所有這些行為，都需要持續的能量流動，也就是薛丁格說的「自由能」。他所提出的方程式，是一個既經典又簡單的。這方程式將熵與熱跟自由能連結在一起：

ΔG = ΔH – TΔS

這些符號代表什麼意思？三角形的希臘字母 Δ（delta）代表了變化。ΔG 就是「吉布斯自由能」（Gibbs free energy）的變化。這個名字，是根據十九世紀偉大卻避世隱居的美國物理學家吉布斯（J. Willard Gibbs）來命名。這是一種「自由」的能量，可以用來作機械功，比如讓肌肉收縮，或是任何細胞內部的運動，皆屬此類。ΔH 則代表了熱量改變，熱量會被釋放到周圍環境中，加熱它們，同時增加熵。一個會放出熱量的反應，必定會讓反應系統本身冷卻，因為現在系統裡的能量比反應前要少。所以，當能量釋放出來之後，從反應系統的角度來看，ΔH 會是負值。T就是溫度，它的重要性視環境而定。將熱量釋放到較冷的環境中，對這個環境影響很大，同樣的熱量，釋放到較溫暖的環境中，影響就比較小，這是因為同樣的熱量，相對於冷的環境來說，是比較大的輸入。最後，ΔS 就是系統裡面熵的變化。當系統的熵減少、變得比較有秩序時，ΔS 是負值；反之則是正值，系統也變得混亂。

基本上，任何自發性的反應，它的自由能變化 ΔG，必定是負值。對於維持生命所需的各項生化反應，加總起來之後，也必須如此。這也就是說，只有當 ΔG 是負值時，反應才會自動發生。要達成這個目標，或者系統中的熵要增加（系統要變得更為混亂），或者系統必須失去能量（以熱的形式），或者兩件事同時發生才行。既然如此，當系統放出大量的熱到周圍環境中，系統的 ΔH 呈現極大的負值時，局部的熵是可以增加的（系統內變得更為有秩序）。最重要的一點就是，要驅動生長與繁殖（而這就是生命！），一定會有一些反應，持續地將熱量釋放到環境中，讓外界更為失序。想想看天上的星星，為了維持自身有秩序的存在，它們必須釋放出大量的熱到宇宙中。至於我們，為了維持生存，我們必須持續藉由呼吸作用釋放產生的熱量。我們持續利用氧氣燃燒食物，排熱到環境中。這些損失的熱量並非浪費，它們是維持生命所必需。喪失的熱量愈多，生物才愈可能變得複雜11。

情況適合的話，細胞裡面所有的反應，都會是自發的，也都會自己發生，ΔG 將永遠是負值。從能量的角度來看，這一直都是能量下坡。然而，這也表示反應起點的條件，必須非常高。就製造一個蛋白質來說，這難以達成的起點，就是必須在很小的空間裡，收集到足夠活化的胺基酸。當它們連接起來並且摺疊成蛋白質時，會釋放出能量，增加環境中的熵。其實活化的胺基酸，只要有足夠、適當且被活化的前驅物，是有可能自動生成的。而這些足夠、適當且被活化的前驅物，只要在一個高度反應性的環境中，也可以自動合成。所以到頭來，生長的力量，其實是來自環境中的反應性，這股力量不間斷地流過活生生的細胞。對我們來說，這股力量就是食物與氧氣，對植物來說，就是光線中的光子。活細胞利用這股持續不斷的能量流，一邊生長，一邊抵抗傾向分解的命運。它們利用各種精巧的構造，來完成這些工作，而這些結構，基因決定了其中一部分。不管這些構造是什麼（我們很快就會談到），它們就是生長與繁殖的成果，也是天擇與演化的成品。可是如果沒有環境持續供應能量流的話，這些都不可能發生。

生物能量的範圍相當狹窄，令人好奇

生物需要大量的能量來支持他們的生存。所有生物都使用的能量「貨幣」，是一個叫做ATP的分子，這是三磷酸腺苷（adenosine triphosphate）的縮寫（不過你們不需要去記這個名字）。ATP作用的方式，就像硬幣之於吃角子老虎機一樣。它可以讓吃角子老虎機運作一次，然後機器會馬上停止。這台「機器」，通常是一個蛋白質。ATP會改變機器的狀態，有點像是把開關往上或往下推。對蛋白質而言，這個改變，通常是將它從一種穩定的狀態，變形到另一種狀態。要推回去的話，需要第二個ATP，就好像你要再投入第二枚硬幣，才能讓吃角子老虎機再動一次。想像一下，把細胞當成一座大遊樂場，裡面全部都是蛋白質機器，靠著持續投入硬幣運作。一顆細胞，每一秒鐘大約要消耗一千萬枚ATP硬幣呢！這是很驚人的數字。人體大約有四十兆個細胞，全部加起來的話，我們一天要用掉六十到一百公斤重的ATP分子！這大約跟我們的體重差不多重了。但是事實上，我們全身大概只有六十克的ATP，因此可以計算出，每個ATP，大約每一分鐘會被「重新充電」一到兩次。

重新充電是什麼意思？當ATP被劈開的時候，會釋放出自由能，可以改變蛋白質的形狀，同時也釋放出足夠的熱能，讓 ΔG 維持負值。ATP通常會裂解成大小兩部分，大的叫做ADP（adenosine diphosphate，二磷酸腺苷），小的是無機磷酸鹽（PO43-）。無機磷酸鹽就是肥料的成分，通常也寫作Pi。因此，要把Pi跟ADP重新組合成ATP，需要消耗能量。呼吸作用，也就是用氧氣燃燒食物，所產生的能量，就是用來把ADP跟Pi重新組合成ATP。這就是幫ATP充電。這個永無止境的循環，可以寫成下面這個簡單的方程式：

ADP Pi + 能量 ⇆ ATP

跟其他生物比起來，人類並沒有什麼特別的。像大腸菌這樣的細菌，每二十分鐘就可以分裂一次，供應它們每分裂一次所需的燃料，大約是五百億個ATP，這約是大腸菌自身重量的五十到一百倍呢！它們合成ATP的速率，也比人類細胞快了四倍之多。如果把這些能量，用瓦特來表示的話，數字也同樣驚人：我們每一克組織，要用掉兩毫瓦的能量，如果以平均成人重量六十五公斤來算，就是一百三十瓦，大約比一般一百瓦的燈泡，要多一點點。這看起來好像並不多，但是如果從每克組織來看，這數量可比太陽放出的，多了一萬倍（太陽只有很小一部分，無時無刻不在進行著核融合反應）。與其說生命是燃燒的蠟燭，還不如說是一座火箭發射器。

從純理論的觀點來看，生命一點也不神祕。它並沒有違反任何一條自然律。每一秒鐘流過細胞的能量，雖然極為龐大，但是同時間從太陽──以陽光的形式──傾瀉到地球上的能量，卻又比這些能量高了好幾個數量級（因為太陽實在是太大了，所以儘管每一克的能量比較低，總量還是很大）。只要這些能量，能分出一小部分，來驅動生化反應，任誰都會認為，生命應該可以透過任何一種形式來運作吧？在上一章中，我們提過了，遺傳資訊似乎沒有什麼基本限制；關於能量也一樣，只要量夠的話，如何使用似乎也沒有任何基本限制。然而事實上卻是，地球上的生命，嚴重地受到能量的限制，這才是最令人訝異的地方。

關於生命與能量的關係，有兩件事情相當出人意料。首先，所有細胞的能量，都是來自於一種相當特殊的化學反應，我們稱為氧化還原（redox）反應，它的特徵，就是電子從一個分子跑到另一個分子身上。氧化還原反應，其實是「氧化反應與還原反應」兩者一起。它只是一個電子或多個電子，從一個供應者轉移到一個接受者身上的反應。當供應者丟出電子時，我們說它被氧化了。這正是像鐵這樣的物質，跟氧氣結合時所發生的反應：它們把電子傳給氧氣，讓自己被氧化成鐵鏽。在生鏽的例子裡，接受電子的物質是氧氣，我們說它被還原了。在呼吸跟燃燒的反應裡面，氧氣（O2）被還原成水（H2O），因為每一個氧原子，都會得到一對電子（讓它們變成O2-），再加上兩個質子，把電荷平衡到零。這反應之所以可以發生，因為在反應過程中會放出熱，增加外界的熵。其實所有的化學反應，最終都會降低反應系統自己的能量，同時增加環境裡的熱量；鐵或是食物跟氧氣的反應，就是最好的例子，它們會放出大量的熱（跟火一樣）。呼吸作用會把反應所釋放出來的能量，以ATP的形式，短暫地保留一部分下來，直到ATP再度裂解為止。ATP的能量，被儲存在 ADP-Pi 的鍵結中，當這個鍵結斷裂開時，能量就以熱的形式釋放出來。所以到頭來，呼吸作用跟燃燒，所放出的能量是一樣的，而介於兩者之間，稍許延遲的，就是我們所稱為生命。

因為電子跟質子，常常用這種方式結合在一起（但有例外），因此還原反應，也常常被定義成：氫原子的轉移過程。但是其實從電子的角度來考慮，會比較容易理解還原反應。一系列的氧化還原反應連在一起的話，就像是把電子，從連成一串的攜帶者手中，一個一個傳下去；這跟電子在電線裡面流動，其實相差無幾。呼吸作用就是如此：食物中的電子，並不會一下子就傳給氧氣，否則能量就會一下子全部被釋放出來了。它會先被傳給一個「踏腳石」分子，這個分子，通常是一種叫作鐵硫簇（iron-sulphur cluster）的小小無機結晶，裡面有一個帶正電荷的鐵離子（Fe3+）；好幾個鐵硫簇，嵌在一個呼吸蛋白質中（圖8）。

從第一個開始，電子會跳到下一個構造類似的鐵硫簇，不過這次這個結晶比上一個又更「想要」電子。當電子從一個結晶跳到下一個結晶時，每個結晶都會輪流先被還原（先接受電子，Fe3+ 變成 Fe2+），然後再被氧化（失去電子之後，Fe2+ 變回成 Fe3+）。在這樣跳過至少十五次之後，電子最後才會被傳到氧氣手中。各種生物生長的方式，像是植物的光合作用，與動物的呼吸作用，乍看之下好像沒什麼共通點；但是細細檢視之後，會發現它們基本上都使用這種把電子傳來傳去的「呼吸鏈」系統。為什麼會這樣呢？生命理當可以由熱能或是機械能驅動，或者是由輻射能、電能、紫外線……等能量驅動。可能性如此之多，但是所有生命，卻都是由透過極為相似的呼吸鏈，由氧化還原反應所驅動。

生命與能量第二件出人意料的事情，則是關於這些能量，如何被鎖在ATP分子鍵結中的詳細機制。生命並不直接使用化學能，相反的，它們在一張薄膜兩側，製造質子的濃度梯度，然後去合成ATP。等一下我們再來看看，這個機制是如何運作，以及它所代表的意義。現在先想想，還記得之前提過，這個奇怪的機制，完全超出科學家的預期嗎？根據分子生物學家歐戈（Leslie E. Orgel）的說法：這是自達爾文以降，最反直覺的想法了。今天我們對於質子梯度如何形成、如何維持、分子機制為何，早已瞭若指掌。我們也知道，使用質子梯度，是地球上所有生物的共通點，利用質子發電，幾乎就跟通用遺傳密碼DNA一樣，是生命最基本的模式。但是對於這個機制如何演化出來，我們卻一無所知。看起來，不知道為什麼，地球上的生命，似乎選擇了一種，非常局限又詭異的產能機制。這個機制反映的是歷史的怪僻？抑或是這個機制，因為比其他機制要優秀太多，以至於後來勝出？或者，更令人好奇的是，難不成這是唯一的出路？

讓我們假想搖搖晃晃的跑進身體裡面，拿心肌細胞為例好了，看看到底發生了什麼事。這些細胞，靠的是從線粒體這種細胞的發電廠，源源不絕流出來的ATP，維持規律的收縮。想像自己縮小成跟ATP分子一樣大，從線粒體外膜上面一個比較大一點的蛋白質孔洞跑進去。你會發現自己身處於一個狹小的封閉空間中，像在輪船的輪機室一樣，裡面塞滿了拚命運作的發燙蛋白質機器，一直綿延到視線的盡頭。地面上則不斷地冒著泡，許多像小球一樣的東西，從這些機器裡面射出來，但是在轉瞬之間就消失無蹤。這些就是質子，是帶著正電的氫原子核！整個空間到處都是這些忽悠即逝的質子，快得讓你幾乎看不到。現在從這些巨大的蛋白質機器中間擠進去，穿過內膜之後，你就跑到線粒體中間了，這裡叫做基質（matrix），這裡的景象更驚人。你現在身處於一個大廠房裡，但是四周的牆壁，卻如波浪般不斷擺動，從四面八方掃過你，讓你頭暈目眩。牆壁上鑲滿了不斷旋轉、哐噹哐噹的機器。小心頭部！這些大機器雖然被深深鑲在牆上，但是卻會在牆上緩慢的四處漂移，彷彿是漂在海上一樣。同時它們的機件，又以驚人的速度在工作：有的前後擺動，快到你幾乎看不見，像蒸汽機的活塞一樣；有的被快速旋轉的機軸帶著轉動，快到好像隨時會被甩出來似的。幾萬個這樣子瘋狂的機器，從四面八方伸出，永不休止地旋轉著，語氣激昂──如莎翁名劇馬克白所說，卻代表著……代表著什麼意義呢？

你所處的位置，就是細胞的熱力學中心，是呼吸作用的基地，也是線粒體的深處。食物中的氫原子，在此被拔出來，留下其他分子。氫原子首先被傳給第一個、也是最大的一個呼吸蛋白：複合物I。這個蛋白質複合物，其實是由四十五個不同的蛋白質所組成；每一個蛋白質，都是數百個胺基酸所連接而成的長鏈。如果ATP跟人一樣大的話，複合物I的尺寸就像摩天大樓。但是這可不是普通的摩天大樓，它像是一台巨大的蒸汽機、是有著自己生命的巨大嚇人玩意兒。接下來，電子會跟質子分開，被吸進複合物的一端，再從另外一端吐出來，整條長長的旅途，都在膜中間。電子被吐出來後，會被依序傳給另外兩個巨大的蛋白質複合物。全部加在一起，就是我們所稱的呼吸鏈。每一個複合物，都有好幾個「氧化還原中心」，可以暫時留住電子；在複合物I裡面大概有九個（見圖8）。電子就在這些反應中心之間跳來跳去。事實上，從這些氧化還原中心彼此的平均距離來看，我們可以根據量子機率的規則推測，電子應該是透過某種量子力學魔術，從一個中心消失後，「穿隧」到另外一個中心再重新出現。只要兩個氧化還原中心的距離沒有太遠，電子在一個中心裡，就只看得見下一個中心。我們在這裡，使用「埃」這個單位來測量距離，這大約是原子的尺寸單位12。每個中心的距離，只要不超過十四埃，然後下一個中心，只要對電子的親和力又更大一些，它們就會沿著這條路，一直跳下去，就好像順著排列恰當的石頭，一步一步地過河。電子會這樣直直穿過三個巨大的呼吸複合物。除此之外，你也要注意一下這一條河。在終點，氧氣分子的巨大拉力，會拉著電子不斷往前跑；氧氣對電子來說，有著極強的化學吸引力。這不是什麼物理超距作用，它純粹只是電子出現在氧氣身上的機率，比出現在其他地方要大而已。這個現象，要歸功於這一條用蛋白質與脂質組成的電線，是它們引導著電子流，從「食物」流向氧氣。這就是呼吸鏈的世界。

這條電子流，讓周圍一切都活了起來。電子在這條路徑上跳躍著，它們專心一意地往氧氣前進，並不留意緊貼在膜表面的這些機器，哐噹作響地像個油井上面的抽油機一樣。但是這些巨大的蛋白質複合物，可是充滿了各種開關。當電子進入其中一個氧化還原中心時，附近的蛋白質會維持某種形狀。當電子往前移動時，這部分結構就會隨著改變，帶負電荷的蛋白質會自我調整，帶正電荷的也會跟進，整個弱鍵網路，就這樣隨時自我校正，結果讓這個巨大的蛋白質大樓，瞬時變成新的形狀。某處形狀改變，會在別處打開一個大通道。接著下一顆電子進來，蛋白質形狀又變回原來的樣子。這種改變，每秒可以發生幾十次。我們現在對於這些呼吸複合物的形狀，研究得非常透徹，解析度甚至高到數個「埃」這麼小，直逼原子等級。我們知道質子如何一邊被束縛在帶電的蛋白質上，一邊與被固定住的水分子結合。我們也知道當蛋白質通道重新開放時，這些水分子如何移動。我們還知道，質子如何穿過那些不斷開合的活動裂縫，從一個水分子傳到另一個水分子上；當質子通過後，蛋白質會立刻猛然關上通道，防止質子回頭，其驚險的程度，活脫是電影《法櫃奇兵》裡印第安納瓊斯博士的探險，不過是在蛋白質魔宮裡。這台巨大、複雜、又機動的機器，從頭到尾卻只做了一件事：它把質子從膜的一邊打到另一邊。

每當一對電子，從呼吸鏈的複合物I通過時，四個質子就會被送到膜的對面。這對電子接下來會直接進入第二個複合物（嚴格來說是複合物III，複合物II是備用選項），又會再把四個質子送到膜對面。最後，當這對電子到了呼吸鏈裡面最後一個複合物時，它們終於發現了極樂世界（氧氣），不過它們還要先把另外兩個質子送過關，才能進入。每從食物中拿到一對電子，就有十個質子被送到另一邊。這就是呼吸鏈（圖9）。從食物到氧氣的電子流中，大約有將近一半的能量，會被保存在這個質子梯度裡面。這有力、精巧、巨大的蛋白質結構，全都只是為了將質子傳輸過線粒體內膜而已。每一個線粒體，都有好幾萬套呼吸複合物。每一個細胞，都有幾百到幾千個線粒體。全身四十兆個細胞中，總共有至少一千兆個線粒體，它們摺疊起來的膜面積，攤開來大約有一萬四千平方公尺，差不多是四座足球場這麼大。它們的工作，就是不斷地把質子傳輸出去，加起來，它們可以打出約 1021個質子，相當於宇宙中所有的恆星數！噢對了，我是說每一秒喔。

不過，至此呼吸鏈的工作只完成了一半。另一半工作，則是使用這些能量來合成ATP13。一旦質子從動態通道通過之後，通道就會立刻關閉，因此線粒體的膜對於質子來說，幾乎滴水不漏。質子體積極小，它是最小的原子──氫原子──的核，所以要把它們擋在膜外面，絕非易事。質子可以輕易地穿過水，所以這層膜必須從頭到尾絕對防水。質子也帶電，它有一個正電荷。因此，把質子泵出膜，成就了兩件事：第一，它在膜的兩側，製造了質子的濃度差；第二，它在膜的兩側，製造了電位差，外側是正電，內側是負電。因此，膜兩側有了電化學電位差，約莫是一百五十到兩百毫伏特。因為這道膜非常的薄（厚度只有六奈米），在這麼短的距離內，這是非常強大的電力。想像一下，再把自己的身體縮到ATP分子那麼小，在這層膜旁邊你所能感受到的電場強度，將會是每公尺三千萬伏特，這相當於一道閃電，或是一千倍於一般家庭用電。

這一股巨大的電位勢（electrical potential），又稱為質子驅動力，會推動一台最不可思議的蛋白質奈米機器：ATP合成酶（見圖10）。這台機器的目的，就是用來合成ATP，但同時也是一台貨真價實的旋轉馬達；當質子流過去時，會推動曲軸，然後旋轉具有催化功能的蛋白質頭部，藉著這個機械力，去合成ATP。這台機器作用的方式，跟水力發電廠的渦輪一樣，被禁錮在線粒體內膜後方的質子，就像是被水壩擋住的水；當質子流過去，就如同水壩洩洪時，瀑布推動渦輪。這絕非充滿想像力的修詞，而是非常寫實的描述，但即使如此，也難傳達這台驚人機器的複雜度於萬一。我們尚不知道，這台機器究竟如何運作：質子如何跟膜上的C環結合；靜電力又是如何互動，讓C環只會往一個方向旋轉；旋轉的環如何推動曲柄，改變催化劑頭部的結構；這個開開關關的頭部裂孔，如何緊緊抓住ATP跟Pi，用機械力，強迫這兩個分子結合成新的ATP分子。這些已經是奈米工程技術的最高等級，根本是一台魔術機器；我們所知愈多，就愈顯得這台機器的神奇與了不起。有人甚至認為這台機器宛如見證了上帝的存在，但我可不認為如此。從它裡面我看到天擇的奇蹟。但不論如何，它都是一台魔術機器。

每十個質子流過ATP合成酶時，上面的催化劑頭部就旋轉整整一圈，三個ATP分子就會被合成並釋放到基質中。這個頭部每秒可以旋轉超過一百次。我之前提過，ATP是生物通用的能量貨幣；事實上，ATP合成酶跟質子驅動力，也是所有生命共有的。基本上所有的細菌、古菌，以及所有的真核生物（上一章我們講過的三大域生物），都有ATP合成酶。只有很少數的生物依賴發酵作用而活。這種共通的程度，跟遺傳密碼可堪比擬。在我書中，ATP合成酶的地位，跟雙螺旋DNA一樣，都是生命的代表。因為這是我的書，所以我說了算。

生物學中心的拼圖

質子驅動力的概念，來自一位二十世紀最低調、卻也最具革命性的科學家，米契爾（Peter Mitchell）。低調的原因，純粹是因為他的領域，也就是生物能量學，在生物學剛剛進入DNA世界的時代，正處於一股逆流的狀態（現在仍是）。華生跟克里克於一九五○年代，在劍橋所做出令人目眩神迷的發現，跟米契爾的研究幾乎是同時。雖然米契爾後來也拿到了諾貝爾獎（一九七八年），但是他的概念到被接受，卻走得備極艱辛。不像那完美的雙螺旋，華生在一發現時就宣稱：「因為太過完美以至於必然一定是真的」，事後也證明他們是對的；米契爾的想法，卻是絕對的反直覺。米契爾本人雖極度聰明，但個性卻易怒、好爭辯。他在一九六一年發表了「化學滲透假說」之後，很快地就因為胃潰瘍，而不得不從愛丁堡大學退休。這篇著名的論文，跟華生與克里克稍早、更為著名的那篇論文一樣，也是發表在《自然》期刊上面。米契爾引進了「化學滲透」（chemiosmotic）來代表質子穿過膜的過程。他特別使用「滲透的」（osmotic）這個希臘字，原文的意思，其實是「推動」，而不是我們熟知的「水分子穿過半透膜」這種現象。呼吸作用會循違反濃度梯度的方向，把質子推到濃度較高的薄膜另一側，這就是化學滲透。

為了實用的目的，同時私人經濟狀況上也許可，米契爾花了兩年的時間，整修了一座位於康沃爾郡波德民鎮（Bodmin in Cornwall）附近的莊園，作為實驗室兼住所之用，然後在一九六五年成立了格林研究所。隨後二十年之內，米契爾與其他一小群頂尖的生物能量學家，反覆驗證化學滲透假說，結果卻分崩離析。他們彼此之間的關係，一樣充滿對立與爭執。這段時期在生物化學史上，被戲稱為「氧化磷酸化戰爭」（ox phos wars），因為 ox phos 就是氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）的縮寫，也就是電子傳給氧氣分子、然後伴隨合成ATP分子的機制。我們現在或許很難想像，即使到了一九七○年代，科學家對於前幾頁所說的各種反應細節，仍然一無所知。而這其中有許多部分，甚至至今仍是眾科學家們聚焦的研究重點14。

米契爾的理論，為何如此難以被接受呢？一部分原因是因為，這理論遠遠超過我們意料之外。看看其他例子，DNA的構造就非常合乎邏輯：兩股DNA互為對方的模板，然後DNA的核苷酸序列，又可以直接轉譯成蛋白質的胺基酸序列。相反地，化學滲透假說卻古怪到了極點，而米契爾的解釋，又像在說火星話一樣。我們都知道，生命就是一堆化學反應，而ATP就是ADP加上磷酸鹽。所以在那時候大家認為，要合成ATP的話，只要將磷酸鹽，經過某個中間產物，再傳給ADP即可。而細胞裡面本來就充滿了各種中間產物，所以只要找到一個正確的就好了。這花了科學家大概幾十年的時間去研究。然後米契爾出現了，他眼中閃耀著狂熱光芒，腦中充滿瘋狂念頭，寫著幾乎沒人看得懂的方程式，最後告訴大家：呼吸作用跟化學反應一點關係也沒有，而你們在找的中間產物，甚至根本不存在；還有，電子流伴隨ATP的合成機制，其實是由質子穿過一層滴水不漏的膜所造成的，這叫做質子驅動力。無怪乎，眾人群起反對他！

這個故事是個傳奇，是個很好的例子，顯示出科學往往出現意料之外的結果，一如科學哲學家孔恩（Thomas S. Kuhn）對「科學革命」的看法，這例子活脫就是生物學裡面的「典範轉移」。現在這一切，已被清楚地記載在科學史教科書中。米契爾理論的細節，漸漸被研究到原子等級那樣清楚，最後在沃克（John E. Walker）於一九九七年，因研究ATP合成酶而拿下諾貝爾獎時，達到最高潮。解開複合物I的詳細結構，又是另一項更重要的成就。或許外行人會認為，這一切只是枝微末節，現在的生物能量學比起米契爾的時候，應該已經不再藏有演化的祕密了吧？其實不然，但這是可以理解的。有趣的是，米契爾並非是從呼吸作用的詳細機制去思考，然後形成他那極端的理論；相反地，他是從一個更簡單也更基礎的角度切入，他問：細胞（他其實是指細菌）如何保持內部與外在的差異？從一開始，他就認為生物跟他們周遭環境，透過這層膜，緊密地連接起來，如膠似漆難以分割，而這也正是本書從頭到尾的觀點。米契爾認為這些反應步驟，對於生命的起源與存在，至關重要；這樣的看法，在他之前，甚少有科學家體會如此之深。在他發表化學滲透假說四年前（一九五七年），在莫斯科一場探討生命起源的研討會上，他曾這樣說過：

我無法只考慮到有機物，而不考慮它們的環境……嚴肅的說，這兩者是旗鼓相當的兩「相」，中間被一層膜既隔開又緊密相連，同時維持著機動性的接觸。

米契爾所講的這段話，比起化學滲透假說來講，要更富哲學性，而化學滲透假說，從此萌芽。不過對我來說，這兩者都一樣有先見之明。現代生物學對於分子生物學之重視，同時也意味著，我們早已忘記米契爾所關注的主題，也就是「生物膜是細胞內在與外在必要的連結」。米契爾稱此為「向量化學」（vectorial chemistry）：在這個空間中，不但發生化學反應，而且反應還有一定的方向性，深受環境的結構與反應物位置的影響。這不同於「試管中的化學」（test-tube chemistry）反應；因為在試管裡面，所有的反應物都混在溶液裡了。基本上，所有的生命都利用氧化還原化學，在膜的兩側製造質子梯度。生物為何要這樣做呢？這個問題今日聽起來，比起一九六○年代，或許沒有那麼突兀了，但這僅僅只是因為，我們已經聽了五十年之久，老生常談了；如果不是因此變得蔑視它，就是因為太過熟悉而失去興趣。它被塵封在教科書中，早已不再成為問題。我們知道這些想法是真的，但對於這些現象為何形成，卻不比以前更了解。這個問題基本上可以分成兩部分：第一，為何所有的活細胞，都利用氧化還原反應來產生自由能？以及其次為何所有細胞，都利用在膜兩側產生質子梯度，來保存這些自由能？甚至我們可以直接問最根本的問題：為何是電子？為何是質子？

生命誠然就是關乎電子的作用

所以，為何地球上的生物，都利用氧化還原反應呢？這個問題可能比較簡單回答。碳元素是構成所有我們已知生物的基礎，特別是被部分還原的碳。用最抽象粗略的講法，生命的「方程式」就是 CH2O（暫時先不顧那些比較少量的氮、磷，以及其他元素）。以二氧化碳為起點的話（下一章會講得詳細一點），那麼要形成生命，就必須將電子與質子，從像氫分子（H2）這類分子上，轉移到 CO2 上面。原則上，電子的來源並不重要，它們可以來自水（H2O）、硫化氫（H2S）或是亞鐵離子（Fe2+）。重點是它們會把電子傳給 CO2，而這就是氧化還原化學。附帶一提，所謂「部分還原」的意思，是說二氧化碳（CO2）並沒有被完全還原成甲烷（CH4）。

那麼生命可以用其他的東西取代碳嗎？這當然也不無可能，畢竟我們都很熟悉用金屬跟矽晶片做成的機器人。那麼碳元素比起其他元素，到底有什麼獨特之處呢？其實還真不少！每一個碳原子，都可以形成四個強力的化學鍵（bonds）；比起它的化學鄰居矽元素所形成的鍵結來說，要強多了。這種鍵結，讓碳原子可以連接出超乎想像變化多端的長鏈分子，特別是蛋白質、脂質、醣，還有DNA。矽元素在化學上，就無法如此多變了。尤有甚者，大氣中並沒有氣態的二氧化矽，可以與二氧化碳相匹配。我覺得二氧化碳就像樂高積木，可以從空氣中被拔出來，一次把一個碳原子加到其他分子上面。而二氧化矽的話呢，呃……你是用砂子在蓋房子。矽跟其他元素，可以被高等智慧生物（像我們）利用，但是卻很難想像，生命要如何自我引導，從零開始利用矽元素。這意思當然不是說，在這無盡宇宙中，矽生命永遠不可能出現，誰敢這樣斷言呢？但是從「可能性」與「可預測性」的角度來講（這正是本書的主題），這種可能性實在是微乎其微。除了好用以外，在宇宙中，碳元素的含量，也比其他元素要豐富。因此生命理應根基於碳元素。

然而對部分還原碳的需求，僅僅只回答了一小部分問題而已。對大部分現代生物來說，他們的碳代謝跟能量代謝已經分家很久了。這兩種代謝，只被ATP以及一小撮反應中間產物連結在一起，像是硫酯類（thioester）中間產物，特別是乙醯輔酶A（acetyl CoA）這個硫酯類分子。但是基本上，這些中間產物，並沒有一定要透過氧化還原反應才能製造。有少數生物，就可以依賴發酵反應生存，不過牠們並非古老的生物；在這個領域中，也不特別引人注目。那麼生命還可以從哪些化合物出發呢？科學家一直不乏各種聰明絕頂的提議。其中最受歡迎（但同時也是毒性最強）的異想之一，就是氰化物了。它可以經由紫外線，透過照射氮氣或甲烷之類的氣體而合成。這可行嗎？在上一章我曾經解釋過，根據鋯石的證據顯示，早期的地球大氣中，似乎並沒有太多甲烷。不過這並不是說，這種化學反應無法出現在其他星球上面。而如果它真的出現過的話，氰化物為何無法成為今日地球生命的能量來源呢？下一章我們將會回來討論這一點，我認為有其他原因，讓這些化合物出局。

換個角度來想想我們的問題：以氧化還原反應為基礎的呼吸作用，有什麼優點呢？事實上有很多呢！當我們談呼吸作用時，還要把眼光放到人類以外的生物才行。我們從食物中獲取電子，將它們透過呼吸鏈，傳送給氧氣。這裡最重要的關鍵是，電子的來源與接受者，都可以被替換。雖說用氧氣燃燒食物，從能量的觀點來說，是最好的辦法；但是根據呼吸作用的基本原則，其實生物還可以有更多種選擇跟好處。比如說，即使不吃有機物質，也有辦法存活。如前所述，氫氣、硫化氫跟亞鐵離子，都可以是電子供應者，都可以把電子送進呼吸鏈裡；只要在呼吸鏈另一端的接受者，是一個夠強的氧化劑，強到可以把電子拉出來即可。這個意思也就是說，細菌可以使用跟我們的呼吸作用裡，類似的蛋白質機器，去「吃」石頭、礦物，甚至是氣體。下一次，如果你看到水泥牆上面，有一塊變色的痕跡，這代表了水泥中隱藏了一群欣欣向榮的細菌族群；但同時也請想想，儘管它們看起來再古怪，所用來營生的，卻是跟你我基本上一樣的工具與設備。

同理，氧氣在呼吸作用中也並非必要。一大堆氧化劑都可以表現得一樣好，像是硝酸鹽跟亞硝酸鹽、硫酸鹽跟亞硫酸鹽。這份名單還可以列好長好長。這些氧化劑（會這麼叫是因為，這些化合物的特性跟氧氣一樣），都可以把電子從食物或是其他物質中搶過來。不論是哪一種，這些電子從供應者身上跳到接受者身上時，所釋放出來的能量，都會被存在ATP分子的鍵結中。如果把細菌與古菌所使用的電子供應者與接受者（又叫做「氧化還原對」，redox couples），全部列成一份名單，那可以列出好幾頁之長呢！因此，細菌不只可以「吃」石頭，它們還可以「呼吸」石頭！相較之下，真核生物就相當可悲了。所有真核生物域的生物，所有的植物、動物、藻類、真菌與原生生物，基本上都使用同一套代謝反應，就好像它們是同一個細菌似的。

同時因為這些電子供應者與接受者，並沒有那麼熱衷於發生反應，這也有助於讓生物有更多選擇。之前我們曾經說過，所有的生化反應都是自發的，而且都必須被周圍高度反應性的環境驅動；但是如果環境中的反應性過高，那這些反應就會因為發生太快，無法將自由能留下來給生物利用。舉例來說，大氣中永遠也不可能充滿氟，因為這些氣體，會馬上跟所有物質發生反應，然後消失無蹤。自然界許多物質，它們堆積的數量，都遠遠超過自然熱力學平衡下的狀態，這是因為它們的反應進行地很慢。氧氣也是一樣，有機會的話，它可以跟有機物質發生劇烈的反應，把地球上的一切都燒光；但是它們暴力的傾向，受到化學反應規則的節制，因而可以穩定地存在大氣中億萬年。甲烷跟氫氣這類氣體，可以跟氧氣發生更劇烈的反應（想想一九三七年的興登堡號飛船意外），但是幸好，也是化學動力上的障礙，讓這些氣體，也可以在空氣中共存好幾年相安無事，維持著動態不平衡。同樣的規則也適用於許多其他物質，從硫化氫到硝酸鹽皆如此。它們可以被迫發生反應，然後釋放出大量的能量，供細胞驅使；然而如果沒有適當的催化劑的話，什麼事也不會發生。生命控制了這些化學動力障礙，藉此讓熵增加的速度，快過其他方式。有人甚至因此將生命定義為：熵製造機。不論如何，生命之所以會存在，是因為有化學動力的障礙存在。生命專門敲碎這些屏障。老實說，如果無法在這些障礙上鑿洞，利用被壓抑在其後、物質巨大的反應性的話，生命幾乎不可能出現。

許許多多的電子供應者與接受者，都可溶於水，性質也很穩定，同時不需大費周章就可以自由進出細胞。這些性質，代表了那些「滿足熱力學所需」的反應環境，可以經由那些重要的膜，被安全地帶到細胞裡面。這種特性，讓氧化還原反應，比起熱能、機械能、紫外線，或是閃電等能量，要更適合作為可被生物利用的能量流，因為更健康也更安全。

有點出人意料的，呼吸作用同時也是光合作用的基礎。還記得之前說過，光合作用有好幾種不同的形式嗎？不論哪一種，都是由一個色素分子（通常是葉綠素）吸收太陽能（以光子的形式）之後，激發一個電子，把它送進一系列的氧化還原反應中心，最後傳給一個接受者（通常是二氧化碳分子）。這個失去電子的色素分子，會非常樂意從周圍環境裡拿回電子，供應者的來源可以是水、硫化氫，或是亞鐵離子。跟呼吸作用一樣，原則上，這個電子供應者是誰，其實無關緊要。「不產氧」的光合作用，會利用硫化氫或是鐵當作電子供應者，反應過後則會留下硫磺或是鐵鏽作為廢棄物15。產氧光合作用，則會選擇一個難度高得多的對象當作電子供應者，那就是水分子，然後留下氧氣作為廢棄物。不過這裡的重點是，這幾種光合作用，很明顯都是從呼吸作用演變來的。它們都使用一模一樣的呼吸蛋白質、一樣的氧化還原反應中心、一樣會在膜兩側建立質子梯度，也用相同的ATP合成酶，整套工具都一模一樣16。唯一的差異只在於，光合作用發明了葉綠素這個色素分子。不過葉綠素卻又跟另一個色素：血基質（haem）非常相似，而許多古老的呼吸蛋白裡也都有血基質。自從可以從太陽中獲取能量之後，世界確實整個改變了，然而從分子的觀點來說，這不過是讓電子可以更快流入呼吸鏈而已。

因此，呼吸作用的好處，在於它的多才多藝。基本上，任何一對「氧化還原對」（任何一對電子供應者跟接受者），都可以放在呼吸鏈兩端，去產生電子流。從氨氣中截取電子的蛋白質，跟從硫化氫中截取電子的蛋白質，雖然略有不同，但不過都是同一主題下的變奏曲而已。同樣的，在呼吸鏈的終點，將電子傳給硝酸鹽或是亞硝酸鹽的蛋白質，跟傳給氧氣的蛋白質，雖然不一樣，卻也是親戚。依它們相似的程度，即使彼此互換也沒有問題。這些蛋白質零件，都被嵌在共通的作業系統中，因此它們可以被混用、也可以適用任何一種環境。它們不只在原則上可以彼此互換，實際上，它們根本就常被隨意棄置、傳來傳去。根據過去幾十年的研究，我們知道水平基因轉移（將一小組基因從一隻細菌傳給另一隻細菌，就好像撒零錢一樣），在細菌跟古菌之間頗為流行。負責編碼呼吸蛋白質的基因，正好屬於最容易被水平基因轉移，而廣為散布的一群。這些基因，組成了生化學家尼奇科（Wolfgang Nitschke）口中的「氧化還原蛋白建構套件」。您最近是否剛搬到一個新地方，比如海底熱泉附近，那裡充滿了硫化氫跟氧氣是嗎？沒問題，先生，這裡有許多適合您的套件，請自便。這位太太，您把氧氣用光了嗎？沒關係，這裡還有亞硝酸鹽。只要拿亞硝酸鹽還原酶套件，插入基因中就好了。

這些因素意味著，氧化還原化學，對於宇宙中其他地方的生命來說，應該也同等重要。儘管我們還是可以想出許多其他能源，但是利用氧化還原反應來還原碳元素，加上呼吸作用的諸多優點，讓我們其實不難理解，為何地球上的生命，會選擇用氧化還原反應來提供能量。不過呢，呼吸作用的真實機制，也就是在膜的兩側製造質子梯度，又是另一個故事了。前面談到呼吸作用的幾項優勢，像是呼吸蛋白質可以被水平基因轉移傳來傳去、可以被任意混用、可以在任何環境下立刻開工，這些都根基於一件事實：大家的作業系統是共通的，而這個作業系統就是化學滲透耦合（chemiosmotic coupling）。可是問題是，氧化還原反應並不需要跟質子梯度扯上什麼關係。這兩者之間，缺少可以讓我們理解的關聯。這理由或許可以解釋，為何當初大家對米契爾的想法，會如此排斥；「氧化磷酸化戰爭」也才會纏鬥這麼多年。在過去五十年中，我們已經非常了解生命如何利用質子，但是如果我們不知道生命為何要利用質子的話，那就很難去預測地球上的生命演化，或是宇宙任何一處的生命演化過程。

生命誠然就是關乎質子的作用

化學滲透耦合的演化過程，始終是一個謎。因為所有的生命都使用化學滲透作用，所以它一定在很早很早以前，就演化出來了。如果它是後來才演化出來的，那我們就很難去解釋，為什麼這個機制會萬物通用。換句話說，質子梯度要如何完完全全取代了其他所有的機制？這種萬物通用的現象極為罕見。所有的生物，都使用同一套遺傳密碼（除了很少數的例外以外，而這例子再次說明了萬物通用是如何的罕見）。有一些生命最根本的處理程序，也是萬物通用的，比如所有生物的DNA，都要先轉錄成RNA，再透過一台叫做核糖體的小機器，轉譯成蛋白質。但是這套程序，在細菌與在古菌體內的差異之大，令人咋舌。還記得細菌與古菌，是原核生物的兩大域，它們都沒有細胞核，也缺少複雜細胞（真核細胞）的各種行頭。從外觀上來看，細菌跟古菌完全一模一樣，但是這兩大域生物，在大部分生化反應與遺傳機制上，卻大相逕庭。

以DNA複製為例，一般咸認為這個程序，應該跟遺傳密碼一樣，是生物最基礎的程序。但事實上，細菌與古菌複製DNA的詳細機制，以及參與其中的各種酵素蛋白質，卻完全不同。此外，在細菌外面，用來保護脆弱細胞的那一層堅硬細胞壁，兩者的化學成分也完全不一樣。細菌跟古菌的發酵反應生化路徑也不同。甚至它們兩者的細胞膜，對於細菌的化學滲透耦合來說，至關重要，因此又被稱為「生物能量膜」，但是生化組成卻不一樣。換句話說，用來區分細胞內在與外在的屏障，以及用來複製細胞各項遺傳物質的程序，並沒有被保存地那麼一絲不苟。對於細胞來說，還有什麼事情，會比這些東西要更重要的呢？可是，相較於這些差異，化學滲透耦合卻是萬世一系。

這種極度基本的差異，指出了問題在於這兩大域細菌的共同祖先身上。假設兩域生物共有的特徵，來自於兩者共同的祖先；而不同的特徵，則是兩者後來各自發展出來，那麼，這個共同祖先，該長得什麼樣子呢？你會發現這根本沒有邏輯可言。從某些角度來看，它像是細胞的幽靈；從其他角度來看，像一個現代細胞，從另外角度來看的話……呃，它到底是什麼呢？它會轉錄DNA、會用核糖體轉譯出蛋白質、它有ATP合成酶、它也會一點胺基酸的生合成，但除此之外，在這兩大域生物之間，就沒有什麼共通點了。

想想生物能量膜的問題。利用這層膜產生能量，是萬物共有的特徵，但膜本身卻不是萬物共有。有些人認為，這個萬物最近共祖，可能有著細菌式的細胞膜，而古菌為了某些適應上的理由，才把這層膜換掉，或許是因為古菌的膜，比較適合住在高溫的環境下。表面上看起來，這個假設滿有道理，但是它有兩個嚴重的困境。首先，大部分的古菌，並不極度嗜熱（hyperthermophile），事實上很多古菌都活在溫和的環境中，這讓它們細胞膜中的脂質，並沒有顯得特別優秀；反過來說，非常非常多的細菌，都可以在溫泉中活得很快樂，它們的細胞膜用來應付環境中的高溫，一樣遊刃有餘。其實在大部分的環境中，細菌跟古菌都比鄰而居，而且常常還有很密切的共生關係。既然如此，為何其中一群細胞，會想去自找麻煩，只在某一次機會下，把細胞膜中的脂質全部換掉呢？而且，既然換掉細胞膜是有可能的，而細菌總是不斷的在適應新環境，那為什麼我們沒有看到它們，在其他機會下，大量更換細胞膜呢？這樣做應該會比重新發明一套細胞膜要容易吧？為何住在溫泉中的細菌，沒有演化出古菌的細胞膜脂質呢？

其次，也是比較明顯的問題，顯示細菌與古菌細胞膜的主要差異，似乎是隨機產生的。細菌細胞膜使用甘油的一種立體異構物，古菌則使用另外一種（這兩種互為鏡像）17。即使古菌真的為了適應高溫的環境，把細胞膜中的脂質全部換掉，但是實在沒有什麼合理的理由，用一種甘油取代另一種甘油吧？這純粹是任性而已。更何況，用來製造左掌形甘油的酵素，跟製造右掌形甘油的酵素，連邊都沾不上。要從一種異構物邁向另外一種，首先細菌要先「發明」一種新的酵素（來製造新的異構物），然後即使這個新版的甘油，完全沒有任何演化上的優勢，每個細胞還是要全面淘汰舊的酵素（而且是運作完全正常的）。這根本難以置信。可是如果這兩種細胞膜中的脂質，並不是由一種取代另外一種的話，那麼這個萬物最近共祖，原本到底有哪一種細胞膜呢？它的細胞膜，一定跟任何一種現代的細胞膜非常不同，這又是為什麼呢？

至於化學滲透耦合，在很早很早以前就演化出來這種假設，也有很大的問題；第一個問題就是，這個機制太複雜了。之前我們花了很多篇幅，在解釋那些巨大的呼吸複合物，以及ATP合成酶；它們都是難以置信的分子機器，有著各種活塞跟旋轉馬達。它們真的有可能是早期演化的產物，甚至早於DNA複製機制出現嗎？我們一定會認為：當然不可能！但是，這只是純粹情緒性的答案而已。ATP合成酶，其實不比核糖體複雜到哪兒去，而大家卻都同意，核糖體必定很早就演化出來了。第二個大問題，涉及到細胞膜本身，而且又是跟「早期出現的東西，有沒有辦法這麼複雜」這惱人的問題有關。在現代細胞中，只有當這層膜對質子完全不透的時候，化學滲透耦合才可能運作。但是在所有實驗中所模擬出的，假設性原始細胞膜，卻都顯示它們對質子的通透性很大。要把質子擋在膜外面，可謂極度困難。所以問題就是，只有當這層膜不透質子時，再嵌上這些複雜的蛋白質，化學滲透耦合才有可能發揮作用，否則，它根本一無是處。所以，這些零件到底是怎樣先演化出來的呢？這是一個典型的「雞生蛋蛋生雞」問題。如果你沒有辦法維持質子梯度，那有必要去學習如何傳輸出質子嗎？而如果你不會傳輸出質子，那又何必去學習維持質子梯度呢？在第四章中，我會試著解答這個問題。

在第一章的結尾，我提了幾個關於地球上生命演化的大問題。為何生命出現的如此之早？又為什麼它們的外形會停滯不前好幾十億年？為什麼在這四十億年中，複雜的真核細胞只演化出一次？為什麼所有真核生物都有數種令人費解的特徵，而這些特徵──從有性生殖、兩種性別，一直到老化都是，卻從來沒有出現在細菌或是古菌身上？現在，我要再加上兩個同等讓人困惑的問題：為何所有的生命，都利用在膜兩側製造質子梯度這種方式，來儲存能量？以及這種既獨特又基本的技術，是如何（以及何時）演化出來的呢？

我認為這兩組問題，是互相關聯的。在本書中，我將論證：在地球上，自然界本來就有的質子梯度，在某個非常獨特的環境下，驅動了生命的誕生。這個環境雖獨特，但卻幾乎可以確定，是橫跨宇宙普遍存在的，因為它只需要岩石、水跟二氧化碳就可以形成。我也要論證，化學滲透耦合限制了地球上的演化，讓它只能進行到細菌跟古菌的複雜程度，長達好幾十億年。在某一場意外中，一隻細菌不知怎麼地，跑到另一隻細菌體內，結果突破了細菌身上這無窮無止的能量限制。這種內共生關係，最後產生了真核生物，也讓它們的基因膨脹了好幾個數量級；這些基因，又成為讓細胞變複雜的原始材料。我也要論證，宿主細胞與它內共生者（後來變成了線粒體）之間的親密關係，是所有真核生物種種怪異特徵背後的主要原因。在宇宙中其他地方，演化應該會沿著類似的道路發展，受一樣限制的影響。如果我是對的（我從來不認為我會知道一切細節，但我希望至少大方向是正確的），那這些觀點，就讓生物學開始變得比較具有可預測性。有朝一日，我們或許可以根據宇宙任何一個地方的化學成分，去預測任何這些地方，生命可能的特徵是什麼。

8　當然，植物也需要像是硝酸鹽跟磷酸鹽之類的礦物質。許多藍綠菌（它們是植物光合作用胞器──葉綠體的細菌始祖）具有固氮的能力，這個意思是說，它們可以把空氣中不活潑的氮氣（N2），轉換成活性比較高、比較好用的氨分子。但是植物失去了這種能力，因此只能依賴環境中的礦物質。有時候，豆科植物可以依賴共生的細菌，讓它們在自己根部形成根瘤，提供活化的氮。如果沒有這些體外的生化工廠幫忙的話，植物也會變得跟病毒一樣，既無法生長也無法繁衍後代，真是好個寄生蟲呀！

9　星球形成的時候，也有類似的現象。物質之間因重力而相吸，會降低局部的失序狀態，但是當核融合反應發生時，會產生大量的熱，因而增加太陽系跟宇宙其他地方的失序狀態。

10　一個跟人類社會比較有關的例子，是十七世紀的瑞典戰艦瓦薩號（Vasa）。這艘船在一六二八年處女航時，就在斯德哥爾摩外海沉沒了，在一九六一年被打撈起來。在船沉沒之後，隨著斯德哥爾摩城市的擴張，所有排出的污水廢棄物都被傾倒在海床上，結果反而完美的把船保留了下來。這艘船可以說是被保存在糞堆中，污物產生的硫化氫氣體，將氧氣隔絕在外，讓船上精美的木製浮雕不受侵蝕。一旦船被打撈起來，我們現在反而必須用盡全力去保持它的完整。

11　關於內溫性生物（俗稱「溫血」生物）的演化，這是一個有趣的觀點。雖然內溫系統損失愈多熱量，跟愈複雜的生物之間，並沒有必然的關係；但是，愈複雜的生物，最終必定要靠損失更多熱量，來維持生存。原則上（雖然事實並非總是如此），內溫性生物可以發展得比外溫性生物要更複雜。或許，某些鳥類跟哺乳類複雜的大腦，可以作為例子。

12　一埃（Å）是 10-10公尺，也就是一百億分之一公尺。這其實是個過時的單位，現在幾乎都被奈米（nm）取代了，奈米是 10-9公尺。不過對於表達蛋白質之間的距離，埃還是很有用。十四埃等於一．四奈米。呼吸鏈中大部分的反應中心，彼此距離都在七到十四埃之間，少數遠到十八埃。如果說它們彼此距離在○．七到一．四奈米之間，也是一樣的意思，不過距離感就不同了。線粒體的內膜之間距離大約是六十埃，這可是一大片脂肪海洋，但如果說六奈米，感覺就弱多了。單位對我們的距離感，影響甚大。

13　其實不只是用來生產ATP。這個質子梯度，也是一種全功能的力場，它可以用來驅動細菌鞭毛旋轉（但是古菌不使用），也可以用來將物質送入或送出細胞，或是只是單純消耗生熱。它也可以預設細胞的死亡（細胞凋亡），掌握細胞的生與死，我們等一下會談到這件事。

14　很幸運地，我的辦公室跟瑞奇教授（Peter R. Rich）的辦公室，就在同一條走廊上。瑞奇在米契爾退休後，接任成為格林研究所的所長，最後把研究團隊帶到倫敦大學學院，成為格林生物能量實驗室。他跟他的團隊，目前正積極研究呼吸鏈裡面最後一個複合物：複合物IV（又稱細胞色素c氧化酶）上面的機動水通道。這個通道，會讓質子通過，同時氧氣會在此被還原成水。

15　「不產氧光合作用」有個大缺點，就是細胞最終會被關在自己的廢棄物裡。有些帶狀鐵礦的結構中，充滿了細菌大小的孔洞，可能就是這樣形成的。相反地，氧氣雖然可能有毒，卻是比較好的廢棄物，因為它是氣體，很快就消散了。

16　為什麼我們如此確定，知道不是光合作用演化出呼吸作用呢？因為所有生命都行呼吸作用，而只有少數幾群細菌會行光合作用。如果最終極的共同祖先（the last universal common ancestor）會行光合作用的話，那也就是說，大部分的細菌，以及所有的古菌，都拋棄了這項價值連城的技能，就算從很保守的角度來說，這未免也太揮霍了。

17　脂質分子的結構有兩部分：一個親水性的頭部，以及兩到三條疏水性的「尾巴」（在細菌跟真核生物體內，是由脂肪酸組成；在古菌體內，則是異戊二烯）。就是這兩部分，讓脂質可以形成脂雙層的構造，而不會形成小油滴。在細菌跟古菌體內，這個親水性頭部的分子是一樣的，都是甘油，但是它們兩者用的是相反的立體異構物。這是一個很好的切入點，去討論一個普遍的觀念，就是所有生命的DNA分子裡面，都使用左掌形胺基酸，以及右掌形糖類。關於這種對掌性（chirality）現象，我們總是用非生物性的觀點去解釋，一種異構物優於另一種，卻從來不從生物性酵素的觀點去考慮，它們是被酵素選擇出來的。細菌跟古菌使用完全相反的甘油立體異構物，顯示了機率跟酵素選擇性，很可能才占了重要角色。

第二部 生命的起源

第三章 生命最初的能源

中世紀的水力磨坊，跟現代的水力發電廠，都是使用輸送水道作為動力來源。如果將水流集中導向一條封閉的洩洪道，它們的力量就會變得很大；如此一來，就可以做很多事，像是推動水車。相反的，同樣的水量，如果是流向一片寬闊的盆地，它們的力量就會變得很小。如果你想過一條河，多半會選它流經池塘或淺灘的地方涉水而過，因為你知道在這些地方，人不會被湍急的河水沖走。

細胞也是一樣。新陳代謝路徑，就像是輸送水道，不過裡面流的不是水，而是有機碳分子。在一條代謝路徑中，一系列的酶催化一系列連續的反應，每一個酶所處理的，都是前一個酵素的產物。這種作用方式，控制了有機碳的流向。一個分子進入這條路徑之後，會經過一連串的化學改造，然後變成另外一個分子被送出去。這一連串的反應，可以被忠實無誤地不斷重複，同樣的前驅物分子不斷進來，同樣的產品不斷送出去。如果有很多條不同的代謝路徑在一起，細胞就變成了一張水車網絡，有機碳將一直被控制在這些彼此交織的水道中流動，流量永遠都最大化。這種聰明的網絡結構，比起讓有機碳分子漫無目的的亂漂來說，可以讓細胞在生長的時候，節省大量的能量跟碳分子。這些酵素，可以讓生化反應走在一條直接而狹窄的路上，力量不會在每一步反應之後就分散掉（也就是分子不會在反應後「逃走」，跑去跟其他分子反應）。這樣細胞就不需要一條奔騰到海的大河，只需要幾條小一點的運河，就可以推動它們的磨坊。從能量的觀點來講，酵素的威力並不在於它們可以加速反應多少，而在於它們可以引導反應，將輸出最大化。

那麼，在生命誕生之初，在那個還沒有任何一種酶的時代，情形又是怎樣呢？那時的分子流一定毫無節制。細胞想要生長的話，要製造更多的有機分子、要倍增、要自我複製，只可能花更多的能量跟更多的碳分子，而不會更少。現代的細胞，已經最小化它們對能量的需求了，但是我們之前也看到了，它們仍然要保存大量的「能量標準貨幣」，也就是ATP分子。即使是最簡單的細胞，可以利用氫氣與二氧化碳反應時，所產生的能量來生長，它們在這種呼吸作用中所製造的廢物，也比所製造的生物量（biomass）要多出四十倍。換句話說，利用這種能量釋放反應，每產生一克生物量，就要產生四十克的廢物。能量釋放反應才是主角，生命不過是這反應的副產物罷了。即使在經過了四十億年演化的焠鍊之後，這個現象直到今日仍然為真。如果現代的細胞，仍然要製造四十倍於有機分子的廢物，那想想最原始的細胞，還沒有任何酵素可用，它們要怎樣過活？酵素可以幫助化學反應的速率，加快數百萬倍。如果沒有酵素，卻又要達到一樣的成果的話，我們就要將反應中原料的通過量等倍放大，比如說放大一百萬倍好了。這樣一來，要製造一公克的細胞，對最原始的細胞來說，需要產生四十噸的廢棄物才行，這可是一輛滿載大卡車的容量呀！以能量流的觀點來看，即使是一條奔騰的大河也不足以應付，這需要一個大海嘯才夠。

生命的起源，不管在哪一方面，都跟能量巨大的需求脫離不了關係。但是，這個因子卻從來沒有被好好討論過。作為一門實驗上的顯學，研究生命起源這個領域，大約開展於一九五三年，也就是著名的米勒－尤瑞實驗結果發表的那一年，同時也是華生與克里克發表雙螺旋論文的同一年。這兩篇著名的論文，自發表以來，就如兩隻展翅飛翔的巨大蝙蝠般，將各自的領域，籠罩在其翅膀的陰影下，而影響卻是利弊互見。米勒－尤瑞實驗，在當年看起來是如此耀眼，結實地鞏固了「太古濃湯」（primordial soup）這概念；但在我眼中，卻是整整蒙蔽了兩代科學家的眼睛。華生跟克里克則開啟了DNA與資訊的霸權時代，對於生命起源而言，當然至為重要；然而，完全從這些角度去考慮複製與天擇如何開始作用，卻讓科學家忽略了其他同等重要的問題，特別是能量問題。

一九五三年，米勒還是待在諾貝爾獎得主尤瑞的實驗室裡面一名認真的博士班學生。在他那經典的實驗裡，米勒在一個燒瓶裡面通電，用來模仿閃電；燒瓶裡面則裝滿了還原性（富含電子的）氣體，這是參考木星的大氣成分而來的。在那個時候，我們認為類木行星的大氣，可以代表早期地球的大氣，兩者都應該富含氫氣、甲烷跟氨氣18。驚人的是，米勒在實驗中，成功的合成了好幾種胺基酸，而我們知道胺基酸是製造蛋白質的原料，也是細胞不可或缺的成分。霎時間，生命的起源變得好簡單。在一九五○年代早期，學界對於這個實驗的興趣，遠大於對華生跟克里克的發現。DNA的結構，在剛開始的時候，其實只引起了很小的注意而已。而米勒的實驗，卻讓他登上了一九五三年《時代》雜誌的封面。他的研究影響深遠，仍然值得好好解釋。當時對於生命的起源，有一個明確的假設：閃電貫穿充滿還原性氣體的大氣層，形成建構生命的基本原料；在缺乏生命的情況下，這些前驅物會慢慢地累積下來，經年累月後，大海變成一鍋充滿有機分子的高湯，這就是太古濃湯假設。米勒的實驗，是第一個成功驗證這個假設的。

雖然華生跟克里克的發現，在一九五三年並沒有激起太大的漣漪，但是之後卻迷惑了所有科學家，到前所未有的程度。現在對於許多人而言，生命就只是DNA裡面的資訊拷貝。生命的起源，就是資訊的起源，而所有人都同意，沒有資訊的話，由天擇所主導的演化，絕無可能發生。資訊的出現，又可以再被簡化成為「複製」的出現：第一個可以製作自己備分的分子（一個複製者），是怎麼出現的？DNA分子有點太過複雜了，不太可能是第一個複製者，但是比較簡單、反應性也比較強的前驅物RNA，卻滿符合這個條件的。RNA（核糖核酸）直到今日，仍然是介於DNA與蛋白質之間的關鍵中間物；它們同時扮演了模板以及蛋白質合成催化劑的角色。因為RNA可以既是模板（如同DNA）又是催化劑（如同蛋白質），所以它們可以在太古的「RNA世界」中，當作比較簡單的DNA與蛋白質先行者。但是，建造RNA所需的所有核苷酸，又要從何而來？它們必須被一個一個接在一起，才可以串成RNA呀！答案當然是那鍋太古濃湯。雖然在這鍋湯跟RNA合成之間，並沒有什麼絕對的關聯，但是太古濃湯無疑是最簡單的猜測了，讓我們可以避開像是熱力學，或是地球化學等比較複雜的細節。把這些問題丟在一邊，這些基因就會像一群士兵一樣，自己著手組成重要的物質。如果要說過去六十年來，關於生命起源的研究領域中，最主流的題目是什麼？那無疑就是在太古濃湯中誕生了RNA世界，然後這些簡單的複製者漸漸演化，變得愈來愈複雜，也開始編碼代謝反應的指令，最後誕生了DNA世界、蛋白質、細胞，以及所有我們今日已知的東西。從這個觀點來看，生命就是由基礎開始，往上發展出來的資訊。

在這個故事情節裡，沒有提到能量這個因子。當然啦，太古濃湯的故事裡是有提到能量的，就是那些閃電。我曾經計算過，如果光靠閃電，要維持一個光合作用尚未出現以前的原始生物圈，平均每平方公里的海洋，就需要每秒四次閃電。這還是在假設生物能以現代效率生長的情況下。事實上，閃電根本無法供應如此多的電子。另外一個較佳的能量來源，則是紫外線。在混合著甲烷跟氮氣的原始大氣中，紫外線會製造出氰化物（以及其衍生物氰胺）。年輕的太陽，有著比現代更強的電磁波光譜，會將紫外線源源不絕的投射到地球以及其他行星上，在沒有臭氧層的情況下，這能量又更高了。聰明的有機化學家薩瑟蘭（John D. Sutherland），曾經在這種所謂「可能的太古環境」中，用紫外線與氰化物，成功地合成出了活化的核苷酸19。但是這還是有一些嚴重的問題：沒有任何一種已知的生命，使用氰化物作為碳的來源；也沒有任何一種生命，使用紫外線作為能量來源。相反地，這兩個東西都有著致命的危險。即使對於今日較複雜的生物而言，紫外線的能量都還嫌太強；它比較會摧毀有機分子，而不是加速它們合成；它比較會曬枯海洋，而不是讓它充滿生命。紫外線因為破壞性太強，我懷疑不管在地球上，或是在任何一個地方，它可以被直接當作能量來源。

不過紫外線的擁護者，倒不是主張紫外線能夠直接被當作能量來源；他們比較是認為，紫外線可以幫助小型而穩定的有機分子形成，如氰化物之類，然後慢慢堆積在自然界中。其實從有機化學的角度來看，氰化物確實不失為一個好的前驅物。它對人類之所以有毒，是因為它會阻斷細胞的呼吸，不過這很可能只是地球上生物的怪毛病而已，倒沒有什麼重要的原理。氰化物真正的問題在於濃度，而這問題，使得整個太古濃湯理論一直讓我們頭痛不已。就算合適的還原性大氣，真的曾經存在於地球上，或是存在任何一顆行星上好了，相較於氰化物合成的速率（或是任何其他簡單的有機分子前驅物），海洋也實在太大了。如果氰化物以合理的速率合成，在攝氏二十五度的海洋中，穩定狀態的氰化物濃度，大約會是每公升海水含兩百萬分之一克的氰化物：想要啟動生化反應，這遠遠不夠。要走出這個死胡同，只有想辦法濃縮海水；有整整一代科學家，均視此途為「前生化學」的唯一出路。他們或者凍結海水，或者蒸發海水，這些步驟都可以增加有機物的濃度。但是，這些步驟也都相當極端，並非太穩定的物理狀態，而穩定的狀態卻正是我們對活細胞特徵的定義。關於氰化物的來源，有一派的說法認為，四十億年前的小行星大轟炸事件，可能提供了一線希望：大轟炸或許將海洋全部蒸發，這樣就可以濃縮氰化物了（以鐵氰化物的形式）。對我而言，這根本只是在絕望地捍衛著一個不切實際的理論罷了20。這些理論所建議的環境都太不穩定、變數太大了，它們都要靠一連串巨變的環境來邁向生命。然而事實上，生命是一個穩定的整體，雖然每個零件不斷地更迭替換，但是整個結構卻是不變的。

希臘哲學家赫拉克利特（Heraclitus）說過，「沒有人可以踏入同一狀態下的河水中兩次」，他的意思當然並不是說，河水被凍結了、被蒸發了，或是被炸到太空中了。一如河水不斷地流過固定的河岸（以人類的時間尺度而言），生物也是在維持著不變外形的情況下，不斷地自我更新。儘管新陳代謝已經將細胞內部零件，全部換過一輪，但細胞仍是細胞。除此之外，我懷疑還有別的方法可以維持生命。在尚未有任何資訊可以規範物體的構造以前（生命誕生之初，連複製者都還沒出現，所以這情況很合理），生物雖然不是毫無結構，但是要維持它們，就需要能量持續流入。能量流可以讓生物自己將零件組織起來。我們都很熟悉俄裔比利時物理學家，普立高金（Ilya Prigogine）所說的「耗散結構」（dissipative structure）：你想想看，一壺燒開沸水的對流現象，或是排水口的漩渦水流，這些都不需要什麼指令或資訊，只要有能量流輸入就可以維持。在燒開水的例子裡是熱能；在排水口的例子，則是角動量。有能量流跟物質流，就可以形成耗散結構。颶風、颱風跟漩渦，都是大自然中令人敬畏的耗散結構。它們在大氣或海洋中形成，規模宏大，而驅動它們的，是極地跟赤道因為受到太陽照射不同，所產生的能量流差異。各種可靠的洋流，像是墨西哥灣流；或是各種氣流，像是緯度四十度的「哮風帶」，或是北大西洋噴射氣流等，也都沒有受到指令或資訊的規範，只要有能量持續供應，它們就會一直穩定維持下去。木星上的大紅斑，也是一個反時針方向的巨大暴風圈，範圍有數個地球那麼大，而且已經持續了至少好幾個世紀之久。所有這些耗散結構，就像電熱水壺中的對流結構，只要一直插著電，讓水可以保持沸騰以及讓蒸氣冒出，它就會持續下去；耗散結構也一樣，需要靠持續的能量注入來維持。用比較一般的術語來講，它們都是「遠離平衡態」（far-from-equilibrium）持續下來的產物，都是因為有一股能量無止境地注入在維持著。直到某一天（以恆星為例，可能要幾十億年後），它們終於達到平衡態，消散結構就會瓦解。這裡的重點是，能量可以創造出持久而可預測的物理結構。這些結構無關乎資訊，但是我們將會看到，這些結構卻可以創造出，適合生物性資訊（複製與天擇）誕生的環境。

所有的生物包括我們人類，其實都是一種耗散結構，都是以一種遠離平衡的狀態，才能維持在環境之中。持續不斷的呼吸作用，可以提供細胞所需的自由能，用來固定碳原子、用來生長、用來合成各種反應中間產物，同時把這些材料組合成碳水化合物、DNA、RNA、蛋白質等各種長鏈聚合物；此外這些自由能，也用來增加環境中的熵，藉此讓生物本身維持在低熵狀態。即使在缺乏基因或是資訊指揮的情況下，只要我們能不斷提供活化的前驅物（活化的胺基酸、核苷酸、脂肪酸等等），然後只要有能量流持續注入來合成這些原料，那麼某些細胞組織，像是細胞膜、多肽（polypeptides）等，應該可以自動合成。能量流跟原料流會強迫細胞的結構出現，它們的成分也許會被替換，但是只要這些流動持續不斷，這個結構就會穩定存在。太古濃湯理論所缺少的，正是這種持續灌入的能量跟物質。在那鍋湯裡面，沒有什麼東西，可以讓耗散結構，就是我們所稱之為「細胞」的，形成；沒有什麼東西，可以驅使這些細胞生長與分裂；也沒有什麼東西，讓它們在沒有酵素引導代謝反應的情況下，可以「活起來」。這聽起來像是很高的門檻，真的有一個環境，可以讓第一個原始細胞形成嗎？一定有！不過，在我們去探索那種環境之前，先讓我們看看，到底必需要哪些條件。

如何製作一個細胞

製作細胞要有哪些條件？地球上所有的細胞，都有六項基本特質，為了看起來不要太像教科書，我在這裡只把它們條列出來：

一、有來源可以持續供應活化的碳化合物，用來合成新的有機物質；

二、有來源可以提供自由能，去進行代謝生化反應，比如合成新的蛋白質、DNA等物質；

三、有催化劑來加速反應進行，同時引導反應往特定方向移動；

四、會排泄廢棄物，這樣才能符合熱力學第二定律，同時讓化學反應往正確的方向前進；

五、要有隔間（compartmentalization）：有類似細胞的構造，用來區分內外；

六、有遺傳物質：RNA、DNA或是同級產品，用來界定各種結構的細節及功能。

其他一切特質（所有一切其他你可能在別處會看到的清單，包括會運動、有感覺），從細菌的角度來看，都只是「能有的話更好」的額外價值。

你不需要花太多時間，就應該可以很快看出，上述的六種特質，其實是互相依存，而且應該一開始就出現了。首先，能夠持續地供應有機碳分子，很明顯地是生物生長、複製……等一切的關鍵。簡單地來講，即使是「RNA世界」，也會牽涉到複製RNA分子這件事。RNA是由核苷酸零件，串起來而成的長鏈分子；每一個核苷酸都是一個有機分子，一定要從別處合成才行。在研究生命起源的科學家之間，一直以來都有一個長久的歧見：到底是代謝比較先出現，還是複製？這是個毫無結果的爭論。複製就是倍增，所以會以指數的速度大量消耗原料。除非能以同樣的速度供應這些原料，否則複製會馬上戛然停止。

有一個解套的辦法，就是假設第一個「複製子」，根本不是有機分子，而是礦物或粘土之類的東西。這是聰明的英國科學家凱恩斯史密斯（A. Graham Cairns-Smith），長久以來一直的主張。但是這個提議，其實只解決了一小部分問題，因為礦物的性質太過死板，所以雖然可以成為非常好用的催化劑，卻很難編碼出任何複雜的事物，甚至連簡單的RNA世界，大概都做不到。然而如果礦物質並不是第一代複製者，那我們就要在無機物到有機物之間，再找一條又快又短的橋樑，要找一個類似RNA的東西，來當複製者。既然氰胺都可以成功地合成核苷酸了，那我們其實不需要再費心地去找其他「未知又不必要」的中間產物，而可以直截了當地假設，早期地球的某些環境，應該可以提供複製所需要的建築材料，也就是活化的核苷酸21。氰胺容或不是什麼理想的起點，不過科學家還做過的許多其他實驗，嘗試在還原性氣體中放電、或者研究了小行星上的化學成分、或是在高壓反應器中實驗，而根據這些迥然不同的實驗條件，結果顯示，熱力學定律似乎特別鍾情於某些分子的合成，這也包含了某幾種胺基酸。所以簡單地來講，要合成有機分子複製者，需要在同一個環境中，持續地供應有機碳。根據這個條件，冰凍的環境難免要被排除了，因為結冰雖然有助於在冰晶中拉近有機分子，但是卻沒有辦法持續提供複製所需的材料。

那麼能量呢？在這個環境中，也需要有能量才行。要把所有的材料（核苷酸或是胺基酸）接在一起，去形成長鏈聚合物（RNA或是蛋白質），首先就需要先活化這些材料。這就需要有一個能量來源，不管是來自ATP，或是其他類似的分子（可能是非常類似的分子）。在一個像四十億年前的地球一般的水世界中，我們需要一種形式比較特別的能量，精確地來說，是要能讓長鏈分子發生聚合反應的能量。這樣的反應，每形成一個分子鍵，就必須移走一個水分子，這叫做脫水反應。但是問題是，在溶液中進行脫水反應，有點像在水中想要擰乾衣服一樣。有幾位著名的科學家，因為太過在意這個問題，結果堅稱生命必定只能在水分比較少的火星上誕生。然後，它們搭乘小行星便車，降落到地球上，這讓我們全部都變成了「火星人」了。但是事實上，地球上的生命，明明都可以在水中過得好好的。每一顆活細胞，每一秒鐘都要表演脫水反應好幾千次。生物的辦法，是把脫水反應，與ATP分解做耦合：ATP分子每分解一次，都要消耗一個水分子。一個脫水反應與一個「加水反應」（正式的名稱應該是水解作用，hydrolysis）耦合在一起，實際上就只是轉移了水分子而已，與此同時，又可以釋放出ATP鍵結裡所積蓄的一些能量。這樣一來，問題就簡單多了。我們只需要有一個地方，可以持續供應ATP，或是較簡單的類似分子，比如乙醯磷酸鹽（acetyl phosphate）。下一章我們將會探討，這些分子可能的來源。在這裡，我們只需要知道，要在水中複製，所需要的，只是在同一個環境中，同時持續而自由的供應著有機碳，以及ATP之類的分子，就可以了。

如此一來，六個條件已經滿足了其中三件：複製、有機碳，以及能量。那麼細胞的隔室化呢？這其實也是屬於濃縮的問題。生物膜是由脂質組成，而脂質的成分，就是脂肪酸或是異戊二烯（然後如上一章所講，接在一個甘油頭部上）。當這些分子的濃度，超過一定的程度之後，脂肪酸會自動形成一種細胞狀的小泡，如果還繼續「餵」更多的脂肪酸，這些小泡就會長大、分裂。不過在這裡也是一樣，我們需要持續供應有機碳跟能量，才能形成新的脂肪酸分子。要讓脂肪酸跟核苷酸這些分子，堆積快過消散的話，就必須要想辦法讓分子集中起來才行。這就需要類似狹窄的通道，或是某種天然隔室之類的構造，才能暫時增加這些分子的濃度，讓它們形成更複雜的結構。如果可以滿足這樣的條件，那麼形成天然的小泡，就一點也不稀奇：如同我們在上一章看過，根據物理定律，因為這樣會增加總體的熵，所以會是最穩定的狀態。

如果活化的材料，確實能夠持續供應，那麼簡單的小泡就會不斷地成長並分裂，這是因為它們受到表面積／體積比例的限制。想像有一顆球狀的小泡，把它當成一個簡單的「細胞」，裡面包入了多種有機分子。這個小泡，會因為吸收其他分子而生長，脂質跑到膜裡面，其他有機分子被包進細胞裡。現在，讓我們把它倍增：表面積增加一倍、內容物也增加一倍的話，會發生什麼事？你會發現，表面積會增加得比體積要多。為什麼呢？因為要維持球形，當半徑增加一倍時，表面積的增加，會跟半徑的平方成正比，而體積的增加，卻必須跟半徑的立方成正比，但是現在內容物卻只增加了一倍而已。除非內容物增加的速度，能夠比表面積增加的速度快很多，否則這個細胞，將會扭曲成為啞鈴型，而這種形狀，就讓細胞差不多可以分裂成兩半了。換句話說，若物質都以等差的速率增加，細胞結構很自然就會不穩定，所以會分裂而不會只單純地長大。一個慢慢長大的球體，分裂成較小的泡泡，不過是時間早晚的問題而已。因此，持續注入活化的含碳前驅物，不但會形成原始的細胞、還會造成初步的細胞分裂。這種出芽生殖法（budding），也正是缺乏細胞壁的L型細菌分裂的方式。

表面積與體積的比例問題，同時也限制了細胞的大小，不過這其實只是很單純的反應物供給，與廢棄物移除的問題。哲學家尼采曾經注意到，只要人類還需要排泄的一天，我們就不會自以為是神。但是事實上，根據熱力學定律，排泄是絕對必要的，即使是神也不會例外。任何化學反應想要往前進行的話，終產物一定要先被移除才行。這跟火車站的人群一樣，如果先前的乘客沒有辦法很快地上車，那麼之後進來的旅客，就會在月台上塞成一團。在細胞裡面的話，新蛋白質的合成速率，取決於兩件事：可反應的前驅物（活化的胺基酸）有多快被送進來，以及廢物（甲烷、水、二氧化碳、乙醇，不管是哪一種放能反應）有多快被移除。如果反應廢棄物無法被排出去，它們就會阻止其他反應繼續進行。

對於太古濃湯理論來說，廢棄物的移除問題又是另外一個根本上的頭痛問題，因為在太古濃湯裡，它們全部都會混在一起。湯裡的化學反應，沒有往前進行的向量，也沒有力量來驅動新的化學反應22。同樣的，當細胞愈長愈大，它也會愈來愈接近一鍋湯。前面說過，因為細胞的體積增加會比表面積快，當細胞變大時，要透過細胞膜，把新鮮的碳原子傳進來，以及把廢棄物傳出去，兩者速率都會大幅下降。一個跟大西洋一樣大的細胞，甚至只是跟足球一樣大的細胞，都是絕對行不通的，它們會變成一鍋湯（你或許會說，但是鴕鳥蛋就跟一顆足球一樣大呀！可是，鴕鳥蛋的蛋黃囊（yolk sac），基本上只是食物堆積處而已，而蛋裡面會發育的胚胎細胞，其實是非常小的）。在生命誕生之初，細胞的尺寸，必定取決於碳原子的自然輸送速度，以及廢棄物的排除速度，所以會很小。它們也可能需要有某些物理性隧道，讓連續的水流帶入各種前驅物，同時帶走廢棄物。

現在還剩下催化劑的問題。現代的生物都使用蛋白質作為催化劑，也就是酵素。RNA也有催化能力，不過，前面我們已經講過，RNA的問題是它其實算是很複雜的分子。RNA是由許多核苷酸為材料組成，而每個核苷酸都必須先被合成、活化，才能被接在一起形成長鏈。少了這些步驟，RNA無法成為催化劑。不管RNA是透過哪個程序合成出來的，這個程序，一定也會同時合成其他比較簡單的有機分子，特別是胺基酸跟脂肪酸。因此，早期的「RNA世界」，不管長什麼樣子，必定都十分「混濁」，混雜著各式各樣有機小分子。就算RNA確實在複製的起源、以及在蛋白質合成上，扮演了很重要的角色，但是會認為RNA不知怎麼地，自己突然發明了代謝功能，還是十分荒謬的。那麼，到底是誰，催化了最原始的生化反應呢？一個可能的答案，就是無機複合物分子，比如金屬的硫化物（特別是鐵、鎳跟鉬）。這些金屬，至今仍可在一些古老，且萬物共有、保存良好的蛋白質中，扮演著輔因子（cofactor）的角色。雖然我們一般都把蛋白質看成催化劑，但是事實上，蛋白質只會加速「本來就會發生的反應」，輔因子才是真正決定反應本質的關鍵。如果把蛋白質部分拿掉，輔因子會變成效率不高，或是不怎麼專一的催化劑，但是即使如此，還是比沒有催化劑要好多了。不過它們的效率如何，到頭來還是取決於有多少反應物流進來。雖然第一個無機催化物，剛開始只是引導碳原子跟能量，讓反應流向有機分子，但是至少它們將原本需要海嘯般的能量才能達到的事，降低成只需要涓涓細流即可。

然後，這些簡單的分子（特別是胺基酸跟核苷酸），本身也有一點催化劑的活性。如果旁邊還有乙醯磷酸鹽的話，胺基酸甚至可以就直接連起來，形成短短的「多肽」（polypeptide），也就是較短的胺基酸鏈。這種多肽分子的穩定度，一部分取決於它們跟周圍分子的互動程度。疏水性的胺基酸跟多肽分子，如果跟脂肪酸結合在一起的話，可以維持得比較久；帶電的多肽，如果跟像是鐵硫簇（譯注：硫化鐵礦物，即黃鐵礦，俗稱愚人金）之類的無機礦物質簇結合在一起的話，也會比較穩定。多肽分子跟礦物質簇，自然地結合在一起，很可能會增加礦物質的催化能力，同時可能因為分子比較穩定，維持比較久，就被天擇「選擇」出來了。想想看，假設出現了一個礦物催化劑，可以促進有機分子的合成，然後有些產物在被合成後，就黏在這些礦物催化劑上，一方面延長了分子本身的壽命，一方面也改善（或至少改變）這些礦物質的催化性質。基本上，這樣的反應系統，就會讓有機化學變得愈來愈豐富跟複雜。

那麼，複雜的細胞，要如何從這樣的基礎上誕生呢？首先，一定要有大量活化的碳化合物，跟可被利用的化學能，持續地注入。當它們流過原始的催化劑時，其中一小部分，會被轉換成有機分子。然後這些灌流，會被某種結構限制住，讓合成出的有機分子可以累積到很高的濃度，包括脂肪酸、胺基酸跟核苷酸等等；同時這個結構，又不會妨礙廢棄物排出。某些天然的管道或是分隔結構，有可能可以達到集中灌流的效果，影響就像水車磨坊裡面的輸送水道一般，可以在缺乏酵素的情況下，增加灌流的威力，降低系統對有機碳以及能量的需求。只有當新有機分子的合成速度，超過它們在外面世界的消耗速度時，它們的濃度才能增加，也才可能開始形成細胞狀的小泡、RNA以及蛋白質等物質23。

當然，這些步驟都只是細胞起源最開始的部分，縱使它們不可或缺，但卻遠遠不夠形成細胞。但是讓我們暫且放下其他細節，先專注在這點上就好。若是沒有大量的有機碳與能量流，被某種自然的通道結構，引導流過無機催化劑，細胞就不可能演化出來。我認為，在宇宙中任何一處地方，對於生命演化來說，這點都是絕對必要：根據上一章我們討論過的，為了滿足碳合成化學的需求，熱力學定律規範了，一定要有一股連續的碳跟能源灌流，通過天然催化劑才行。這樣的條件，幾乎排除了大部分過往曾經假設過、生命誕生的可能環境，像是溫暖的沼澤（很遺憾的，這一次達爾文是錯的）、太古濃湯、充滿微孔洞的浮石、海灘、胚種論……等等。但是，深海熱液噴發孔倒是沒有被排除掉，相反地，它符合這些條件。深海熱液噴發孔正是我們尋找的耗散結構：它是一座有連續的流動，也有遠離平衡態的電化學反應爐。

深海熱液噴發孔，就像一座自流式反應爐

美國黃石公園的大稜鏡溫泉，常讓我想起魔戒中的索倫之眼，閃耀著那邪惡的黃、橘與綠色。這些耀眼活潑的顏色，其實來自細菌的光合成色素；細菌們藉著這些色素，可以利用火山噴泉噴出的氫氣（或是硫化氫），當作電子供應者。因為它們都會光合作用，所以這些黃石公園的細菌們，其實無法讓我們洞悉太多生命起源的祕密，但是它們著實讓我們見識到了太古火山溫泉的威力。對細菌而言，這些地方毫無疑問都是重要的熱點，但是除此之外，這裡是不毛之地。若是回到四十億年以前，將溫泉周圍的綠色植物全部抹去，變回原來滿地裸露的岩石，我們很容易地會認為，這些溫泉大概就是生命誕生之地。

但是它們不是。回到彼時，地球那時是一片水世界。或許那時候，在幾個突出於驚濤駭浪的小火山島上，有少數地面溫泉，但是大部分的噴發孔都沉降於海底，屬於深海熱液噴發系統。在一九七○年代晚期，對海底溫泉的探索，震驚了整個學界。出人意料的並不是它們的存在，事實上，熱水形成的熱羽流現象，早就洩漏了溫泉的位置；讓人驚訝的是，沒有人料到這裡有著極度活躍的「黑煙囪」，以及依附在險象環生的煙囪旁邊，那些密密麻麻的眾多生物。深海的海底通常是一片死寂，毫無生氣，但是這搖搖欲墜的煙囪，奮力吐出濃密的黑煙，彷彿這黑煙就是煙囪的生命一般，這裡卻是各種前所未見生物的家園：有許多既沒有嘴也無肛門的巨大管蟲、有大如餐盤的貝殼、有著無眼的盲蝦，這些生物數量密集的程度，可比熱帶雨林中的生物。發現深海熱液噴發孔是個值得紀念的一刻，不只是對於生物學家跟海洋學家來說如此，對於任何有心探究生命起源的人來說亦如是。就像微生物學家巴羅希（John A. Baross），很快地就理解到噴發孔的重要性。從那時候開始，巴羅希就比任何人，都還要關注在這遠離陽光的漆黑深海中，由噴發孔所創造出驚人而旺盛的化學不平衡。

然而這些噴發孔也是誤導。這些噴發孔，其實並不是真的完全與陽光一刀兩斷。在這裡的生物，依賴著與細菌形成共生關係而存活；而細菌，則靠氧化從煙囪中冒出的硫化氫氣體而存活。這是最主要的化學不平衡來源：硫化氫（H2S）是一種還原性氣體，在跟氧氣作用之後，會放出能量。還記得上一章講過的呼吸作用機制嗎？細菌利用硫化氫當作電子供應者，利用氧氣當作電子接受者，這樣才能推動ATP合成。但是，氧氣是光合作用的副產品，在光合作用演化出來以前，早期的地球上，是沒有氧氣的。因此，在深海熱液噴發孔旁邊，所爆發出的驚人生物族群，雖然並不直接，卻是完完全全依賴著陽光而活。這意思也就是說，四十億年以前，這些噴發孔的環境，必定跟今日的截然不同。

如果把氧氣拿走，會怎樣？黑煙囪形成於中洋脊的板塊擴張中心，直接和海水與岩漿相互作用的，或是其他的火山活躍區域。海水會慢慢向下滲透，進入到海床下面不遠處的岩漿庫中，在那裡，海水會被瞬間加熱到攝氏數百度，並且混入大量融化的金屬與硫磺，讓海水變得極酸。當這些超極熱水，被推回到上方的海洋中時，它們會用極大的力量從海底噴出，因此又被瞬間冷卻。硫化鐵的小粒子，比如像是黃鐵礦（俗稱愚人金），就會馬上沉澱。這就是那些憤怒的黑煙，黑煙囪熱泉也因此得名。這樣的情形跟四十億年前相比，幾無二致。但是絕大多數這種火山怒火，都不適合生物存活。在這裡化學濃度梯度才是比較最重要的事情，但這也正是問題所在。彼時在熱泉這裡，並沒有由氧氣所造成的化學推動力。想讓硫化氫跟二氧化碳作用，去合成有機分子，特別是還要在高溫的情況下，可謂極度困難。德國有一位極具革命性、但同時也以暴躁易怒聞名的著作權律師兼化學家，瓦赫特紹澤（Günter Wächtershäuser），在一九八○年代末期，發表了一系列畫時代的論文，提供了一個全新的生命觀24。他提供了另一套反應機制，詳細地解釋如何在黃鐵礦等礦物的表面，藉著還原二氧化碳，來合成有機分子，他稱這個理論為「黃鐵礦拉力（pyrites pulling）」。基本上，瓦赫特紹澤談的是一種「鐵－硫世界」，在這個世界裡，硫化鐵（FeS）礦物會催化有機分子的合成。這類礦物質通常是由亞鐵離子（Fe2+）跟硫離子（S2-），形成不斷重複的晶格。亞鐵跟硫化物形成的小礦物集團，也就是鐵硫簇（FeS cluster），至今仍然可以在許多酵素的核心中見到，其中不乏參與呼吸作用的酵素。基本上，它們跟四方硫鐵鎳礦（mackinawite）以及硫複鐵礦（greigite）之類的鐵硫簇礦物，有著一模一樣的晶格結構（見圖11以及圖8），因此，如果說這些礦物質，過去曾經催化過生命的第一步，確實有幾分可信度。但是，即使硫化鐵礦物質，本身是非常優秀的催化劑，瓦赫特紹澤自己的實驗卻指出，他最早的想法，也就是所謂的黃鐵礦拉力，其實行不通。因為只有在使用活性比較大的一氧化碳（CO）氣體時，他才可能合成有機分子。今日沒有任何已知的生物，是靠著「黃鐵礦拉力」維生，這個事實清楚地指出了，實驗室裡面的失敗，並非偶然，因為這個理論真的就是行不通。

雖然黑煙囪噴發孔附近確實有一氧化碳，但是它們的濃度低到不行，其稀薄的程度，根本無法進行任何有機化學（一氧化碳的濃度，大約比二氧化碳低了一千到一百萬倍）。此外，還有其他更大的問題。黑煙囪噴發孔非常的熱，冒出來的液體，溫度大約在攝氏兩百五十度到四百度之間；它們不會沸騰，只是因為位於深海底，被海水巨大的壓力所限制住。在這種高溫環境下，最穩定的碳化合物，就是二氧化碳了。這意思也就是說，任何有機合成反應，都將難以發生；相反地，任何剛合成出來的有機分子，都會很快的降解，變回二氧化碳。另外，所謂「在礦物質表面催化有機化學」，這樣的理論，其實也大有問題。在反應完成之後，有機物若不是黏在礦物表面，卡住後續反應；不然就是離開礦物表面，然後被黑煙囪噴發孔的強力噴發，沖到無垠大海中。黑煙囪本身其實也非常不穩定，它最多只會生長幾十年，然後就會傾頹崩毀。這樣的時間，實在不夠長到去「創造」生命。這裡雖然是典型「遠離平衡態」的消散結構，而且也確實可以解決一些太古濃湯假說的問題，但是這些火山系統，對於生命所需、比較溫和的有機碳化學來說，實在是太過激烈、太不穩定了，遑論去培養它們。它們真正參與過的事，而且確實也是不可或缺的，應該是讓早期地球的大海中，充滿了催化性質的金屬，像是從岩漿中生成的亞鐵離子（H3O）跟鎳離子（Ni2+）。

這些溶在海水中的金屬，最終的受惠者，其實是另一種被稱為「鹼性熱液噴發孔」的噴發孔系統（見圖12）。就我來看，這種噴發孔可以解決黑煙囪噴發孔無法處理的所有問題。鹼性噴發孔完全跟火山無關，也沒有黑煙囪那般戲劇化的活動；但是它們卻有許多特徵，讓這裡成為更理想的流式電化學反應爐。它們與生命起源的關聯，最早是由一位革命性的地質化學家羅素（Michael J. Russell），在他一九八八年於《自然》期刊發表的一篇一頁的短論文中所提出。之後在一九九○年代，隨著他發表了一系列理論性論文後，發展成一套特有的理論。後來，馬丁帶著他獨特的微生物觀點，加入並影響了羅素的溫泉世界。他們兩人指出，生物與溫泉世界兩者間，有著許多出人意料的相似性。跟瓦赫特紹澤一樣，他們也認為生物應該是從一些簡單的分子，像是氫分子與二氧化碳，「由下往上」慢慢發展而成，就像那些自營性細菌一般（自營性細菌會從簡單的無機物，逐步合成自己所需的有機分子）。羅素跟馬丁也同樣主張，硫化鐵礦物質在生命發展之初，扮演著極其重要的催化劑角色。但是，因為羅素、馬丁跟瓦赫特紹澤，講的都是噴發孔系統、硫化鐵礦物質，以及自給自足的生命起源，所以這兩套理論非常容易被搞混。然而實際上，它們的差別黑白分明，不容混淆。

鹼性熱液噴發孔並非透過海水跟岩漿作用而來，而是透過另外一種比較溫和的反應：透過岩石與水之間的反應。從地函而來的岩石富含橄欖石這種礦物，跟水反應之後，變成水合礦物的蛇紋岩（serpentinite）。這種岩石，有著漂亮的綠色斑紋，很像蛇的鱗片。磨光的蛇紋岩，常常被拿來當作公共建築物的裝飾壁面，比如像是紐約聯合國大樓裡面的綠色大理石就是。在岩石中發生的化學作用，有個不討喜的名稱：「蛇紋岩化作用（serpentinisation）」，因為一般人對蛇反感之故；但是它的意思只是說，水跟橄欖石作用，產生蛇紋岩而已。而這個反應產生的廢棄物，卻是生命起源不可或缺的關鍵材料。

橄欖石富含亞鐵離子跟鎂。亞鐵離子被水氧化之後，會變成鐵鏽形式的氧化鐵。這是一個放熱反應，伴隨著釋放出大量的氫氣。這些氫氣，會馬上溶在含有氫氧化鎂的鹼性溶液中。因為地函中遍存著橄欖石這種礦物，所以這樣的反應，絕大多數，都發生在靠近板塊擴張中心附近的海床地帶；在這裡，新鮮的地函岩石，才可能接觸到海水。但是，地函岩石其實幾乎不會「直接」接觸到上面的海水，比較是海水會滲透到海床下面，有時甚至可以深達數公里；在那裡，它們才會與橄欖石發生反應。這些溫暖、鹼性、富含氫氣的液體，比起上面滲下來冰冷的海水，浮力要大，因此會像泡泡一樣往上冒回海水中。遇到了海水，它們又會被冷卻，然後跟溶在海水中的鹽類發生反應，結果在海床上堆積出巨大的熱液噴發孔。

跟黑煙囪不一樣的是，鹼性熱液噴發孔無關乎岩漿，所以也不會位於板塊擴張中心的岩漿庫上方，而通常是在好幾公里以外。鹼性熱液噴發孔並不炙熱，而是介於攝氏六十到九十度之間的溫水。它們也沒有明顯的煙囪噴出口，讓溫水可以直接噴入海洋，而是通過一種充滿迷宮結構般的細小孔洞流出去。另外，它們也不是酸液，而是強鹼。這些都是羅素在一九九○年代早期，根據自己的理論，所預測的諸多特性。在許多場研討會中，羅素總是隻身卻熱切地大聲疾呼，他認為科學家都被黑煙囪那驚人的力量所迷惑，而忽略了安靜幽謐的鹼性熱液噴發孔。然而，一直要到了兩千年，我們發現了第一個海底鹼性熱液噴發區，也就是「失落的城市」，其他科學家才開始認真對待羅素的理論。失落的城市幾乎完全符合羅素的預測，它位於離大西洋中洋脊約十六公里處。如此，正是那時候，我第一次開始思索一些跟生物能量，與生命起源有關的東西（我的第一本書《氧氣：建構世界的分子》在二○○二年出版）。羅素的理論立刻吸引了我：對我而言，羅素的假設最了不起的成就在於，它是唯一可以完美地連接起質子梯度，與生命起源兩件事的假設。問題是，確實的機制為何？

成為鹼性環境的重要

鹼性熱液噴發孔提供了生命起源所需的一切條件：大量供應的碳跟能量，不斷地被物理性的引導流過無機物催化劑，同時環境又有諸多空間限制，讓有機分子可以累積成高濃度。這裡的熱液富含氫氣，還有其他少量的還原性氣體像是甲烷、氨氣跟硫化物。「失落的城市」與其他已知鹼性熱液噴發孔的結構，都充滿了細微孔洞：這些熱液沒有巨大的主要噴口，它們比較像礦化的海綿，中間充滿了彼此相連的小孔，同時又被極細的薄膜隔開；這些小孔的尺寸，大約在微米到毫米之間。這樣的構造，形成了一座巨大的迷宮，讓鹼性熱液可以滲透進去（見圖13）。因為這些液體，並沒有被岩漿加熱到超級高溫，所以它們的溫度，不但適合有機分子合成（下面很快就會提到），同時液體流動的速度也比較慢。熱液可以慢慢地流過催化劑表面，而不像黑煙囪一樣，被用瘋狂的速度噴發出去。這些熱液噴發孔的壽命可以長達數千年，以「失落的城市」為例，它已經存在至少十萬年了。根據羅素的說法，是 1017微秒，這是以化學反應的角度來看的時間尺度。這個時間，可以說極為充裕。

流過這座微孔迷宮的熱液，對於有機分子（包括胺基酸、脂肪酸跟核苷酸）來說，濃縮力超強，它可以透過一種叫做「熱泳」（thermophoresis）的過程，將這些分子的濃度，濃縮到原本的數千甚至數百萬倍。這個過程，有點像是在洗衣服的時候，小分子很容易被集中，困在棉被套裡面一樣。這一切其實就只是動能的問題而已。在較高溫的環境下，小分子（洗衣機裡的小物件）會到處跑來跑去，在這時候，它們還可以跑往任何一個方向。當溫泉液混合其他液體、冷卻了之後，有機分子的動能降低，四處飛舞的能力也隨之降低（就好像小襪子被困在棉被套裡）。如此一來，它們就難以離開，因此開始累積在這個動能較低的地方（見圖13）。熱泳的效果，有一部分取決於分子的尺寸。像核苷酸這種比較大的分子，會比較容易被困住；而甲烷這種比較小的分子，則比較容易離開熱液系統。總而言之，當熱液持續通過這種多孔海綿結構時，有機分子會主動被濃縮，而不需要改變周圍環境的穩定狀態（不需要結凍或是蒸發），這個熱液噴發孔本身就是穩定的狀態。更好的是，熱泳效應會在熱液小孔結構中，促進有機分子的交互作用，而創造出消散結構。它可以讓脂肪酸形成小泡，也可能讓胺基酸聚合成蛋白質，讓核苷酸聚合成RNA。這樣的交互作用其實就跟濃度有關：任何增加分子濃度的機制，都會增加分子之間的化學交互作用。

這些描述聽起來似乎有點太過夢幻，就某方面來說，確實是有點不太真實。今日位於失落的城市裡面的鹼性熱液噴發孔，已經是許多生物的家園，不過大部分都是平凡無奇的細菌與古菌。它們也會製造一些低濃度的有機物，像是甲烷，以及少量的碳氫化合物。但是這些熱液噴發孔，今日早已不再創造任何新的生命形式，連靠熱泳來產生富含有機分子的環境，都沒辦法了。一部分原因，是定居在那裡的細菌，會非常有效率地榨乾任何資源；但是，還有其他更基本的原因。

就如同黑煙囪的環境，不會跟四十億年前的完全一樣，發生在鹼性熱液噴發孔的化學反應，必定也跟以前不同。某些地方或許還不至於差太多，比如蛇紋岩化的過程，可能根本一模一樣：它們有一樣的溫度、一樣的富含氫氣、鹼性溶液一樣地往上冒往海床。但是海洋化學已經不同以往，這可能會影響鹼性熱液噴發孔的礦物成分。今日組成「失落的城市」的，幾乎都是碳酸鹽（霰石，aragonite），而其他最近才發現的相似鹼性熱液噴發孔（比如在冰島北邊的史特列坦），則是由黏土構成。若是回到四十億年以前的冥古宙的年代，熱液會由什麼礦物組成，我們就不知道了。但是有兩件不一樣的事情，而且必定影響甚巨：首先，那時候世界上沒有氧氣；第二，空氣跟海洋中二氧化碳的濃度，比現在要高出許多。這兩個不同，可能讓遠古地質年代的鹼性熱液噴發孔，會是一個效率高得多的流式反應爐。

沒有氧氣的話，鐵會以亞鐵離子的形式溶解在海中。我們知道遠古地質年代的海洋中必定充滿溶解的鐵，因為不久之後，它們就全部都沉澱出來了，如同第一章所提到，形成大片的條帶狀鐵礦層。這些鐵離子，大部分都來自於黑煙囪（火山式）熱液噴發孔。我們也知道，這些鐵離子，一定也會沉澱在鹼性熱液區；並非因為我們見到了，而是因為根據化學定律的預測，這一定會發生，同時我們也可以在實驗室裡面重現這個現象。在這種情況下，鐵會以氫氧化鐵跟硫化鐵的形式沉澱下來，變成礦物簇催化劑。今天，在許多推動碳代謝跟能量代謝的酶中，仍然可以發現這些礦物，像是鐵氧化還原蛋白（ferredoxin，Fd）。因此，在沒有氧氣的情況下，鹼性熱液的礦物內壁，應該會有具催化功能的含鐵礦物，或許還參雜著其他反應性金屬，像是鎳跟鉬之類的（它們都會溶在鹼性熱液中）。現在，我們又更靠近真正的流式反應器了：含氫豐富的熱液，流過如迷宮狀的微孔構造；這些構造的孔壁具有良好的催化能力，同時可以濃縮並留住反應產物，還可以排出廢棄物。

但是，到底有哪些反應發生呢？現在我們已經接近問題核心了。在這裡，會有大量的 CO2 參與反應。今日的鹼性熱液噴發孔中，沒有太多碳，因為大部分的無機碳，都以碳酸鹽（霰石）的形式沉澱下來了。若是回到四十億年以前的冥古宙，根據估計，那時候二氧化碳的濃度應該非常高，或許比今日要高了一百到一千倍之多。高濃度的 CO2，除了解決原始熱液碳來源不足的問題以外，也讓海洋變酸，結果讓碳酸鈣比較不容易沉澱（這個現象，今天正威脅著珊瑚礁，因為上升的 CO2 濃度，讓今日的海洋也開始慢慢變酸）。現代海洋的 pH 值大約是八，略呈鹼性。在冥古宙，海洋很可能是中性，甚至略酸，pH 值或許介於五到七之間。雖然，真正的酸鹼值，或許也未必是地球化學代用指標（proxy）所顯示的那樣。高濃度二氧化碳、微酸的海洋、鹼性液體，加上熱液噴發孔的薄壁空腔，薄壁上還有硫化鐵礦物，最後這點是最重要的一點，因為它們可以催化原本難以發生的反應。

化學反應由兩大原則支配：熱力學與動力學。熱力學定律決定物質處於哪一種狀態下，才是最穩定態：這種狀態，就是如果沒有時間限制的話，分子最後一定會達到的狀態。動力學則跟速度有關，代表反應產物可以在一定的時間之內產出。從熱力學的角度來看，CO2 會跟氫氣（H2）反應，合成甲烷（CH4），因為這是一個放熱反應，也就是說發生反應時，會放出熱量。而放熱會增加環境中的熵，所以至少在特定的情況下，這個反應傾向發生。有機會的話，它甚至會自發。所謂特定的情況，包括溫和的溫度，以及不能有氧氣。如果溫度太高，如前所述，CO2 就會變得比甲烷要穩定，而不利反應；而如果有氧氣的話，CO2 會跟氫氣反應，但傾向合成水，而不是甲烷。在四十億年前，鹼性熱液噴發孔附近，和煦的溫度以及無氧的環境，應該會讓 CO2 跟 H2 反應，然後產生 CH4。即使是在今天這個充滿氧氣的環境中，失落的城市仍會持續製造少量甲烷。地質化學家阿門德（Jan p. Amend）跟麥柯倫（Thomas T. McCollom），甚至更進一步計算過，在鹼性熱液噴發孔的環境中，只要沒有氧氣，從 CO2 跟 H2 去合成有機物質，都是熱力學上傾向發生的反應。這結果很值得注意。如此一來，在介於攝氏二十五度到一百二十五度的環境中，所有合成細胞生物物質（包括胺基酸、脂肪酸、碳水化合物、核苷酸……等）的反應，都是釋能反應。這意思也就是說，在這樣的環境下，CO2 跟 H2 應該會自動去合成各種有機物質。結論就是，合成細胞的反應，會釋放出能量，增加整體的熵！

但是，這可是超大的一個「但是」了，H2 沒有那麼容易跟 CO2 發生反應。它們之間有一道能量障壁，也就是說，儘管熱力學定律說，這個反應應該自動發生，卻有一些障礙擋在中間，阻止它們立刻啟動。其實，CO2 跟 H2 根本不怎麼理會彼此。要強迫它們在一起，需要先注入一些能量，要引燃一些火花來破冰。有了能量之後，它們才能開始進行反應。首先，會合成一些部分還原的化合物。因為 CO2 只能接受成對的電子，如果給它一對電子，它會變成甲酸鹽（HCOO-），再給一對，會變成甲醛（CH2O），再加一對，則變成甲醇（CH3OH），最後一對電子讓它完全還原成甲烷（CH4）。當然沒有任何生命，是由甲烷構成，但是甲烷裡的碳，也只有被部分還原而已，在氧化還原的等級上，甲烷大約等同於甲醛跟甲醇的混合物。這也就是說，要從 CO2 跟 H2 創造出生命，跟兩個重要的能量障壁有關。第一個需要跨過的，是要去合成甲醛或是甲醇。第二個障壁，則絕對不可以跨過！我們好不容易讓 CO2 跟 H2 湊在一起，現在細胞最不希望發生的事，就是這個反應繼續往下走，直到合成甲烷。這樣一來，所有的東西都會變成氣體，消失逸散掉，什麼都不留下。生物似乎很清楚，如何降低第一道能量障壁，然後保持第二道障壁的高度（只有在需要能量的時候，才會降低它）。那麼，在剛開始的瞬間，到底發生了什麼事呢？

就是這點卡住了我們。如果讓 CO2 跟 H2 反應，可以這麼簡單，又經濟實惠的話，也就是說，獲得的能量比投入的還要多，那人類現在應該早就這樣做了。這可是解決世界能源問題的一大進步呢。想想看，模仿光合作用來分解水，放出氫氣跟氧氣。這個技術已經實現了，而且有可能推動未來的「氫經濟」。但是氫經濟有其缺點。不如讓大氣中的二氧化碳跟氫氣，去合成天然氣、甚至去合成石油，這不是更好嗎？如此一來我們就可以直接在發電廠燒瓦斯，這麼做，釋放出的 CO2 跟捕捉到的 CO2 就扯平了。這不但可以停止大氣二氧化碳上升，也減輕我們對化石燃料的依存度。確保能源安全無虞！大概很少有其他模式有更好的獲利了，但我們至今還沒有辦法，可以划算地操作這個反應。可是……這卻是所有最簡單的生物，每天都會做的事情呢。以產甲烷菌為例，利用 CO2 跟 H2 的反應，就可以獲得它們生長所需的所有能量以及碳化合物。但難題是，在還沒有生命以前，這些反應如何出現呢？瓦赫特紹澤認為這絕對不可能，因而直接漠視：他說，生命不可能從 CO2 跟 H2 發生反應開始，因為這兩個分子根本不可能反應25。即使在深海熱液噴發孔所在的海底，深達數公里，已經累積了極大的壓力，仍然無法強迫 CO2 去跟 H2 產生反應。無怪乎瓦赫特紹澤首先想到的理論，就是「黃鐵礦拉力」的概念。

但是，其實有一個可行之道！

質子的力量

氧化還原反應，需要將電子從一個供應者（在這個例子裡是 H2），傳到一個接受者（CO2）身上。一個分子想要丟掉電子的欲望，我們稱為「還原潛能」（reduction potential）。它的規則雖然未必多有幫助，但是很容易理解。如果一個分子「想要」丟掉電子的話，我們會給它一個負值，它愈想丟掉電子，還原潛能的負值就愈大。相反地，如果一個電子或分子，非常想要得到電子，到了飢不擇食的地步，那我們就會給它一個正值（你也可以把它看成是吸引負電的潛能）。氧氣「想要」得到電子（它會氧化一切東西，然後把電子搶來），所以還原潛能很高，有很大的正值。所有這些數值，其實都是透過跟一個所謂「標準氫電極」（standard hydrogen electrode）互相比較而來的。不過，這裡我們不需要知道細節26。重點就是，一個還原電位是負的分子，傾向把電子傳給另一個還原電位是正的分子，而不會反向傳送。

這就是 H2 跟 CO2 的問題了。在中性的情況下（pH 7.0），氫氣的還原潛能是負四百一十四毫伏特。如果氫氣（H2）放出兩個電子，那它就變成兩個質子（2H+）。氫的還原潛能反映了一種動態平衡，也就是 H2 丟掉電子變成 H+ 的傾向，與兩個 H+ 拿到電子變回 H2 的傾向，相比較的結果。CO2 得到電子後，會變成甲酸鹽。但是甲酸鹽的還原電位是負四百三十毫伏特，這也就是說，它其實比較喜歡把電子傳給 H+，讓自己變回成 CO2。甲醛更糟，它的還原潛能是負五百八十毫伏特，所以它們根本懶得跟電子混在一起，因此，非常容易把電子傳給 H+ 去合成 H2。所以，在 pH 7 的情況下，瓦赫特紹澤是對的，H2 不可能還原 CO2。但是有一些細菌跟古菌，就是靠著這種反應而活，所以，一定有什麼解決之道。在下一章中，我們才要來詳細看看，它們是如何辦到的，因為那跟我們下一段故事比較有關。現在我們只要先知道，靠 H2 跟 CO2 而活的細菌，只可能靠著細胞膜兩側的質子梯度來發電，才可能活下去。而這個，正是最重要的線索。

分子的還原潛能，常常都是隨 pH 而變，也就是說，隨質子濃度而變。原因非常簡單。接受一顆電子，就接受一個負電荷。如果被還原的分子，也可以同時也接受一顆質子，那麼反應產物就會比較穩定，因為質子的正電荷，可以抵消電子的負電荷。愈多質子可以用來平衡電荷，電子就愈容易傳遞。這樣就讓它的還原潛能比較高一點，因為分子變得比較容易接受一對電子。事實上，當 pH 每降低一個單位時（變酸），還原電位就升高五十九毫伏特。因此，溶液愈酸，電子就愈容易傳給 CO2 去合成甲酸鹽或是甲醛。然而不幸的是，同樣的現象也適用於氫氣。溶液愈酸，電子就愈容易傳給質子，去合成氫氣。如果只是改變 pH，並沒有用，H2 仍然無法還原 CO2。

但是現在想想，如果隔著一道膜，有一個質子梯度的話呢？在這道膜兩邊，質子濃度不一樣（也就是說，兩邊不一樣酸）。在鹼性熱液噴發區，就有這樣的現象。鹼性熱液在迷宮狀的微孔結構中流動，而微酸的海水也一樣，在其中竄流。在某些地方，它們會流成平行並排的狀態：充滿 CO2 而變酸的海水，跟充滿 H2 的鹼性熱液，隔著一層薄薄的無機礦物薄壁流動，壁上還黏附著半導體式的硫化鐵礦物。鹼性熱液中的 H2，還原潛能比較低：它們急著想要擺脫自己的電子，這樣剩下的 H+ 才可以跟鹼性熱液中的 OH- 結合形成水，這是非常穩定的結構。在 pH 10 的時候，H2 的還原電位是負五百八十四毫伏特，是非常強的還原性。相反地，在 pH 6 的環境中，甲酸鹽的還原電位是負三百七十毫伏特，甲醛的則是負五百二十毫伏特。換句話說，在這樣的 pH 差值之下，要讓 H2 去還原 CO2 合成甲醛，就很簡單了。唯一的問題是，電子要如何從 H2 傳到 CO2 上面呢？答案就在薄壁結構中，就是那些嵌在溫泉微孔薄壁上的硫化鐵礦物。這些礦物雖然不像銅製電線般好用，但是還是會導電。所以，根據理論，鹼性熱液噴發區的物理結構，應該可以允許 H2 還原 CO2 的反應產生，去合成有機分子（見圖14），神奇吧！

但是事實果真是如此嗎？這就是科學漂亮的地方了，因為這是個簡單而且可以被檢驗的問題。我的意思當然不是說這實驗做起來很簡單。事實上，我已經在自己的實驗室裡面，跟化學家賀許（Barry Herschy）、博士班學生威徹爾（Alexandra Whicher）與坎普比（Eloi Camprubi），研究好一陣子了，我們利用從「利華休姆信託基金」（Leverhulme Trust）申請來的經費，製作了一個桌上型反應器，想要重現這些反應。老實說，要在實驗室裡面沉澱出這種含有硫化鐵礦物的薄壁，還真不容易。此外，甲醛的不穩定性也是一個大問題，它一直都「很想」把電子傳回給質子，讓它們變回成 H2 跟 CO2，在酸性環境下，這反應更容易發生。因此，正確的 pH 值跟氫氣濃度就至關緊要。但是，實驗室中很難重現深海那樣大規模的熱液噴發孔，包括幾十公尺高的結構、在極高的壓力之下運作（這樣才可以產生非常高濃度的氫氣）。不過除了這些麻煩以外，這個實驗本身其實很單純，因為它的條件限制很明確，問題也可以被檢驗，而且實驗的結果，可以告訴我們許多關於生命起源的事。事實上，我們已經在實驗室中製造出甲酸鹽、甲醛以及其他簡單的有機分子（包括核糖跟去氧核糖）。

現在，讓我們暫且相信這個理論，假設這些化學反應，確實會如預測般發生。接下來會如何？接下來應該會有緩慢而持續的有機分子被合成出來。在下一章中，我們將要討論一下，是哪一些分子？以及它們如何被合成出來？現在，我們只要先記住，這些預測也都很簡單而且可被檢驗。如前所述，這些有機分子一旦被合成出來，就可以透過熱泳效應，濃縮到起始濃度數千倍以上。然後，它們就可以促進小泡的形成，也有可能合成像蛋白質這樣的聚合物。同樣的，這些關於有機分子被濃縮、形成聚合物的預測，也可以在實驗室裡面被驗證，而我們也已經在做了。實驗的初步結果很讓人振奮，我們發現像螢光紅這樣的分子，大小跟核苷酸差不多，在流式反應器裡面，可以被濃縮至少五千倍，而奎寧可以被濃縮的更多（見圖13）。

還原潛能真正的意義，到底是什麼呢？它其實打開了一扇大門，讓生命在宇宙中可以演化，但同時又限制它們的方向。而研究這個題目，常讓科學家看起來像是局限在自己的小世界中，專門研究一些難以了解的細節、迷失在抽象的想像中。氫氣的還原潛能，在 pH 值下降時，會跟著下降，到底有什麼重要的呢？值得如此大書特書？它非常非常地重要！因為只有在鹼性熱液噴發孔的環境中，H2 才有可能跟 CO2 反應，合成有機分子，而在其他任何一種情況下，幾乎都不可能。在本章中，我已經排除了當前其他一切可能的生命之源。我們根據熱力學定律，確立了要從虛無中誕生細胞，需要在一個能夠引導液體流向的系統中，持續注入活化的碳化合物以及化學能，讓它們通過原始的催化劑。只有熱液噴發系統可以提供適當的環境，而且還不是所有的熱液，只有海底鹼性熱液可以滿足所有的條件。鹼性熱液雖然有嚴重的問題，卻也同時提供了漂亮的解答。它的問題在於，這些熱液雖然富含氫氣，但是氫氣卻不會跟 CO2 反應去合成有機分子。而漂亮的解答，則是鹼性熱液的物理結構，可以讓液體隔著半導性的薄壁，形成天然的質子梯度，並且（理論上）促進有機分子的合成，同時濃縮它們。就我來看，這些論點都非常合理。同時還要考慮到，地球上所有的生命，都使用（而且現在還在用）隔著一層膜的質子梯度，來同時驅動能量代謝以及碳代謝。這讓我完全了解物理學家惠勒（John Archibald Wheeler）的感嘆：「噢！這難道還有其他可能性嗎？我們怎麼可以忽視這些如此之久！」

讓我們冷靜一下，來完結這一章。上面提到，還原潛能，既讓生命有可能演化，又限制了它們的可能性。根據這些原則去分析，最有可能促成生命起源的場所，就是在鹼性熱液噴發孔處。或許你會心一沉，然後想：為何要把條件限制的如此嚴格呢？應該還有其他的可能性吧？或許吧，在這無垠的宇宙中，任何事都是可能的，但是卻未必都是可行的。但鹼性熱液噴發孔是可行的。回想一下，它們是由水跟橄欖石礦物發生化學反應而形成。也就是一種岩石。事實上，橄欖石是宇宙中含量最豐富的礦物之一，是星塵跟吸積盤（accretion discs）的主要成分，而所有星球，包括地球，均由此而生。橄欖石的蛇紋岩化過程，也可能在太空間發生，讓星塵水合。當我們的行星透過吸積作用形成的時候，水合在星塵裡面的水，就會因為升高的溫度及壓力，被擠壓出來；有些人認為，這就形成了地球上面的海洋。不管其中的作用為何，水跟橄欖石都是宇宙中最豐富的成分。另外一個含量也很豐富的東西，則是 CO2。這是太陽系大部分行星大氣層中的主要成分，甚而在其他太陽系的行星上面，也被探測到了。

岩石、水和二氧化碳，這就是形成生命的購物清單。在所有含水的岩石質行星上面，幾乎都有這幾個東西。根據化學以及地質學定律，它們會形成溫暖的鹼性熱液噴發孔，會在帶有催化劑的微孔薄壁兩側，形成質子梯度。我們對它們有信心。或許，它們的化學反應，最終未必都會形成生命，但是，這是一個實驗，在銀河系四百億個跟地球一樣的行星上，各自進行的實驗。我們，其實是住在宇宙的培養皿中。這些理想的環境，有多少後來會形成生命，則要看下一步發生了什麼事。

18　根據鋯石結晶的化學成分，以及最早的岩石資料顯示，早期的地球應該有個比較中性的大氣，這顯示了當年火山噴氣活動的活躍程度；那時大氣主要應該是由二氧化碳、氮氣以及水蒸氣組成。

19　在那句輕描淡寫的「可能的太古環境」中，其實埋藏了許多陷阱。它其實就是要說「這些原料跟實驗條件，若是出現在早期地球上，也是很合理的」。確實早期冥古宙（Hadean）的海洋中，可能有一些氰化物，而其溫度的範圍，也有可能從攝氏數百度高溫這麼熱（深海熱泉）到冰點這麼冷。但問題是，在現實中，太古濃湯中的有機物濃度，將會遠低於實驗室裡面所使用的；而要在同一時間同一環境下，讓高熱跟低溫並存，也幾乎不可能。所以結論就是：是的，這些條件容或都存在地球的某些角落裡，但是除非整個地球，能縮成一個小單元，然後有著跟化學實驗室裡面一模一樣的實驗設定，否則無法驅動「前生化學」（prebiotic chemistry）。因此這種情況，根本是「極度不可能」。

20　前面所討論的太古濃湯，前提都局限在它是透過閃電或紫外線，在「地球製造」的。有另外一個可能的有機物來源，則是「化學胚種論」（chemical panspermia）提倡的「從天而降」。太空中跟小行星上，無疑的一定有有機分子；而持續地透過隕石，將這些分子送到地球上，這可能性也很高。但是，這些有機分子仍然要溶在海洋中，為太古濃湯加料。這也就是說，化學胚種論並沒有辦法解答問題，因為它仍然要面對一樣的濃度問題。而霍伊爾爵士、克里克等人所主張的，天上掉下一整個的細胞群，這樣的理論，一樣沒有解答問題，他們只是把問題推到其他星球上。或許我們一輩子也無法回答生命如何在地球上起源，但是我們可以探索，那些主導細胞在地球上、或是其他星球上誕生的基本原理。「胚種論」完全無法幫助我們尋找這些原理，因此在此不予討論。

21　這裡概念，是直接引用奧坎簡化論（Occam’s razor），也就是所有科學的哲學基礎：永遠做最簡約的假設。這樣得到的解答，雖未必是正確的，但是除非必要，否則我們不應該援引更複雜的解釋。或許有一天，在所有一切的假設，都被證偽了之後（雖然我很懷疑會如此），我們最終將不得不用神蹟，來解釋「複製」的出現，但是在那之前，我們實在不應該畫蛇添足。這當然只是用來解答問題的諸多手段之一，但是近代科學的巨大成就，已經證明了這個手段相當有效。

22　一個我們熟知的例子，就是葡萄酒裡面的酒精，它們的含量，光靠酒精發酵作用，無法超過百分之十五。當酒精累積起來之後，就會阻止反應（發酵反應）繼續前進，因此瓶中將難以形成更高濃度的酒精。除非酒精被移除，否則發酵反應只會愈來愈慢，然後停止：此時，葡萄酒達成了熱力學平衡（它變成了一鍋湯）。白蘭地之類的烈酒，是靠蒸餾葡萄酒，來再度濃縮酒精。我相信，我們人類是唯一會完美利用蒸餾的動物。

23　我要說的其實不是蛋白質，我講的是多肽。蛋白質裡面的胺基酸序列，是由DNA裡面的基因所決定。多肽也是胺基酸透過相同的鍵結，連接起來的鏈子，不過它的長度短多了（很可能只有幾個胺基酸而已），而序列也不必然受基因規定。如果環境中有化學「脫水劑」，像是焦磷酸鹽（pyrophosphate）或是乙醯磷酸鹽的情況下，胺基酸就會自動合成短的多肽。而這些脫水劑，很可能是無生物時代的ATP前驅物。

24　瓦赫特紹澤，改變了我們對於生命起源的看法。他完完全全地摒棄了太古濃湯假說，並且在許多期刊上面，與米勒展開漫長而苦澀的爭論。這裡我舉一個例子，讓所有認為「科學應該是冷靜客觀、不帶感情」的人，看看他的抨擊是多麼猛烈：「前生培養液（prebiotic broth）理論，因為在邏輯上面自相矛盾、無法符合熱力學定律、不但從一般化學跟地質化學上來看，都不合理、與生物學跟生物化學也毫無關聯，在實驗上更是被完全否定，早已被批評得體無完膚了。」

25　我必須很遺憾地說，羅素在深刻思考之後，現在也同意了這個看法。他曾經試著強迫 CO2 去跟 H2 反應，來製造甲醛跟甲醇，結果都失敗了，因此不再覺得這些反應真的可以發生。在跟法國科學家尼奇科合作後，他現在認為另外兩個分子：甲烷（在熱液附近）和一氧化氮（有人認為可能存在於古老的海洋中），可能促成生命誕生。我跟馬丁並不同意他們的看法，至於原因則不在此詳述。但是如果你們有興趣的話，我推薦你們看書末延伸閱讀裡面，蘇沙（Filipa L. Sousa）團隊的論文。因為這件事跟早期海洋的氧化狀態有關，所以這並不是枝微末節的問題，不過這些問題都可以在實驗室裡面驗證。過去十年左右，學界最大的進步，就是各個不同領域的科學家，現在已經認真看待這個鹼性熱液噴發孔理論了。大家都在這個理論架構下，提出專業、清楚且可供檢驗的假設，而且著手做實驗去驗證。這才是科學該有的樣子；而且我相信，所有科學家，都很樂意被人詳細證明自己理論中的那些有所錯誤瑕疵部分，同時又希望（當然囉）自己整個理論的大架構上依然堅固地屹立不搖。

26　好吧，如果你真的想知道的話，那麼我解釋一下。還原潛能的測量單位是「毫伏特」（millivolts）。假設有一個鎂做的電極，放入一杯裝滿硫酸鎂溶液的燒杯中。因為鎂金屬有很強的離子化傾向，所以會溶出許多 Mg2+ 離子在溶液中，而將電子留在電極上，這樣就留下了負電。這個數值，可以拿來跟「標準氫電極」的數值相比。標準氫電極，其實是把惰性的鉑電極，在攝氏二十五度的溫度下，放入 pH 0 的強酸質子溶液中（每一公升的水中，有一克的質子）。如果將鎂電極跟標準氫電極，用電線連接起來，那麼電子就會從帶負電的鎂電極，流向比較正電（其實只是比較少負電而已）的氫電極，然後跟強酸溶液中的質子結合，釋放出氫氣。與氫電極相比，鎂金屬的還原潛能非常低（精確地來說，是負二．三七伏特（譯注：也就是兩千三百七十伏特））。附帶一提，所有這些數值，都是在 pH 0 的情況下測量。在書中我說，氫氣在 pH 7 時的還原潛能是四百一十四毫伏特，那是因為還原潛能會隨著 pH 升高而降低，大約每上升一個 pH，就降低五十九毫伏特。

第四章 細胞的崛起

「我想」，達爾文曾經在筆記本中，潦草地寫下這兩個字。就這兩個字而已，旁邊還描繪一株生命樹的草稿；那是一八三七年，僅僅是從小獵犬號之旅回來一年後而已。二十二年之後，在《物種起源》第一版裡面，多了一張更為精美的生命樹圖畫，這也是書中唯一的一張圖畫。生命樹的概念，幾乎就是達爾文思想的中心，而且從那時開始，也一直是演化生物學的主流。因此，當它被宣稱有誤時，自然會是一件相當令人震驚的消息。二○○九年，適逢《物種起源》出版的一百五十年紀念，《新科學人》雜誌就曾經在一月號，用斗大的字體強調這件事。不過縱然雜誌封面極盡吸引讀者之能事，內文本身卻相對低調保守得多，而且有其論證。誠然，就某種程度來說，生命樹確實有誤；但是這意思並不是說，達爾文對科學的最重要貢獻，也就是天擇機制的演化理論，也是錯的。我們頂多只能說，他當時所有的遺傳學知識，極為有限。但這也不是什麼新鮮事，我們早就知道，在達爾文的年代，無人知曉DNA、基因與孟德爾定律；更不知道細菌會把基因傳來傳去，所以他等於是帶了一副深色墨鏡在看遺傳學。但是這一切都無損於他的天擇理論。因此，就技術上來說，這本雜誌的封面雖有其道理；但是在深層的意義上來講，卻大大誤導。

若要說這篇文章達成了什麼，那應該是讓大家看見一個非常重要的議題吧。生命樹的概念，根基於假設遺傳是「垂直的」，也就是說父母透過有性生殖，將基因的拷貝傳給子代。每一代每一代，這些基因幾乎都在同一個物種之間流傳，而物種之間極少有交集。同一個物種若被區隔成好幾群，各自繁衍的話，就會出現愈來愈大的差異；因為牠們彼此之間的交流愈來愈少，隨著時間過去，新「種」就會誕生，這就形成了生命樹的分支。細菌則比較難懂。因為它們沒有跟真核生物一樣的有性生殖，所以也不會有一樣明確清晰的物種分類。要去定義細菌的「種」，一直都是個大問題。不過真正的問題在於，細菌會藉著「水平」基因轉移，把自己的基因散布出去；也就是說，它們除了把整套基因，往下傳給子代細胞以外，還會把一小撮基因，像撒零錢一樣，傳給周圍其他的細菌同伴。不過這些現象都沒有顛覆天擇，它們仍然是「代代相傳，伴生著差異」，只不過造成「差異」的方式，比我們以前所知道的，要更複雜多元。

水平基因轉移盛行的程度，讓我們能夠知道些什麼，變得大有問題。這個問題，就跟物理學裡面的「測不準原理」一樣基本。在分子生物學興起之後的現代紀元，你所看到的任何一棵生命樹，都是根據分子譜系發生學家渥易斯，精心挑選出來的一個基因所繪製的。這個基因，就是負責轉錄「核糖體小次單元RNA」的基因27。渥易斯主張（而且有其理論根據），這個基因屬於萬物共有，而且極少（就算真有的話）透過水平基因轉移，被傳來傳去。因此，可以用它來代表細胞唯一且真實的「種系發生」情況（見圖15）。就某方面來說，如果從一顆細胞分裂出一代又一代的子代細胞，那麼這些子代細胞，確實都會跟親代細胞，有著一樣的核糖體RNA，這是沒錯的。但是，如果在許許多多世代之後，這些細胞其他的基因，都被水平基因轉移換掉了呢？當然在多細胞生物中，這情形很罕見。在多細胞生物中，我們可以去分析一隻老鷹的核糖體RNA（譯注：這個步驟，科學家稱它為「定序」），定序（sequence）的結果會告訴我們：這是一隻鳥類。然後我們可以據此推測，這個動物有喙、有羽毛、有鳥爪、有翅膀、會下蛋……等等。這是因為透過垂直遺傳，在核糖體RNA的「基因型」（genotype）跟個體的「表現型」（phenotype）之間，可以維持高度關聯性。所有這些負責「鳥類特徵」的基因，都算是核糖體RNA演化之旅上的旅伴。它們一代又一代的並肩同行，雖然經過長久的時光後，必定有些許改變，但是絕少有劇烈的變動。

現在假設水平基因轉移，占了主導地位。當我們再去定序「核糖體RNA」，結果出來一樣顯示：這是一隻鳥類的基因。然而，這隻「鳥」卻有一個身體，六隻腳，眼睛長在膝蓋上，全身長毛，會下如同蛙卵的蛋，沒有翅膀，叫聲卻像鬃狗。這聽起來當然很荒謬，然而，這正是當我們分析細菌基因的時候，所會遇到的問題。跟這些四不像的怪獸，面對面直接對視，其實是家常便飯，只不過因為細菌的體積實在很小，外形也相對簡單，所以我們沒有被嚇到驚慌尖叫。但是，從基因上來看，細菌幾乎全部都是嵌合體，其中有些更是怪獸中的怪獸，它們的基因支離破碎，就像我說的「鳥」一樣。從基因的角度來講，這確實值得讓我們大驚小怪。單從它們的核糖體基因型來看的話，實在很難去推測這些細菌，過去曾經長什麼樣子，曾過著怎樣的生活。

如果定「單一基因」的序列，沒有辦法告訴我們這些細胞從何而來，那這種分析還有什麼用處呢？其實，隨時間遠近、基因轉移速率的不同，在某些情況下，定序還是有其用處。如果水平基因轉移的速率很慢（像植物、動物、許多原生生物，還有某些細菌），而且只要我們小心不要跨足到太久以前，那麼在核糖體RNA基因型跟細胞表型之間，就會有很高的相關性。但是如果水平基因轉移的速率很快，那麼這樣的相關性就不存在了。比如說，從核糖體RNA序列上，看不出變種的致病性大腸菌跟無害的大腸菌之間，差別在哪裡；讓大腸菌變成具有侵略性的，是從其他地方獲得的基因。而不同株的大腸菌之間，其基因體的差異，可高達百分之三十，這可是人類跟黑猩猩之間差異的十倍之多呢！但是，我們卻還是認為它們在分類上屬於「同一種」！對於要了解這些小殺手來說，從核糖體RNA的親緣關係，所分析出的資訊，恐怕是最不重要的事了。反過來說，即使水平基因轉移的速率很低，但是時間一久遠，相關性一樣會消失。這也就是說，要知道細菌如何在三十億年前生活，幾乎是不可能的事，因為就算基因轉移的速率很低，但是在這麼長的時間之內，它們的基因恐怕也已經被替換過好幾次了。

所以，儘管經過精心設計，繪製出來的生命樹還是錯了。我們一直希望能夠找到一個辦法，重建所有細胞彼此之間的親緣關係，這樣才能推測每一個物種，如何從其他物種演變過來；然後一直追溯所有生物的關係，直到起點，最終讓我們可以拼湊出，地球上所有生物共同祖先的基因組成。如果真的做到這一點，那我們就可以知道，這個最後共祖細胞的所有特徵，從它的細胞膜組成，一直到它生存在怎樣的環境下，甚至它靠著吃哪些分子過活。但是我們卻無法知道得這麼詳細。馬丁做過一個驚人的測試，視覺效果相當矛盾，他稱之為「神奇的消失樹」。他選了四十八個「所有生物都共有的」基因，為每一個基因都畫一棵生命樹，藉此來探討五十種細菌，以及五十種古菌之間的親緣關係（見圖16）28。在最高的樹梢上，根據這四十八個基因，對這一百種細菌所做的分析，都顯示出一樣的親疏遠近關係。而在靠近樹根的地方也一樣，四十八個基因的分析結果都顯示出，最初的分岔，應該是介於細菌跟古菌之間。換句話說，這個萬物最近共祖，我們又暱稱為「露卡」，就是細菌跟古菌的共祖。但是當我們想看細菌與古菌族群，稍微深入一點的分支部分時，卻發現四十八個基因顯示出完全不同的結果。四十八個基因居然可以畫出了四十八棵不一樣的樹！這結果可能是肇因於技術上的問題（因為地質時間久遠，訊號被磨耗光了），也可能是因為水平基因轉移（垂直傳遞基因形成的模式，被四處任意傳播的個別基因摧毀了）。我們不知道原因是哪一個，而目前看起來，似乎也無法得知。

這是什麼意思呢？基本上，這就是說，我們不知道哪一株細菌或是古菌，算是最古老的菌種。某一棵基因樹可能暗示著產甲烷菌是最古老的細菌，另一棵樹暗示不是。因此，實際上我們無法重建，最古老的細菌可能擁有過的特徵。而且即使我們用了某些聰明的技巧，證明了產甲烷菌，確實是最古老的古菌，但是我們卻無法知道，它們是否跟現代產甲烷菌一樣，一直靠著製造甲烷維生。即便使用「把這些基因接在一起，去增強訊號」的辦法，也無助於解決困境，因為每個基因都可能有不同的故事，因此組合出來的訊號，並無法代表任何事實。

但是馬丁從這四十八個共有基因中所得到的結論，也就是在一棵生命樹上，最早出現的第一個分歧，應該是介於細菌跟古菌之間，這倒是給我們帶來一線希望。如果我們可以找出，哪些特徵是所有細菌跟古菌所共有；哪些特徵又是各自特有、是之後才出現在某些族群中的，那麼我們或許有機會拼湊出露卡的「肖像」。不過，這樣做很快就遇到另外一個問題：有些所謂細菌跟古菌所「共有」的基因，很有可能本來只存在於其中一群，之後透過水平基因轉移，傳遍所有細菌。基因有時會傳遍全域生物，這並不稀奇。如果這種現象發生在演化早期，比如說，發生在那棵神奇的消失樹，從樹幹到樹枝中間空白的那一段呢？如此一來，這個基因看起來，就會像是透過垂直遺傳，從共祖那裡傳出來，而其實並非如此。另外，愈是有用的基因，愈有可能在演化早期，被廣泛地傳播。為了要避開這種水平基因轉移，把基因大量傳播的現象，我們還是不得不回歸到真正的共有基因，也就是所有細菌跟古菌裡面，每一群細菌的代表菌種都有的基因身上。至少，這些基因透過早期的水平基因轉移，被四處傳播的可能性，會少很多。不過問題是，這樣的基因，大概只有不到一百個，數量非常少，而透過這些基因所畫出來的露卡，非常獨特。

在第二章中，我們已經提過這個獨特的露卡肖像。根據現有的資料，露卡已經有了蛋白質跟DNA：這些萬物通用的遺傳密碼已經就緒、開始運作了；也就是說，露卡已經開始將DNA轉錄成RNA，再透過核糖體這些大家都需要的小工廠，去製造蛋白質。這些性能精良，用來讀取DNA以及製造蛋白質的小機器，是由細菌與古菌體內常見的蛋白質以及RNA所組成。從它們的構造以及基因序列來看，這些小機器，應該在演化非常早期就開始分化，而且應該沒怎麼被水平基因轉移，四處隨意散布。還有一點，細菌跟古菌都使用化學滲透機制，都利用在膜兩側建立質子梯度，來合成ATP。ATP合成酶跟核糖體一樣，也是一個極度精巧而且一樣古老的機器，而且也跟核糖體一樣，被良好地保存在所有細胞體內。但是這個酶，在細菌跟古菌體內，結構略有差別；這個現象顯示，ATP合成酶，應該也是從露卡這群共祖之一流傳下來，同時並沒有被水平基因轉移，改變太多。所以ATP合成酶、核糖體、DNA還有RNA，露卡應該全部都有。此外，還有一些核心生化反應，像是胺基酸合成反應、一部分的克氏循環（Krebs cycle），在細菌跟古菌體內也都一樣；代表露卡應該也有。但是除此之外，就沒什麼別的線索了。

這很重要嗎？其實非常驚人。要知道在細菌跟古菌體內，用來複製DNA的酶，大部分都是不一樣的。還有什麼功能，要比這個更基礎的嗎？大概除了細胞膜以外吧？說到這個，細菌跟古菌的細胞膜，也是不一樣的。還有它們的細胞壁也不一樣。也就是說，關於這兩層，將活細胞與環境隔絕開來的柵欄，細菌跟古菌，居然採用完全不同的方式。這樣一來，我們根本無法得知，它們的共祖有怎樣的膜。我們還可以繼續列出它們的差異，不過現在夠了。在前一章裡面講到活細胞的六項基本特質：碳流、能量流、催化劑、DNA複製、隔間，還有排泄。這些特質裡面，只有前三個，在所有生物之間，有古老而深遠的相似性，而且儘管如此，這些相似性也只局限於某些方面，等一下我會介紹。

對於這種現象，有幾個可能的解釋。其中之一是露卡可能每樣東西都有兩套，後來細菌遺失了其中一套，而古菌遺失了另外一套。這解釋或許聽起來很蠢，但是我們不能輕易否定。舉個例子來說，我們知道將細菌與古菌的脂質混在一起，也可以形成結構穩定的膜，因此，或許露卡真的同時有兩種脂質，而它的後代因為丟掉其中一種，而慢慢開始特化。不過這個解釋，也許對某些特徵來說講得通，但是卻無法適用全體，因為它會陷入一個我們稱之為「亞當的基因體」的困境裡面。如果露卡本來什麼都有，而她的後代卻開始瘦身變得精練，那麼露卡一開始一定要有一套極大的基因體，要比今日任何一種原核生物的基因體都大才行。對我來說，這種說法根本是捨本逐末，這表示露卡本來應該很複雜，後代卻變得很簡單？而且為何所有的後代，每件東西都碰巧遺失一套呢？實在難以置信。所以來看看第二個可能。

另一個解釋是，露卡其實是一個如假包換的細菌，它有細菌的細胞膜、細胞壁，以及DNA複製系統。後來不知道何時，其中一支後代，也就是第一個古菌，可能為了要適應極端氣候，像是熱液地區的高溫，所以把所有的特徵都換掉了。這可能是目前最被廣為接受的解釋了，但是這個解釋一樣有難以說服人的地方。如果這個假設為真，那為什麼在細菌與古菌體內，用來轉錄DNA跟轉譯蛋白質的程序，如此之像，而只有複製DNA的程序不一樣呢？而如果，古菌的細胞膜跟細胞壁，真的有助於它們適應熱液地區的環境，那為什麼其他的「嗜極端細菌」（extremophile bacteria，譯注：適應極端環境的細菌），一樣也生活在熱液區，卻沒有把它們的細胞膜跟細胞壁，換成古菌的版本，或者至少是其他類似的東西呢？又為什麼生活在土壤裡面，或是海洋中的古菌，沒有把它們的細胞膜跟細胞壁，換回成細菌的版本呢？事實上，在地球上許多角落，都有古菌跟細菌並存，但是，在這些地方，儘管水平基因轉移可以橫跨這兩大域，它們的遺傳跟生化機制，仍然是徹頭徹尾的不同。要說這些非常基礎的差異，是為了適應極端環境而出現，但是卻是古菌限定版本，實在沒什麼說服力；同時，所謂為了適應極端環境的系統，到了其他許多地方卻沒換掉，不就顯得非常不合時宜了嗎？

現在我們剩下最後一種可能性。或許，這些看起來自相矛盾的現象，其實一點也不矛盾。露卡真的使用化學滲透，來操作ATP合成酶，但是它也確實沒有現代化的細胞膜，也沒有任何現代細胞具備的大型呼吸複合物，可以泵出質子。它確實有DNA，會使用通用的遺傳密碼，它會轉錄、會轉譯，更會操縱核糖體；但它確實也還沒有發展出現代化的DNA複製技術。這個若隱若現的鬼魂細胞，如果生活在大海中，一點意義也沒有，但是若是把前面討論過的鹼性溫泉環境，也考慮進來，那就有點意思了。我們要從「細菌跟古菌如何在溫泉區討生活」出發，去尋找線索。它們之中至少有一些族群，可能靠著一種比較原始的代謝過程生存，我們稱之為「乙醯輔酶A」路徑，這條路徑跟溫泉附近的地質化學環境，有非比尋常的相似性。

解密「露卡」的崎嶇之路

在整個生物世界中，總共只有六條化學反應途徑，可以固定碳元素。所謂固碳，就是將二氧化碳這種無機物，轉換成有機分子。六條路徑中的五條都很複雜，而且都需要額外的能量來推動反應，其中一個例子就是使用陽光的光合作用。舉光合作用為例，還有另外一個原因，那就是它進行卡氏循環（Calvin cycle）。透過卡氏循環，生物可以把二氧化碳轉換成糖之類的有機分子；而這個循環只存在光合細菌身上（當然還有植物，因為植物抓了光合細菌，把它們變成葉綠體）。這意思也就是說，卡氏循環多半不是我們祖先的生化反應。因為如果露卡也會行光合作用的話，難道所有的古菌，後來都一起拋棄了這個非常有用的能力嗎？這未免也太不明智了。因此，卡氏循環比較有可能是後來才跟光合作用一起出現，只在光合細菌身上演化出來而已。其他幾條固碳反應路徑，也都有差不多的問題。在所有的固碳反應裡面，只有這一個反應，同時存在細菌跟古菌體內，那就是乙醯輔酶A路徑。這也就是說，這反應很可能曾出現在它們的共祖身上。

不過其實這樣講並不完全正確。在細菌跟古菌身上的乙醯輔酶A路徑，還是有一些奇怪難解的差異，晚一點我們再回來談這一點。現在暫且讓我們看一下，為何這條路徑，有資格被認為是先祖反應（雖然譜系發生學研究，尚未肯定這種說法，但是倒也沒有否定就是了）。使用乙醯輔酶A路徑的古菌，叫做產甲烷菌，此外還有產乙酸菌（細菌）。有些生命樹，會將產甲烷菌放在很早期很低的分支上；有些則將產乙酸菌放在很早的分支上；還有一些樹，則把這兩群細菌都放在比較晚期的分支上，因為有人認為，這種比較簡單的細菌，代表生物經過專一化、精簡化的演化過程，所以比較可能出現在演化晚期，而不是先祖時期。但是如果我們只能嚴守譜系發生學的研究，可能至今還深陷五里霧中，毫無頭緒。幸好我們不需要如此。

乙醯輔酶A路徑，由氫氣跟二氧化碳開始，就是在上一章中我們提過，在鹼性熱液噴發區這兩種分子都很豐富。我們也說過，透過 H2 跟 CO2 去合成有機分子的反應，是一種「釋能反應」，會放出能量；原則上來說，這個反應應該會自動發生才對。但是實際上，這反應有一道能量障壁，讓 H2 跟 CO2 不會很快發生反應。今日的產甲烷菌，利用質子梯度去克服這道能量障壁，而我認為，它的祖先應該就是如此。就先假設我是對的，總之，產甲烷菌跟產乙酸菌，都只利用 H2 跟 CO2 之間的反應來生存：光靠這兩個分子，它們就可以獲得生長所需的一切能量與碳分子。光是這一點，就讓乙醯輔酶A路徑，跟其他五條反應路徑遠遠分開。地質化學家夏柯（Everett Shock），曾經說過一句名言來總結這個現象，他說：「這就像是有人付錢請你吃一頓免費的午餐。」這餐點或許並不豐盛，但是在熱液區，卻是全天無限供應。

還有，乙醯輔酶A路徑，不同於其他反應途徑；它很短，而且是直線進行。從簡單的無機分子開始，只需要很少的反應步驟，就可以製造出所有細胞都有的核心代謝分子，這個分子就是乙醯輔酶A，它是個不算太大，但具有高度反應性的分子。你不需要擔心這些專有名詞拗口，「輔酶A」就是「輔助酶A」的意思，它是一個重要而萬物通用的化學「掛鉤」，它會鉤住小分子，讓這些小分子容易被其他酵素催化。不過這個鉤子的重要性，遠不及它鉤住什麼東西。在乙醯輔酶A中，它鉤住的是乙醯基（acetyl group）這個小分子。乙醯基跟乙酸（acetic acid，就是醋裡面的醋酸）同源，是一個簡單的二碳分子，它在所有細胞的生化代謝反應中，都扮演舉足輕重的角色。當乙醯基被輔酶A鉤住時，會進入活化的狀態（常被稱為「活化的醋酸鹽」，其實就是有反應性的醋），這讓它很容易跟其他有機分子反應，因此可以驅動所謂的生合成反應。

因此，乙醯輔酶A路徑可以從 H2 跟 CO2 分子出發，只透過幾個步驟，就產生出活化的有機小分子，同時還會釋出足夠的能量，這些能量不只可以驅動核苷酸跟其他分子的合成，還足夠把它們連接起來，聚合成長鏈的DNA、RNA、蛋白質等等的大分子。催化乙醯輔酶A路徑前幾步的酵素，帶有含鐵、鎳跟硫的無機金屬簇。可以把電子傳到 CO2 上面，把它變成活化的乙醯基。這些無機金屬簇基本上就是礦物質，也就是岩石，它們的結構，跟沉澱在熱液區的硫化鐵礦物質差不多（見圖11）。鹼性熱液區所發生的地質化學反應，跟產甲烷菌以及產乙酸菌體內的化學反應，大部分都非常類似，事實上，用「類似」兩字恐怕還不足以去形容。類似的意思是很相似，但是可能只是表面上相似而已。而這兩者相近的程度，基本上應該被視為同一物才對：其中一套反應是另一套反應的始祖。也可以說，這是從地質化學演化出了生物化學，從無機物演變成有機生物，完全無縫接軌。化學家加納（C. David Garner）說得好，「是無機元素使有機化學導致了生命之崛起」29。

不過，產生乙醯輔酶A最大的好處，應該是這個分子，剛好就處於碳代謝與能量代謝反應的分岔路口。最早指出乙醯輔酶A跟生命起源有關的人，是比利時優秀的生化學家德杜維（Christian de Duve），時間是一九九○年代初期；不過那時候他是在太古濃湯假說的架構中提出，而非鹼性熱液裡面。乙醯輔酶A不只可以驅動合成有機分子，它也會直接跟磷酸鹽發生反應，形成乙醯磷酸鹽分子（acetyl phosphate）。這個分子的重要性，雖然不及當前的生物能量貨幣ATP，但是在生命世界中，它仍被廣泛使用，而且功能跟ATP差不多。在上一章我們提過，ATP不單只會釋放能量，它還會驅動脫水反應，也就是說，從兩個胺基酸分子或是其他的生物分子中，抓走一個水分子，讓這兩個分子可以連在一起，形成長鏈。我們也說過，在溶液中進行脫水反應的問題，就好像在水中想要擰乾衣服一樣麻煩，但是這正是ATP分子會做的事。而我們在實驗室裡面已經成功地證實了，乙醯磷酸鹽分子，可以引起一樣的反應，因為它跟ATP的化學性質基本上一樣。這結果代表，乙醯輔酶A這種簡單的硫酯類化合物，非常可能可以推動最原始的碳代謝跟能量代謝。

「簡單的化合物？」也許你會這樣問。乙醯輔酶A上面的乙醯基，因為只有兩個碳，結構相當簡單。但是輔酶A可是一個複雜的分子，它毫無疑問是天擇的傑作，因此應該是演化後期的作品。所以，這一切只是循環論證嗎？其實不是。因為科學家找到一個非常簡單且「非生物性」的分子，可以算是乙醯輔酶A的相等物。乙醯輔酶A的反應性，來自於一個被稱為「硫酯鍵」的鍵結，硫酯鍵的結構，就是一顆硫原子接上一顆碳原子，然後這個碳原子上還連了一個氧原子。它的化學式可以這樣寫：

R-S-CO-CH3

在這裡「R」的意思表示「其他的」分子，在乙醯輔酶A中，R就是「輔酶A」。右邊的 CH3 則代表一個甲基（譯注：甲基跟 CO 接在一起就是乙醯基：-CO-CH3，所以才叫乙醯輔酶A）。不過其他化合物的R，未必需要是像輔酶A一樣複雜的分子，它也可以簡單如甲基，這樣就變成一個小分子，硫代乙酸甲酯（methyl thioacetate）：

CH3-S-CO-CH3

這也是一個具有活性的硫酯類化合物，在化學性質上跟乙醯輔酶A一樣，但是結構夠簡單，可以在鹼性熱液區，由 H2 跟 CO2 產生反應直接合成。胡伯（Claudia Huber）跟瓦赫特紹澤，曾經成功地用 CO 跟 CH3SH 合成這個分子。此外，硫代乙酸甲酯跟乙醯輔酶A一樣，都可以直接跟磷酸鹽反應，產生乙醯磷酸鹽。因此，有人提出了一個假設，主張這個具有反應性的硫酯類化合物，一方面可以直接驅動新的有機分子合成；另一方面也可以透過合成乙醯磷酸鹽，去釋放能量，讓新分子聚合，然後形成複雜的長鏈分子，像是蛋白質或是RNA等等。我們正積極地設計實驗，用實驗室裡的桌上型反應器，去驗證這個假設，並且最近才剛剛成功地做出了乙醯磷酸鹽呢，雖然濃度並不高就是了。

這種原始的「乙醯輔酶A路徑」，原則上，已經足以讓原始的細胞，從鹼性熱液噴發孔的微孔結構裡面開始演化了。我認為這有三個階段。在第一個階段，鹼性熱液微孔結構中形成的質子梯度，被帶著硫化鐵礦物質的薄壁分開，這種環境有利於簡單有機分子合成（見圖14）。這些有機分子，流往熱液出口的眾多小孔時，會因為海水溫度較低，而被熱泳效應濃縮；接著，如同我們在第三章談過，它們會變成效果比較好的催化劑。這就是生物化學的起源，這個過程會持續生產並濃縮有活性的前驅物，促進分子之間的反應，並形成簡單的聚合物。

第二階段則是在鹼性熱液的細小微孔結構裡面，形成簡單而有機的原始細胞。根據有機的分子之間的交互作用，形成這種簡單而脆弱的細胞狀耗散結構，應該是必然的趨勢；這樣的結構，這只不過是物質自我組織的本性，並不需要遺傳基礎，也還沒有任何複雜性。我認為這些原始細胞，一樣是靠著質子梯度，去合成有機分子的結構，只不過以前是隔著鹼性熱液噴發孔的岩石薄壁，現在則是隔著有機膜（比如由脂肪酸自動合成的脂雙層膜）。這些過程都不需要蛋白質的參與，如前所述，質子梯度本身，就會驅使硫代乙酸甲酯跟乙醯磷酸鹽的合成，因此也就會驅動碳代謝與能量代謝。這一階段跟前一階段，只有一處關鍵的不同：現在有機分子是在原始細胞內部合成；而驅動它們的，則是橫跨生物有機膜的天然質子梯度。回頭重讀這一段，我發現自己不斷地重複著「驅動」（drive）這個詞。或許是因為我的字彙貧瘠之故，但是，其實真的也沒有更好的詞了。我所要傳遞的訊息，就是「這並不是被動的化學反應」，這些反應是被強迫、被推著走的，是被不斷流入的碳、能量、質子等等所驅動。這些反應必須要發生，唯有如此，這些還原性、富含氫氣的鹼性熱液，進入一種氧化的、充滿金屬的酸海中時，所產生的脆弱化學不平衡，才有可能消散。而也唯有如此，物質才能進入幸福的熱力學平衡狀態。

第三個階段，才是基因密碼的起源、是真正的遺傳，它讓原始細胞開始有能力，去複製跟自己大同小異的新細胞。最原始的天擇，也就是完全依靠物質合成與降解的速率，來決定勝敗，會慢慢演變成真正的天擇：帶有基因跟蛋白質的原始細胞，慢慢開始在鹼性熱液噴發孔的微孔結構中，為生存而競爭。演化的機制，最終讓這些早期細胞，開始製造複雜一點的蛋白質，像是核糖體與ATP合成酶；結果這些蛋白質就這樣，一路完好地保存到今日所有細胞中。我認為，「露卡」，這個細菌與古菌的共同祖先，應該是住在鹼性熱液噴發孔的微孔結構中。這意思也就是說，從最原始的無機物，一直到露卡誕生的三個階段，應該都發生在這些小孔中。所有的事件，都是由隔著無機石頭薄壁、或是有機膜的質子梯度來驅動。但是複雜的蛋白質像是ATP合成酶的出現，則要在露卡這段崎嶇旅途的晚期才會發生。

我不擬在這本書中討論太古生化反應的細節，像是遺傳密碼從何而來？或是其他同樣難解的問題。這些都是貨真價實的難題，而且已經有很多聰明的科學家投身其中去研究。答案雖然尚未可知，但是有供應充足而活化的前驅物，則是所有研究都預設的前提。舉個簡單的例子來說，根據分子生物學家柯普莉（Shelley D. Copley）、史密斯（D. Eric Smith）與莫洛維茲（Harold Morowitz）對遺傳密碼的起源所做的研究，他們推測，具有催化功能的二核苷酸（也就是有兩個核苷酸連在一起的分子），有可能可以透過丙酮酸鹽（pyruvate）這種簡單的前驅物，去製造胺基酸。他們的理論架構很聰明，同時透過這些「注定會發生的化學反應」，也為遺傳密碼的出現，提供了一種可能性。對於有興趣的讀者，在我的上一本著作《生命的躍升》中，有為DNA的起源，專門寫了一章，裡面也稍微觸及了這些問題。但是所有的假設，都理所當然的認為，核苷酸、丙酮酸鹽，或是其他前驅物，會源源不絕地穩定供應。而我們在這裡想處理的問題則是，到底是哪些力量，迫使生命在地球上誕生？我的論點則是，關於有機碳分子、能量，以及催化劑的出現，然後開始形成複雜的生物分子，一直向上發展出基因與蛋白質，最後出現露卡，這裡面實在沒有什麼觀念上難以理解之處。

靠著 H2 與 CO2 維生的古菌，也就是產甲烷菌，它們體內的生化反應，跟我們在這裡描繪的熱液世界之間，有著完美的連續性，兩者靠著「乙醯輔酶A路徑」連接起來。這些細菌很明顯地極度古老，它們隔著細胞膜，創造了質子梯度（等一下我會解釋它們是如何辦到的），也完整複製了原本在鹼性溫泉區可以自由取用的一切。質子梯度驅動乙醯輔酶A路徑的方式，是利用一種嵌在膜中間的鐵硫蛋白質，它叫做「能量轉換氫化酶」（energy-converting hydrogenase），縮寫是 Ech。這個酶會引導質子通過膜，把質子傳給另一個叫做鐵氧化還原蛋白（Fd）的鐵硫蛋白質，然後把 CO2 還原。在上一章中我曾假設過，隔著熱液微孔鐵硫薄壁的天然質子梯度，可以藉著改變 H2 與 CO2 的還原電位，把 CO2 還原。我猜，從奈米等級的尺度來看，這也正是 Ech 所做的工作。酶經常會在自己的蛋白質皺摺中，也就是幾埃的距離之中，精密地控制生理條件，比如改變質子濃度；因此，Ech 很可能也會如此。果真是這樣的話，那麼古早細胞所維持的原始狀態，與現代產甲烷菌的生理狀態，就有著牢不可破的連續性：原始細菌在脂肪酸形成的細胞膜中，嵌著許多硫化鐵礦物，並讓短短的多肽穩定地結合著來推動代謝；現代產甲烷菌則靠著基因編碼，製造 Ech 這種膜蛋白，來推動碳代謝。

不論如何，在已經有了基因與蛋白質的現代環境中，Ech 是利用甲烷生成時產生的質子梯度，來還原 CO2。產甲烷菌也會利用質子梯度，透過ATP合成酶去直接合成ATP。所以，對現代產甲烷菌來說，質子梯度可以同時驅動碳代謝跟能量代謝；而在溫泉區則可以免費提供帶有質子梯度的環境。最早住在鹼性溫泉區的原始細胞，或許正是利用一模一樣的機制，去推動它們的碳代謝與能量代謝。這論點聽起來，可信度相當高。然而依賴質子梯度，會有它本身的問題，而且是非常嚴重又難解的問題。馬丁跟我都知道，要解決這個問題，唯有一個方法。同時，這也讓我們更深入看透了，為何細菌跟古菌，會在根本上不同。

細胞膜滲透性的問題

我們細胞裡面的線粒體，它們的膜，對於質子來說幾乎完全不能穿透。這一點是絕對必要的。如果線粒體奮力把質子泵出膜外，質子卻馬上又透過無數小孔漏回來，那可一點也不妙。這就像你把水打入一個水缸裡，但是缸底卻是一層會漏的網子一樣糟糕。我們的線粒體，藉著傳輸出質子來建立一條電流迴路，而這層膜就像絕緣體一樣：質子被打出膜後，大部分會從某個像渦輪一樣的膜蛋白中間流回去，同時推動渦輪。如果這個膜蛋白是ATP合成酶，那從這個奈米機器中流過的質子，就會推動ATP合成。不過請注意，這一切的過程，所依賴的都是能主動運作的泵浦。如果我們把這些泵浦堵住，那所有動作都會戛然停止。這就是氰化物毒藥的作用原理。如果你吞下一顆氰化物，它會馬上堵住線粒體裡面呼吸鏈中最後一個質子泵。當呼吸鏈的泵浦受到這樣干擾後，剩下外面的質子，還會繼續從ATP合成酶中間流回幾秒鐘，但當膜內外的質子濃度趨於一致時，所有的電流都會消失。雖說死亡跟生命一樣都難以定義，不過當線粒體的膜電位，受到不可逆的崩解時，應該幾乎就是死亡的同義詞了。

那麼，天然的質子梯度，要如何推動ATP合成呢？它會遇到跟「氰化物」一樣的難題。想像在熱液噴發隔間中，有一顆原始細胞，它靠著天然的質子梯度提供能量。細胞的一邊，面對的是持續流過的海水；細胞的另一邊則是持續流過的鹼性熱液（見圖17）。四十億年以前，海洋可能呈弱酸狀態（pH 5–7），而鹼性熱液則跟今天一樣，大概是 pH 7–9 的鹼性。這樣巨大的酸鹼差異，讓 pH 的差異橫跨了三到五個單位，也就是說，兩側液體的質子濃度，可能差了一千倍到十萬倍之多30。簡單的來講，就先假設一開始，在細胞裡面的質子濃度跟溫泉液裡的一樣好了。這樣一來，細胞內外就形成了巨大的質子梯度，而質子傾向從濃度梯度高的海水，流往梯度較低的細胞內。不過除非有辦法把流進來的質子搬走，否則在幾秒鐘之後，這個流動就會停止。有兩個原因會讓質子停止流入：第一，因為內外的質子濃度，很快就一致了；第二，除了濃度以外，還有電荷的問題。質子（H+）是帶正電的，但是在海水中，它們的正電會被帶負電的離子中和，比如被氯離子（Cl-）平衡掉。但是質子進入細胞的速率，會比氯離子要快得多，因此，大量進入細胞中的正電荷，將無法被負電荷平衡掉，這就造成了問題；細胞裡面很快就會比外面帶更多的正電，如此一來就會阻止更多的 H+ 繼續流入。簡而言之，除非有一個泵浦，可以把質子不斷打出細胞，否則這種天然的質子梯度，將無法驅動任何反應。它們會進入平衡狀態，而平衡，就是死亡。

不過有一個例外。如果這層細胞膜讓質子難以穿透，那麼質子流確實會停止，因為進到細胞裡面的質子無法出去。但是如果這層膜是會漏的，那情況就不一樣了。持續從海水進入的質子，可以從其他出口漏出去，雖然是被動的，但是至少可以透過滲漏的膜，流往細胞的另一側。結果，會漏的膜反而比較不會對質子流造成阻礙。此外，從鹼性熱液流過來的氫氧離子（OH-），穿過膜的速率跟質子差不多。當它們碰到一起的時候，就會形成水（H2O），因此可以同時一併消除流入的質子跟正電荷。我們可以利用傳統的電化學方程式，透過電腦模擬一顆假設的細胞，根據膜的通透性，來計算質子流入跟流出細胞的速率。我跟波明安可夫斯基所指導的一個博士班學生蘇活（Victor Sojo），就在研究這個問題。蘇活主修化學，也對於生命起源的大問題很有興趣。我們測量了在穩定狀態下，當質子濃度不同的時候，單純因為細胞內外 pH 梯度的不同，所能獲得的自由能（∆G）有何差別？結果計算出非常漂亮的結果。我們發現，膜對質子的通透性，是推動質子流入的力量。如果這層膜通透性很高，那麼質子會進來得非常快，但是也消失得快，因為它們很快就會被用同樣速率滲進來的 OH- 離子中和掉。不過我們也發現，即使是通透性很大的膜，質子透過脂質膜直接進入細胞的速率，仍不及透過膜蛋白（像是ATP合成酶這種）進入的速率。這意思也就是說，質子流可以透過像 Ech 這種膜蛋白，來合成ATP或是來還原 CO2。如果把離子濃度差異跟電荷都納入考量，再加上ATP合成酶這種蛋白質，我們發現只有通透性非常高的細胞膜，才有可能利用質子流來驅動碳代謝以及能量代謝。值得注意的是，根據計算，這些漏很大的細胞，在內外差了三個 pH 的情況下，就可以從天然的質子梯度，得到跟現代細胞藉著呼吸作用所得到一樣多的能量。

事實上，這些細胞可能會獲得更多能量。想想看產甲烷菌，它們大部分的時間就是在製造甲烷，自然因此得名。平均來講，產甲烷菌每產生一份有機物質就要製造四十倍的垃圾（也就是甲烷跟水）。所有藉著合成甲烷所獲得的能量，都用來泵出質子（見圖18）。產甲烷菌大約花掉將近百分之九十八的能量預算，藉著甲烷生成作用，去製造質子梯度；大約只有百分之二的能量，用來合成新的有機物質。如果有天然的質子梯度，加上會滲漏的細胞膜的話，這些額外的能量浪費都是不必要的。它們可以得到一樣多的能量，但是經常性開支卻可以降低四十倍，這是非常明顯的優勢！想想看，如果你可以得到四十倍之多的能量！那活力可以遠遠勝過自己的後代。在前一章裡面，我曾經講過，原始的細胞會比現代細胞，需要更多的能量與碳元素，但是如果不需要依賴泵浦而活的話，那它們其實會有更多的碳跟能量來運用。

假設有一顆會滲漏的細胞，處於天然的質子梯度環境中。還記得我們現在已經身處於擁有基因與蛋白質的時代了。我們的基因跟蛋白質，是天擇作用在原始細胞身上的結果。如果這顆會滲漏的細胞，可以利用天然質子流，去操作前面提過的 Ech，來推動碳代謝。Ech 讓 H2 能夠跟 CO2 反應，去生產乙醯輔酶A，從此開始就可以製造所有所需的建築材料。這個會漏的細胞，還可以利用天然質子梯度，去驅動ATP合成酶來合成ATP。當然它接著就可以利用ATP，去聚合胺基酸跟核苷酸，這樣就可以合成蛋白質、RNA還有DNA，最後就有能力自我複製。還有很重要的一點，這顆會滲漏的細胞，並不需要消耗能量來泵出質子，所以即使使用的是幾十億年以前、尚未受到演化雕琢的低效能原始酶，它們仍應該能夠好好地生長。

但是這種滲漏細胞，也會因此被局限在原生地，變成完完全全依賴著鹼性熱液，而無法在其他地方存活。一旦有一天熱液停止噴發，或是噴口轉移到其他地方，這些細胞就完蛋了。更糟的是，它們很可能處於一種無法演化的狀態。改善細胞膜的通透性，並不會帶來任何演化上的好處。相反地，通透性比較小的膜，反而會因為無法排除堆積在細胞內的質子，結果反而摧毀質子梯度。所以任何細胞一旦發生變異，製造出「現代化」的不透膜的話，反而會被天擇淘汰。當然啦，除非它們同時學會如何泵出質子，然而這件事也是困難重重。我們剛剛講過，在一層會漏的膜上面泵質子，是沒有意義的事情。而我們自己的研究也顯示，即使細胞膜的滲透程度降低整整三個數量級，泵浦也不會帶來任何好處。

讓我細說，身處於質子梯度中的滲漏細胞，已經可以獲得大量的能量，大到足以驅動碳代謝跟能量代謝。假設出現某個神祕的演化過程，很快地變出一座功能完整的泵浦，然後放到細胞膜上，會怎樣呢？從獲得能量的角度來看，這樣一點好處也沒有：不管有沒有這座泵浦，細胞獲得的能量都一模一樣。把質子泵過一層會漏的膜，一點意義也沒有，因為它們馬上就會流回原處。即使把膜的通透性降低十倍，再試試看，結果還是沒什麼用處。如果把膜的通透性降低一百倍呢？還是沒有什麼用處；降低一千倍呢？仍然沒有好處。為什麼會這樣呢？因為各種力量的影響，會達到一種平衡。雖然降低細胞膜的通透性，有助於泵浦的運作，但是同時也會讓質子梯度難以維持，因而降低細胞的能量供應。除非可以把大量的泵浦，布置在幾乎完全不透的細胞膜表面各處（大概跟我們今日的細胞膜一樣），泵浦的好處才會出現。這是很嚴重的問題。在溫泉世界沒有選擇的壓力，讓細胞需要去演化出現代化的細胞膜，以及現代化的質子泵浦。而沒有演化動力，它們就不會出現。可是現代化的細胞膜跟泵浦，明明就出現了，那麼到底哪個環節有錯呢？

科學經常有著意想不到的結局出現，這裡就有一個例子。我跟馬丁一直在苦思這個問題，我們假設產甲烷菌會使用一種叫做「反向運輸蛋白」（antiporter）的東西。我們所研究的產甲烷菌，實際上是泵出的是鈉離子（Na+）而非質子（H+），但是它們還是會有質子累積在細胞裡面的問題。這個反向運輸蛋白，會用 Na+ 來交換 H+，就好像一座雙向的旋轉柵欄，或是旋轉門一樣。細胞每打入一個 Na+，就會吐出一個 H+。這其實是一座靠鈉離子梯度來驅動的質子泵浦。不過這座泵浦並沒有一定的運作方向。如果一顆細胞比較傾向泵入 H+ 而不是 Na+，那麼反向運輸蛋白只需要倒轉運作即可。細胞每打入一個 H+，就有一個 Na+ 會被打出去。霎時間，我們就有了可用的工具。如果在鹼性溫泉噴口的原始細胞，演化出 Na+ / H+ 反向運輸蛋白的話，它就好像有了一台靠質子推動的 Na+ 泵浦。每一個 H+ 進入到細胞裡，就必須丟出一顆 Na+，理論上來說，一台反向運輸蛋白，會把天然的質子梯度，轉換成為生化的鈉離子梯度。

那這樣有什麼幫助呢？我必須強調，這只是基於我們對蛋白質特性的了解，所做出的理論性推論，但是根據計算，這個蛋白質會改變很多事情。一般來說，脂質膜對於 Na+ 的通透性，比對 H+ 的通透性來說，要小了六個數量級；所以一層對質子來說極易滲透的膜，對於鈉離子來說會極不容易滲透。我們每泵出一顆質子，它會很快地流回膜內，但是如果泵出的是鈉離子，它不會那麼快流回來。這也就是說，反向運輸蛋白可以被天然的質子梯度驅動：每泵進入一顆 H+，就會排出一顆 Na+。只要這層膜對質子一直保持著通透性，反向運輸蛋白就可以持續運作，把 Na+一直泵出去。因為這層膜不透 Na+，所以一旦被排出去，就會一直待在外面；或者，它要回來就必須透過某種膜蛋白，而不能直接穿過脂質膜流回細胞。這樣一來，把 Na+ 流加入細胞機器一起運作，對事情就有幫助。

當然啦，這樣會有幫助的前提是，那些驅動碳代謝跟能量代謝的膜蛋白（也就是 Ech 跟ATP合成酶），無法區別 Na+ 跟 H+ 有什麼不同。這聽起來很荒謬，但是讓人訝異的是，竟然真的有這種事。有些產甲烷菌的ATP合成酶，可以同時被 H+ 或是 Na+ 推動，而效率幾乎一樣好。在無趣的化學字彙中，稱呼這種模式是「偶發的」。出現這種現象的原因，很可能是因為，這兩種離子的電荷數一樣，而粒子半徑也差不多。雖然 H+ 比 Na+ 要小很多，但是質子很少單獨存在。當它溶在水中時，會跟水分子結合成為 H3O+，這樣一來，半徑就幾乎跟 Na+一樣大了。另一個膜蛋白 Ech，對於 H+ 跟 Na+ 的辨識度也是「偶發的」，原因應該也一樣。這裡最重要的一點就是，把 Na+ 泵出細胞外面去，並非全然無意義。首先，如果是靠天然的質子梯度來推動，那把 Na+ 泵出細胞根本不花一毛錢。而一旦細胞建立起鈉離子梯度之後，Na+ 比較有可能透過 Ech 跟ATP合成酶這類膜蛋白，而不是透過脂質膜，回到細胞裡面。這樣一來，使用完全隔離的細胞膜，反而比較好，因為這樣比較不容易出現短路。而結果呢？細胞將有比較多種不同的離子，可以用來驅動碳代謝跟能量代謝，如此，細胞把離子泵出去的投資報酬率會比較好。

這樣一個簡單的新發現，會帶來許多意外的分歧。首先，把鈉離子打出細胞，必然會降低細胞裡面的鈉離子濃度。我們發現許多細菌跟古菌的核心酶（比如說那些負責轉錄跟轉譯的酶），最適當的工作環境，都是在低 Na+ 濃度的情況下。這些酶，當初應該是在四十億年前的海洋中演化出來，而彼時海中 Na+ 濃度，應該不會低到哪裡去，所以這樣的性質，無疑是天擇篩選的結果。因此，反向運輸蛋白可能很久以前就出現並開始運作，這樣才能解釋，為何所有細胞雖然從高 Na+ 的海洋中演化出來，卻最適應在低 Na+ 濃度的環境下工作31。

跟我們原本的目的比較有關的改變，是反向運輸蛋白可以在原本的 H+ 梯度外，又快速地增加了 Na+ 梯度這件事。細胞仍然需要靠質子梯度提供能量，因此它們還保有質子滲透膜；但是現在又多了 Na+ 梯度，而根據我們的計算，比起只依賴質子時，細胞又可以多百分之六十額外的能量。這會為細胞帶來兩大好處：首先，有反向運輸蛋白的細胞，可以獲得比較多的能量，因此比那些沒有的細胞，可以更迅速地生長與複製；這很明顯會讓它們在天擇競爭中，占盡優勢。再來，即使天然的質子梯度降低，細胞也還可以繼續生存。根據我們的研究，帶有滲漏膜的細胞，可以在質子梯度為三個 pH 單位的環境中，生長的很好。三個 pH 單位的意思就是說，海洋中的質子濃度（約為 pH 7），比起鹼性熱液（約為 pH 10），要高了三個數量級。當細胞有了反向運輸蛋白之後，可以從天然質子梯度獲得比較多的能量，它們就可以在梯度小於兩個 pH 單位的環境下生存；這讓它們有辦法擴散，並定居在更廣的範圍內，或是搬到鄰近的熱液系統處。因此，帶有反向運輸蛋白的細胞，應該會勝過其他細胞，也會在熱液噴發孔演化並擴散。但是，因為它們仍是完全依賴天然的質子梯度而活，所以還不能離開熱液噴發孔。還差一步。

現在情況進到一個關鍵點。有了反向運輸蛋白，細胞尚不能離開熱液噴發孔，但是它們已經準備好了。我們可以說，反向運輸蛋白其實是一種「預先適應」（preadaptation），是助長之後演化發展，一個必要的第一步。反向運輸蛋白的出現，是第一個有利於主動泵浦演化的因素，這件事相當出人意料（至少對我來說如此）。之前我曾經說過，用主動泵浦把質子打出滲漏膜，並沒有好處，因為它們馬上就會流回來。但是反向運輸蛋白出現之後，好處也浮現了。當質子被傳輸出去後，有一些不見得會直接從脂質膜漏回來，而會從反向運輸蛋白進入，同時把一個 Na+ 交換出去。既然細胞膜對 Na+ 的隔絕性比較好，那麼當細胞花能量把質子打出去後，就會轉換成膜兩側的鈉離子梯度。每多打出去一個鈉離子，它們就多一點點留在外面的機會。因此也可以說，現在每傳輸出一個質子，也就可以多一點好處，而以前則是毫無用處。因此，質子泵浦只有在反向運輸蛋白存在的情況下，才會有用。

除此之外，當質子泵浦演化出來後，改善細胞膜的滲透性，也開始有點好處了。我再解釋一次：要利用天然質子梯度，一定要有一層會滲漏的細胞膜才行。在這種膜上操作質子泵浦，沒有任何意義。反向運輸蛋白可以改善一些情況，因為它讓細胞在天然質子梯度外，又可以額外多獲得一點能量；但是它並沒有辦法，切斷細胞對質子梯度的依賴性。但是有了反向運輸蛋白後，運輸出質子就開始有一點好處了，也就是說，細胞將可以少依賴一點天然質子梯度。而也只有在這種情況下，有一片滲漏比較少的細胞膜，會比較好。細胞膜少滲漏一點，質子泵浦的好處就多一點。愈改善，好處就會愈大，一直到現代化的質子隔離膜出現為止。而這應該也是史上第一次，一股持續性的演化動力，可以同時創造質子泵浦跟現代化細胞膜。演化到最後，細胞終於有辦法切斷它跟天然質子梯度的臍帶：現在它們可以自由地離開熱液噴發孔，奔向外面空曠而寬廣的世界中32。

這一組物理條件的制約，非常漂亮。從這種限制上去思考，它跟譜系發生學的研究方法不同，譜系發生學提供的答案很少，也很模糊；物理條件的限制，卻可以把演化可能出現的步驟，按照順序先後排列出來，從依賴天然質子梯度為始，到出現現代化細胞（橫跨不透膜，自己製造質子梯度）為終（見圖19）。此外，這樣的物理條件限制，還可以解釋細菌與古菌當初如何分歧。雖然這兩種細菌，都靠著「隔著細胞膜所產生的質子梯度」來生產ATP，但是這兩種不同域的細菌，它們的細胞膜，從根本上來說就完全不同；外加上其他許許多多特徵上面的不同，像是膜泵浦、細胞壁、DNA複製機制。下面我將一一解釋。

為什麼細菌跟古菌完全不同

這個故事講到現在，我來幫它做個總結吧。在上一章中，我們從能量的觀點來討論，早期地球上哪些環境，可能導致生命出現？我們慢慢排除各種可能，最後鎖定在鹼性熱液區，因為這裡可以穩定地供應碳元素跟能源，同時還有礦物質催化劑、以及天然的微小隔間。但是這些熱液有個問題：這裡的碳跟能量，是以 H2 跟 CO2 的形式流進來，而這兩種分子，本來並不容易發生反應。不過地質化學所造成的天然質子梯度、熱液噴發孔微孔隔間的半導性薄壁，都有助於讓分子橫跨原本的能量障壁，發生反應。反應會產生如硫代乙酸甲酯（功能上等同於乙醯輔酶A）之類的活化硫酯類分子，就可以在有質子梯度的環境中，驅動碳代謝跟能量代謝。這些代謝反應所形成的有機分子，會堆積在熱液噴發孔的小洞中。分子堆積在一起，有利於「脫水」反應進行，然後形成像是DNA、RNA以及蛋白質這樣的複雜聚合物。在這裡，有些細節被我刻意略過，像是遺傳密碼如何出現之類的問題；我只著重在觀念上的論證，說明根據理論，這樣的環境，可以製造出帶有基因跟蛋白質的原始細胞。這樣一群細胞，就成了完美的天擇作用目標。我認為，細菌跟古菌的最後一個共同祖先，也就是稱為「露卡」，應該就曾經住在鹼性熱液噴發孔的小孔中。它是這裡眾多簡單細胞群中的一員，依賴著天然質子梯度而活，後來被天擇篩選出來。天擇會讓複雜的蛋白質慢慢演化出來，像是核糖體、Ech 還有ATP合成酶等等。這些蛋白質，後來被保存下來，成為萬物共有的特徵。

原則上，露卡可以藉著天然的質子梯度，透過ATP合成酶與 Ech，來供應自身碳代謝與能量代謝所需要的一切東西。不過這樣一來，露卡需要有一層滲透性極高的細胞膜。它將無法演化出現代細菌跟古菌的細胞膜，因為那種完全不透的「現代化」細胞膜，將會摧毀露卡賴以為生的質子梯度。不過，後來出現了反向運輸蛋白，改善了這種情況。這個蛋白質可以將天然的質子梯度，轉換成生化的鈉離子梯度，這樣可以提供額外的能量，讓細菌可以在質子梯度低一點的地方生存。這樣一來，細菌就有辦法擴散，並在原本站不住腳的範圍內生存，也比較容易讓族群開始分化。一旦細菌可以拓展到比較廣的範圍生存，它們就甚至可以開始「感染」鄰近的熱液系統；而在古早的地球上，鹼性熱液噴發孔在海底的分布，應該要比今日廣泛得多，那時候許多地方都容易發生蛇紋岩化作用。

反向運輸蛋白，同時也有利於質子幫浦的發展。最終，我們要來討論一下一件奇怪的事，也就是關於產甲烷菌跟產乙酸菌，兩者為何有不同的乙醯輔酶A路徑。這樣的差異，暗示了主動幫浦，應該是反向運輸蛋白的幫助下，分別出現在兩群不同的細菌身上，而這兩群細菌，都是從共祖分化出來的。回想一下，產甲烷菌屬於古菌，產乙酸菌屬於細菌，這兩種細菌，分別代表了原核生物的兩大域，同時也是「生命樹」上最最古老的分支。細菌跟古菌有非常相似的DNA轉錄跟轉譯系統、相似的核糖體、相似的蛋白質合成系統等等。但是它們也有一些非常基本的不同處，包括細胞膜的成分。我還提過，它們的乙醯輔酶A反應路徑，雖然都是非常古老的反應路徑，但是在細節上面卻不一樣。這兩域細菌的相同與不同處，揭露了一些祕密。

產乙酸菌跟產甲烷菌一樣，都利用 H2 跟 CO2 發生的反應，去製造乙醯輔酶A，其反應步驟非常相似。這兩種細菌，都利用一種叫做電子分歧（electron bifurcation）的靈巧手法去推動質子泵浦。這手法最近才被德國優秀的微生物學家陶爾（Rudolf K. Thauer），跟他所帶領的團隊所發現；而這個現象，可以算得上是近幾十年來生物能量學領域中，最畫時代的突破了。這些隱晦的微生物，明明根據化學計量學的結果，是無法生長的，可是它們卻完全無視理論，持續產生能量並且大長特長。為何如此？數十年來學界始終一籌莫展。陶爾現在已經正式退休了，不過他的眾多發現，為這長年徒勞無功的解謎過程，畫下了一個句點。演化往往比我們所設想的還要精明。基本上，電子分歧可以看成一種「能源的短期租賃」過程，所依賴的是欠的債可以馬上償還。之前曾提過，H2 跟 CO2 的反應，整體來說是一種釋能反應（會放出能量）；但是這系列反應的前幾步，是需能反應（需要輸入能量）。電子分歧現象所促成的，其實只是把反應的後幾步，當 CO2 被還原時所釋放出來的能量，挪用到前幾步來而已33。既然最後幾步所釋放出來的能量，大於前幾步所需要的能量，多出的能量有一些會被用來製造質子梯度（見圖18）。整體來說，H2 跟 CO2 反應所產生的能量，是被用來將質子泵出細胞膜。

而關於這個反應最大的謎團，在於產甲烷菌跟產乙酸菌兩者體內，對於電子分歧的反應路徑，有著不同的「配線」（wiring）。雖然兩者都依賴類似的鐵－鎳－硫蛋白質，但是反應機制卻不一樣，而很多參與反應的蛋白質也不同。產乙酸菌跟產甲烷菌，都會把 CO2 跟 H2 反應所釋放出來的能量，轉換成隔著細胞膜的 Na+ 或是 H+ 梯度；兩者也都利用這個離子梯度，來驅動碳代謝跟能量代謝。不過雖然產乙酸菌跟產甲烷菌一樣，也有ATP合成酶跟 Ech；但是產乙酸菌卻不直接使用 Ech 去推動碳代謝。相反地，有些產乙酸菌，會把它當成 Na+ 或是 H+ 泵浦來使用。同時它們兩者碳代謝反應過程，也迥然不同。由於這些不同處實在太過基礎，以至於一些學者認為，搞不好兩種細菌反應的相似處，並不是來自於共同祖先，而是趨同演化、或是水平基因轉移的結果。

不過，關於這些相同處與不同處，如果考量到露卡確實是生活在「依賴天然質子梯度」的環境中，那就變得合理了。這樣一來，質子泵浦演化的關鍵就在於，質子原本是從哪一個方向流過 Ech 的：它是自然地從 Ech 流入細胞內，去進行固碳作用；或者反過來，由 Ech 扮演質子泵浦的角色，把質子打出細胞（見圖20）呢？我認為，在遠古的細胞體內，原本天然的質子流通過 Ech 時，是用來還原「鐵氧化還原蛋白」，如此才能還原 CO2。兩群細菌分家後，各自演化出質子泵浦。其中一群，也就是後來變成產乙酸菌的細菌，倒轉了 Ech 的方向，它們透過氧化「鐵氧化還原蛋白」所產生的能量，把質子運輸出細胞外面。這樣既簡單又有好處，但是卻馬上出現了問題：以前用來還原二氧化碳的鐵氧化還原蛋白，現在被用來幫助把質子運輸出細胞。所以產乙酸菌必須另闢蹊徑來還原二氧化碳，而且不能依賴鐵氧化還原蛋白。它們的祖先找到了解藥，那就是透過電子分歧這聰明的手段，讓它們可以間接地還原 CO2。整個產乙酸菌的生化反應，其實就是根基在一個簡單的前提下：當流經 Ech 的質子流方向反轉時，帶給產乙酸菌一個有用的質子泵浦，但同時也留給它一道難題去解決。

第二群細菌，也就是後來變成產甲烷菌的細菌，找到了另外一條路徑。它們維持著祖先的習慣，仍然用質子梯度來還原「鐵氧化還原蛋白」，然後用這個被還原的蛋白質去固碳。但是現在它們必須要從無中生有，來「創生出」一個質子泵浦。好吧，或許不是真的從無中生有，它們很可能只是改裝了現有的蛋白質。目前看來，它們似乎是改裝了某個反向運輸蛋白，讓它變成一台泵浦。基本上，這並不是太困難的事，但是有一個難題：哪裡來的電力，讓泵浦運作呢？為此，產甲烷菌發明了不一樣的電子分歧手法。它使用了一些跟產乙酸菌一樣的蛋白質，但是因為需求不同，連接的泵浦也不同，所以它用不同的方式連接。這兩域細菌的碳代謝與能量代謝反應，一般認為是根據流經 Ech 的質子方向，而發展出來的。因為流動方向不同，而有兩種選擇，結果產乙酸菌跟產甲烷菌，分別做了不同的決定（見圖20）。

一旦細菌發展出了主動泵浦，它們就有動機去改善細胞膜的品質了。從以前到目前為止的每一步，細菌都還沒有辦法從「現代化」的細胞膜中，獲得任何好處。要有現代化的細胞膜，必須把材料換成磷脂質（phospholipid），這很可能是有害的。但是當細菌有了反向運輸蛋白跟質子泵浦，把甘油分子加到原本細胞膜的脂質上，就開始有好處。在這件事上，這兩域的細菌，似乎是各自獨立演化的，所以古菌採用甘油的一種立體異構物，而細菌則採用了它的鏡像（見第二章）。

現在這些細菌都演化出了主動離子泵浦，同時也都有了現代化的細胞膜，它們已經可以離家出走，奔向寬廣的海洋了。因為細菌跟古菌，是從住在鹼性熱液區質子梯度中的共祖細胞，各自獨立演化出來的，所以後來它們發展出不同的細胞壁，來保護自身面對的新衝擊，並不足為奇。而它們各自「創生出」DNA複製系統，也就理所當然。在分裂的時候，細菌會把它們的DNA黏在細胞膜上，一個叫做「複製子」（replicon）的地方，這步驟可以確保分裂出來的子代細胞，都可以拿到一份DNA的拷貝。因此，把DNA黏在細胞膜上的分子機器，以及DNA複製時的許多細節，多多少少都會受到「如何黏上去」的影響。因為兩種細菌的細胞膜是獨立演化出來的，這就解釋為何它們的DNA複製過程如此不同。關於細胞壁也是一樣，它的零件一定要從細菌體內，透過細胞膜上特定的小孔送出來。因此，要如何合成細胞壁，要看細胞膜的特性如何，所以兩者的細胞壁「理應」不同。

現在，我們差不多接近尾聲了。雖然生物能量學，並沒有根據第一原理，去預測細菌跟古菌兩者在基礎上，應該會出現哪些不一樣；不過從能量的觀點去考量，確實可以解釋這些差異「如何」、以及「為什麼」會出現。原核生物的兩大域，彼此之間的差異，跟需不需要去適應高溫這種極端環境，一點關係也沒有；這純粹是那些為了產生能量，而必須維持滲漏細胞膜的細菌，後來分家的故事。細菌與古菌分歧的方式，或許無法根據第一原理去預測，但是關於這兩域細菌，都使用化學滲透機制（也就是在細胞膜兩側製造質子梯度）這件事，倒是遵守著前兩章所談到的各種物理原理。不論是在地球上，或是在宇宙中任何一個角落，最有可能孕育生命的場所，大概就是鹼性熱液了。這種熱液，迫使細菌使用天然的質子濃度梯度，最後迫使它們製造自己的質子梯度。在這樣的脈絡下，今日地球上所有的生物，都使用化學滲透機制，實在是理所當然。我認為宇宙中其他的生命，很可能也使用化學滲透機制。這意思也就是說，牠們可能面臨的問題，跟我們在地球上所面臨的問題一樣。在第三部分中，我們要來看看，為何這種靠質子發電的普世需求，讓複雜的生命注定十分罕見。

27　請見序論。所有細胞都有核糖體，它們是蛋白質製造工廠。這個巨大的分子複合物，有兩個次單元，一大一小。這兩個次單元，都是由蛋白質跟RNA所組成。渥易斯所分析的，就是「核糖體小次單元RNA」。一部分原因是因為，萃取這種RNA比較容易（任何一顆細胞裡面，都有好幾千個核糖體）；另一部分的原因則是，合成蛋白質，對細胞來說是非常基本而重要的功能，因此這個RNA保存地相當良好，即使在溫泉細菌跟人類之間，也只有很細微的差異。更換任何「建物」或者任何「學科」的基礎磐石，都絕非易事；基於同樣的理由，核糖體基因甚少在細菌之間被傳來傳去。

28　還記得細菌跟古菌，分屬於原核生物的兩大域嗎？它們雖然在外表與型態上面很相似，但是在生化反應跟遺傳上面，卻完全不一樣。

29　同樣的無機物質，至今仍然繼續使有機化學導致生命之崛起。在我們的線粒體裡面，在每條呼吸鏈中，仍然使用著十幾種大同小異的鐵硫簇（見圖8中的複合物I），也就是說，每個線粒體裡面至少有幾萬個。沒有這些鐵硫簇，呼吸作用無法進行，我們會在幾分鐘之內就窒息而亡。

30　因為 pH 的尺度是對數尺度，因此一個 pH 單位，就代表了質子的濃度差了十倍。在這麼小的空間，要維持這樣巨大的濃度差異，乍看之下似乎不可能，但是實際上卻是可行的，因為天然的熱液流過的孔洞，直徑只有數微米這麼大。在這種環境中的液體會分成好幾「層」（laminar），伴隨一些亂流以及混流。鹼性熱液噴泉孔的小孔尺寸，傾向同時形成層流跟亂流。

31　俄裔生物物理學家穆爾基德加尼安（Armen Mulkidjanian）卻認為，既然這些古早的酵素適合的工作環境，是低 Na+ / 高 K+，而最早出現的細胞膜，既然無法防止離子滲漏，那細胞誕生的環境，應該也是低 Na+ / 高 K+才對。而既然古早的海洋環境是高 Na+ / 低 K+，生命就不可能從海洋中演化出來。如果他是對的，那我就是錯的。穆爾基德加尼安認為，陸地表面的地熱系統，是低 Na+ / 高 K+ 的環境，才是適當的場所。但是這假設有其問題，比如他認為可以透過硫化鋅的光合作用，來驅動有機合成，但是目前任何一種已知的生命型態，都沒有使用這種反應。天擇真的無法在四十億年的時光中，慢慢調整蛋白質的功能到最佳嗎？或者我們應該要相信，古老的離子平衡狀態，對每個酶來說，就已經是最佳狀態了嗎？如果酶的功能，是可能慢慢地最佳化，那麼在細胞膜會滲漏的情況下，要如何達成呢？我想在天然的質子梯度中，使用反向運輸蛋白，是一個不錯的答案。

32　細心的讀者可能會問：那細胞為何不就直接運輸 Na+ 就好了呢？確實，在一層會漏的膜上面，運輸 Na+ 會比運輸 H+ 要好，但是隨著膜變得愈來愈不滲透，這樣的優勢就消失了。原因很深奧：細胞所能夠獲得的能量，跟隔著膜兩側的離子濃度差多少有關，跟離子的絕對濃度無關。因為海洋中的 Na+ 濃度非常高，如果要在細胞內外維持一個差異大到三個數量級的 Na+ 梯度的話，細胞必須要運輸出比 H+ 多非常多的 Na+ 才行；而當細胞膜變得對兩種離子都比較不滲透時，這樣做的意義並不大。很有趣的一件事情是，今日住在熱液區的產甲烷菌，經常是運輸 Na+ 的。一個可能的解釋是，高濃度的有機酸，比如像醋酸，會讓膜對於 H+ 的通透性變大，因此運輸 Na+ 變得比較有好處。

33　關於這個神祕的電子分歧現象，想知道多一點的讀者，我在這裡解釋一下：這其實是將兩個分開的反應連結在一起，所以比較簡單（釋能）的反應，可以去推動比較困難（需能）的反應。在 H2 裡面的兩顆電子，其中一顆會立刻跟「簡單」的目標物發生反應；這樣一來，另一顆電子，只好被迫完成比較困難的任務，也就是將 CO2 還原成有機分子。催化電子分歧反應的蛋白質機器裡面，帶有許多鐵－鎳－硫簇。在產甲烷菌體內，這些基本的礦物集團，會把來自 H2 的一對電子拆開，最後把其中一個送給 CO2，去合成有機物質；另一個則被送給硫原子，也就是那個，可以推動全部反應的「簡單」目標物。這些電子，最後會在甲烷（CH4）身上重逢，甲烷會被細菌丟出來當作垃圾，這些細菌也因此得名。換句話說，電子分歧的過程其實是一種極不穩定的循環。從 H2 身上離開的電子會分開一下下，但是最後又全部都被傳到 CO2 身上，把二氧化碳還原成甲烷，然後甲烷又馬上被拋棄。唯一不變的是 CO2 還原反應發生時，所釋放出來的能量，會被用來製造隔著細胞膜的 H+ 梯度（事實上，產甲烷菌所製造出來的，是 Na+ 梯度而非 H+ 梯度，不過其實 H+ 跟 Na+ 可以很輕易地被反向運輸蛋白換來換去）。結果就是，電子分歧，會將質子泵出細胞，重現原本鹼性溫泉所無限供應的環境。

第三部 複雜性

第五章 複雜細胞的誕生

在威爾斯（G. Orson Welles）的黑色電影《第三人》裡面，有一句著名的台詞：「在義大利，波吉亞家族（Borgias）三十年的統治下，他們充滿戰爭、恐懼、謀殺，跟各種流血事件；但是也誕生了米開朗基羅、有達文西，還有文藝復興。在瑞士，他們有手足之愛、有五百年的民主與和平，但是他們有什麼？就咕咕鐘而已。」有人說，這句台詞是威爾斯自己親手寫的。傳說瑞士政府為此，寄了一封憤怒的抗議信，信上說：「我們不生產咕咕鐘。」我對瑞士，或是對威爾斯，都沒有什麼成見。講這個故事只是因為，對我來說它十足地反映了演化。自從第一個複雜的真核細胞，在約莫十五到二十億年前誕生後，生命界域中也有了戰爭、恐懼、謀殺，跟各式各樣的流血事件：大自然是沾滿鮮血的獠牙跟利爪。而在此之前的亙古年代，我們有二十億年和平時光、有共生、有細菌之愛（可不只是單純的愛而已），但是這些無窮無盡的原核生物，又為我們帶來了什麼？絕對沒有什麼像咕咕鐘這種看起來又大又複雜的東西。從型態上面來看，不論細菌還是古菌，都難以跟真核生物相比，連單細胞的真核生物，都樂勝任何原核細胞。

這一點非常值得強調。原核生物的兩大域，不論是細菌域或是古菌域的生物，都有著令人歎為觀止的遺傳機制或是生化反應。它們的代謝反應，讓真核生物難以望其項背：一隻簡單細菌體內代謝反應的靈活性，就勝過整個真核生物域的所有生物了。但是基於某種未知的原因，不論是細菌還是古菌，在結構上，都沒有完全地達到如真核細胞一般的複雜程度。從體積來看，原核生物一般都比真核生物小了約一萬五千倍（除了某些例外以外，我們等一下會談到）。至於基因的大小，兩者，容或有些重疊。目前已知基因尺寸最大的細菌的DNA，有大約一千兩百萬對鹼基。如果跟人類比的話，我們有大概有三十億對鹼基；不過有些真核生物的基因尺寸，甚至可以大到超過一千億對鹼基。比較令人訝異的事情是，經過四十億年的演化，細菌跟古菌幾乎沒有什麼改變。在這四十億年的時光中，細菌生存的環境，已經發生了各式各樣的巨變。大氣與海洋中氧氣濃度的上升，改變了生存條件，細菌與古菌不為所動。全球化的冰河現象（雪球地球事件），必定曾經把整個生態系統推往崩潰的邊緣，但是細菌跟古菌仍然不為所動。寒武紀大爆發，為世界帶來了動物；對細菌來說，這就像是出現了新的牧場一般，亟待開發。從人類的眼光來看，我們總愛把細菌看成病原菌，但其實會致病的微生物，僅僅只是眾多原核生物的冰山一角而已。儘管如此，細菌仍然頑固地維持著細菌的外表。它們從來沒有變成像跳蚤這樣又大又複雜的東西。大概沒有什麼東西比細菌還要保守的吧？

在第一章中，關於這個現象，我說過最好的解釋，就是結構上的限制。真核生物在物理結構上，確實跟細菌與古菌有一些非常基本的差異。真核生物克服了這些限制，因此可以在型態上大變特變。廣義的來講，大概就是原核生物開始往代謝機制上面探索，然後它們發現了各種聰明絕頂的解決辦法，來面對各式各樣艱困的化學反應挑戰。相對的，真核生物則完全往另一個方向發展，它們棄化學多樣性於不顧，轉而往大尺寸與結構複雜度的各種可能性上面發展。

認為細菌受到結構的限制，其實不是什麼新點子。但是關於這些限制到底是什麼？學界卻沒有共識。過去有許多假設，從「發生失去細胞壁的慘劇」到「發明了線狀染色體」都曾被提出過。失去細胞壁當然是慘劇：一旦少了外面那層堅硬的框架，細胞很容易就會漲大爆裂。但是呢，穿上一層拘束服，卻也讓細胞無法隨意改變形狀，無法匍匐前進，無法用吞噬作用吃掉其他細胞。英國牛津大學的生物學家卡瓦里爾史密斯，一直都主張，演化出真核生物的關鍵新發現，就是某個細菌，曾經成功地拋棄了細胞壁，結果演化出吞噬作用。雖說要演化出吞噬作用，一定要拋棄細胞壁沒錯，但是有許多細菌丟掉了它們的細胞壁，卻什麼事也沒發生。比如像L型細菌（L-form bacteria）就沒有細胞壁，卻也活得自由自在，而且完全沒有想要變成吞噬細胞的樣子。此外還有一些古菌也沒有細胞壁，也沒有變成吞噬細胞。認為笨重的細胞壁就是那個限制，讓古菌跟細菌無法演化成更複雜的樣子，這樣的說法其實站不住腳。只要看看四周就知道，有太多反例。已經有許多細菌跟古菌，都沒有細胞壁，但是也沒有因此變得更複雜；還有很多真核生物都有細胞壁，特別是像植物跟真菌細胞（當然它們的細胞壁跟原核細胞的不同），而它們的複雜程度，還是遠遠超越了任何原核生物。有個很好的例子就是真核的藻類跟原核的藍綠菌：兩者都有類似的生存模式，也就是靠行光合作用維生；兩者也都有細胞壁；但是一般來說，藻類基因體的尺寸，比細菌大了好幾個數量級，同時被又大又複雜的細胞結構圍繞著。

線狀染色體也有類似的問題。原核細胞的染色體通常是環狀的，DNA複製時，會從一個特定的起點開始（就是複製子，replicon）。但是，DNA複製的過程，常常慢於細胞分裂；而沒有完整複製好DNA，細菌就不能分裂成兩個細胞。這也就是說，如果只有一個複製子的話，細菌染色體的尺寸就受到了限制，因為帶有比較小染色體的細菌，會分裂得比較快。如果細菌丟掉非必要的基因，它們就可以分裂的比較快。經年累月下來，帶有小尺寸染色體的細菌，就會成為流行趨勢，特別是當它們隨時可以透過水平基因轉移，撿回以前丟掉、但是現在想用的基因時，這種趨勢更明顯。相反地，真核生物通常都有好幾條棒狀（線狀）染色體，每個染色體上都有好幾個複製子。因此，在真核生物體內，DNA複製過程常常是好幾處同時進行，而在細菌體內，則必須一條從頭走到尾。但是，這個限制卻無法解釋，那為什麼原核細胞，不想辦法演化成好幾條直線染色體？事實上，有些細菌跟古菌確實有線狀染色體，在複製的時候也可以「同時進行」，但是儘管如此，它們卻沒有把自己的基因體，擴充到真核生物的大小。一定還有其他的原因阻止了它們。

基本上，任何企圖從結構的限制上面去解釋，「為何細菌無法繼續發展到跟真核生物一樣複雜」時，都會遭遇類似的問題：每一次有人宣稱發現了某個「規則」，就會遇到一堆例外。著名的演化生物學家梅納德史密斯（John Maynard Smith）常說：請容我無禮，但你的解釋根本行不通。

所以怎樣的解釋才行得通呢？我們剛剛也看過了，譜系發生學的研究，常常無法給我們一個簡單的答案。真核生物的共祖，已經是一顆很複雜的細胞了，它已經有棒狀的染色體、有被膜包住的細胞核、有線粒體、有許多專業化的「胞器」，及其他眾多膜狀構造、有機動性的細胞骨架，還有像有性生殖這種特徵。基本上，它看起來已經相當的「現代化」了。在細菌族群裡，完全找不到任何這種「像真核生物」的特徵。這是譜系發生學的「事件視界」（event horizon）（譯注：事件視界是一種天文物理現象，指在黑洞周圍有一圈界線，物體進入這個界線以後，就完全無法從外面觀察到了），也就是說這些真核生物的特徵，在追溯到真核生物共祖出現的那個時間點後，它們的演化軌跡就消失了。打個比方來說，這就好像我們想研究今日社會上各種新發明，是如何演變出來的，像是房子、衛生系統、道路、各行各業、農業、法院、軍隊、學校、政府……等族繁不及備載的系統，然後我們一直追溯到古羅馬時代，但是，在這之前，就只剩下原始的狩獵／採集部落社會。我們找不到古希臘、古中國、古埃及、古黎凡特、古波斯，或是任何一個古文明社會；所見之處，只有大量的狩獵／採集部落。這就是癥結所在。想想看，這就好像所有的專家，花了幾十年的時間，大量爬梳世界各地的考古資料，挖掘出最古老的城市或是文明遺跡。原本希望可以在其中找到一些「前羅馬」時代的遺跡，給我們一些暗示，去推測當初羅馬發展的過程。我們找到了幾百個這樣的線索，但是細看之後才發現，這每一個遺跡，其實都出現在羅馬時代之後。所有這些外表看起來極為原始的城市，事實上都是在「黑暗時代」所建造的。我們本想追尋它們的祖先，現在卻又回到古老的羅馬。結果，條條大路都通往羅馬，而羅馬確實是一天就造成的。

這故事聽起來很荒謬，但是這差不多就是現代生物學所面臨的窘境。在細菌跟真核生物之間，確實找不到處於中間型的「文明遺跡」。有一些看起來像是中間型的生物（在第一章中曾經提過的「古原蟲」），曾經一度輝煌，就像拜占庭帝國的空殼，在最後幾百年的時光內，仍在城牆之上閃閃發亮。我們該如何去理解當今的窘境呢？事實上，譜系發生學確實有提供一個線索，而這條線索，必然要避開單一基因的研究方法，只能透過「全基因體」（full genome）比較的現代研究法去揭露。

複雜性的奇想式起源

由單一基因去重建整個演化過程，會遇到一個瓶頸。就算是用一個被高度良好保存、萬物通用的基因，像核糖體RNA這樣的基因，仍無法倖免。那就是根據定義，從單一基因出發，一定會畫出一棵分枝的樹。理論上在同一個有機體身上，一個基因不可能有兩種不同的歷史，也就是說，這個基因不可能是嵌合的34。在譜系發生學的美好世界中，根據每一個基因，都應該畫出一棵類似的樹，它們都應該帶有相似的歷史。但是，深遠的演化歷史卻告訴我們，完全不是這麼一回事。所以使用傳統的研究方法，最後只會陷在少數具有相似歷史的基因中（最多幾十個吧），然後宣稱只有根據它們，畫出來的才是「真正的親緣關係樹」。如果事實就是如此，那麼真核生物將會非常接近古菌，這正是標準的「教科書版」生命樹型（見圖15）。它們唯一的爭論點是，真核生物跟古菌，到底有多像？因為根據不同的基因、不同的研究方法，會得到不同的結果，但是長久以來大家仍一致宣稱，真核生物是古菌的「姐妹」群。在上課堂上的時候，我也喜歡展示這一棵樹。樹枝的長度，代表著遺傳距離。從樹上可以看出，細菌域跟古菌域的生物，跟真核生物一樣，基因都已經有了極大的變異跟分化。但是，從古菌到真核生物之間，有一段長長的空白枝幹，這之間發生了什麼事呢？這棵樹並沒有給我們任何暗示。

但是如果從整個基因體的角度來看，我們就會看到完全不一樣的模式。真核生物有非常非常多基因，在細菌跟古菌身上都找不到相等物。這些基因，就是所謂的真核生物「識別」基因（“signature” genes）。隨著研究方法愈來愈有威力，愈來愈精準，這樣的基因的比例也隨之減少。用標準的研究法，科學家發現，大約有多達三分之一的真核生物基因，可以在原核生物體內找到相等物。這些基因，必定來自兩者的共祖，我們稱這些基因是「同源的」（homologous）。有趣的地方就在這裡：在一個真核生物體內，並非所有的同源基因，都來自同樣的祖先。大約有四分之三的同源基因，看起來是來自細菌；剩下的四分之一，看起來是來自古菌。人類基因並不是唯一有這種情形的特例，酵母菌的情況也差不多，果蠅也是，海膽、蘇鐵也都是。從基因體的角度來看，似乎所有的真核生物，都是嵌合體怪物。

這個現象本身並沒有什麼可爭論的。但是它代表的意義，卻備受爭議。舉個例子來說，這些真核生物「識別」基因，跟原核生物的基因，在序列上完全沒有相似性。為什麼呢？有人認為，這是因為它們實在太古老了，老到從生命誕生之初就出現了，或許我們可以稱之為「古老的真核假說」（venerable eukaryote hypothesis）。或許這些基因從那時候開始，就從共祖基因分歧開來，而經過了這麼久的時間後，任何一絲絲的相似性，都早消失殆盡在時間之霧中。如果情形真是如此，那麼真核生物必定在後來，比如說獲得線粒體時，才又取得一堆原核的基因，所以兩者才會有相似的基因。

這個古意盎然的假設，對於那些崇敬真核生物的研究者來說，一直都讓他們感動萬分。其實，在科學研究裡面，感情跟個人特質所占的分量，意外的重。有些研究人員，天生就喜歡突如其來的巨變這類想法，有些研究人員則特別強調漸進式的改變。就像一個老笑話所嘲諷的，這是「奴才演化論」對上「笨蛋演化論」。但是其實演化是兩者兼具的。在剛剛真核生物的例子裡，這關乎人類中心論的尊嚴：我們都是真核生物，要說我們自己是新來乍到的基因雜種狗，實在有損人類的尊嚴。有些科學家就喜歡主張，真核生物來自生命樹最底層的分支，就我看來，這種堅持，純粹是個人情感使然。我們很難證明這個假設是錯的，但是，如果它是真的，那為什麼隔了這麼久，真核生物才「一飛沖天」，變成又大又複雜？這至少遲了二十五億年呢！為什麼我們在化石中可以看到許多原核生物的痕跡，卻找不到任何真核生物的蛛絲馬跡？而且，既然真核生物在獲得線粒體以前，曾經活得這麼成功又這麼久，那為何這些早期的真核生物，卻都沒有存活下來？之前我們已經解釋過了，它們不可能因為競爭失敗而滅絕，因為許多古原蟲活得好好的（請見第一章）；這可以證明，即使是型態簡單的真核生物，也可以跟簡單的細菌與複雜的真核生物，並存好幾億年。

另外一個解釋則是，所謂的真核生物識別基因，不過是因為它們演化的速度，比其他基因要快得多，因此在序列上，失去了跟祖先基因的相似性。為什麼它們會演化的如此之快呢？這很可能是因為，它們後來所執行的任務，跟原本在原核生物祖先體內不一樣。對我來說，這個解釋合理多了。我們知道真核生物有許多所謂的「基因家族」，同一家族中，有許多自我複製的基因，每個都專門執行著不同的任務。既然真核生物需要去探索一個原核生物不得其門而入（但不知道為何）的複雜世界；那麼它們的基因，為了要適應全新的工作而開始演化，結果失去了跟原核細胞基因的相似性，也就不足為奇了。根據這個假設，這些基因其實還是來自細菌或古菌體內某些祖先基因，只是為了要適應新工作，完全拋棄了過往歷史。稍晚一點我會回頭來證明這一點。現在只要先記住，所謂的真核生物「識別」基因，並不否認真核生物本質上是一種嵌合體，也就是說，是原核生物透過某種融合而出現。

那麼，關於那些，可以在原核生物體內找到相等物的同源基因呢？為什麼它們一部分來自細菌，一部分來自古菌呢？顯然，這現象跟嵌合體起源假設，完全一致。真正的問題在於來源的數量。以所謂「來自細菌」的基因為例好了，根據譜系發生學的先鋒，麥金納尼的研究顯示，真核生物體內的細菌基因，來自許許多多不同群的細菌。若把它們畫在親緣關係樹上，會發現不同的基因，來自不同的細菌分支。因為α變形菌（α-proteobacteria）被公認是線粒體的祖先，因此原本大家以為，這些細菌基因都會來自現代α變形菌。但是事實並非如此。相反地，至少有二十五群不同的現代細菌，都曾經提供基因給真核生物。古菌也貢獻很多，不過比細菌要少一些。比較令人好奇的是，所有細菌跟古菌的基因，一如馬丁的研究顯示（見圖21），在真核生物的生命樹上，都是一同演化分出一樣的支幹。很明顯地，真核生物應該是在演化早期，就獲得它們，所以從那時候開始，這些基因就有了共同的歷史。這現象也排除了在真核生物的演化途中，持續性水平基因轉移的影響。看起來，在真核生物起源之時，發生了一件奇怪的事：第一個真核生物，

似乎一下子就從原核生物那裡，拿了好幾千個基因，然後就停止跟原核細胞之間的任何基因交流活動。關於這張圖，最簡單的解釋，不是細菌式的水平基因轉移，而是真核細胞式的內共生作用。

說到這個，內共生作用確實可能發生過好幾次，就如序列內共生理論所預測的那樣。但是，若要說曾經有二十五種不同的細菌，以及七到八種不同的古菌，全部都在演化早期參與了僅僅一場爆滿的內共生作用派對，像一次細菌間的愛情狂歡節一樣，然後在其餘的真核生物史中，卻又什麼事都沒發生，實在讓人難以置信。可是如果不是這樣，那又要如何來解釋這種現象呢？其實有一個很簡單的解釋，就是「水平基因轉移」。我這可不是在自相矛盾。在真核生物誕生之初，可能曾經發生過一次內共生作用，然後在往後的時光裡，細菌跟真核生物之間，就不再有什麼基因交換了；但是與此同時，在各群細菌之間，卻不斷地有水平基因轉移。為何真核生物的基因，會跟多達二十五群細菌的基因一起演化？有一種可能，那就是真核生物在最早的時候，從某一群細菌中一次取得了大量的基因。而這群細菌，在往後的時光中，開始慢慢分化成二十五群細菌。假設今天我們從這二十五群細菌中，每群都隨機拿走一些基因，然後放入其中一群細菌體內。假設這群細菌，後來會成為線粒體的祖先，然後它們生活在十五億年以前。這群細菌跟今日所有的細菌都不一樣，不過既然水平基因轉移的盛行率如此之高，那會發生什麼事呢？這群細菌的其中一些，可能會被其他細菌攫獲，進入內共生作用；剩下的呢，還是自由自在的生活，跟今日的細菌一樣，在十五億年的時光中，透過水平基因轉移，四處散播它們的基因。這樣一來，一部分最原始的祖先基因，就會四散在好幾群現代細菌中。

同樣的現象也發生在宿主細胞身上。假設我們從七到八群可能變成真核生物的古菌身上，拿走一些基因，然後把它們放到某一群十五億年前的古菌中。接著，這群細菌中的某些成員，攫獲了內共生者（最後就變成了線粒體）；而其他的，則繼續過著古菌原本的生活，四處透過水平基因轉移，散布基因。上面描述的情節，只不過是透過反向工程（reverse engineering），不過就是基於一些我們已知的事實，所推論出的假設：水平基因轉移，在細菌跟古菌之間非常常見，在真核生物之間則相對少見。此外，它也假設，一個原核生物（一隻古菌，而根據定義，它無法進行吞噬作用），可以透過某種機制，吞掉另一隻細菌，來進行內共生作用。晚一點我們再回來談這件事。

這也是所有真核生物起源故事中，最可能而最簡單的一種說法。這是真核生物起源於一個古菌宿主、跟一個細菌內共生者之間的故事。當然，我並不指望你們現在就相信它；我只是說，這個故事，一如許多其他的故事一樣，跟許多真核生物的譜系發生學研究結果，非常吻合。我個人比較傾向這個假說的原因，是因為它符合奧坎簡化論的原則（它是所有解釋裡面最簡單的）。同時，在英國新堡的演化生物學家恩布利（T. Martin Embley）跟他的團隊，也提出了更有利的譜系發生學證據，證明真核生物確實如此而來（見圖22）。不過真核生物的種系發生研究裡面，仍有許多矛盾的現象，還有沒有其他的證據呢？我覺得有。如果說，真核生物是透過兩個原核生物（一個細菌跟一個古菌），彼此發生內共生作用而出現，然後其中一個後來變成線粒體，那麼我們就可以從另外一個比較概念上的角度，來探索它的起源問題。為什麼當一個細菌進入另一個細菌體內，會造成這個原核生物外形上徹頭徹尾的改變，然後將它的真核生物潛力，完全釋放出來呢？有什麼好的解釋嗎？有的！有一個很恰當的解釋，那是跟能量有關。

為什麼細菌還是細菌

回答這個問題的關鍵，在於細菌（不管細菌還是古菌）都是靠化學滲透維生的。在上一章我們已經解釋了，史上第一個細菌，如何可以在熱液噴發孔的岩石薄壁中誕生；而那裡天然的質子梯度，又如何可以驅動這些細菌的碳代謝與能量代謝；還有，這種對質子梯度的依賴性，如何可以迫使細菌跟古菌徹底分家。從這些觀點出發去探討，確實可以解釋化學滲透耦合如何出現；但是它們沒有解釋，為何這機制就這樣永遠地留在所有細菌、古菌跟真核生物身上。難道沒有任何一群生物，不小心丟掉化學滲透耦合？或是用其他更好的方法，取代這個機制嗎？

確實有些生物做到了。比如說酵母菌，還有一些細菌，它們大部分的時間都在發酵。發酵作用可以直接產生ATP，不過縱然速度比較快，對原料的使用卻不是很有效率。單純的發酵作用，很快地就會把環境汙染殆盡，結果讓自己無法生長。發酵作用所產生的廢物，像是酒精跟乳酸鹽，會被其他的細菌利用。使用化學滲透機制的細菌，可以把這些廢物拿去跟氧氣，或是硝酸鹽之類的化合物燃燒，然後產生更大的能量，這讓細菌可以活得很久很久。如果有其他細菌可以把廢棄物燒掉的話，那發酵作用還滿好用的，但是它自身的局限性卻很大35。很多證據顯示，發酵作用是在演化後期才出現的，如果從熱力學限制的角度來看，這非常合理。

比較令人訝異的應該是，發酵作用是目前唯一已知不同於化學滲透耦合的產能方式。各種形式的光合作用也好、呼吸作用也好，不管任何一種形式的自營作用，只要是利用簡單的無機分子讓細胞生長的，都完完全全地依賴化學滲透作用。在第二章中我們已經解釋過，這是有原因的。最重要的是，化學滲透耦合非常靈活，配件隨插即用，它允許各式各樣的電子供應者，加入這套公用的作業系統；只要小小的改裝，就可以適應各種不同環境。而且，配件的基因，可以利用水平基因轉移來散布，安裝到其他相容的系統中，就像應用程式一樣。因此，化學滲透耦合讓生物的代謝反應，可以隨時適應任何一種環境。難怪它會獨霸於世。

這還不是全部的好處。化學滲透耦合可以從任何環境中，壓榨出最後一滴能量。以產甲烷菌為例，它們利用 H2 跟 CO2，去驅動碳代謝跟能量代謝。之前我們提過，H2 跟 CO2 本身並不容易發生反應，在一開始你必須注入一些能量，去打破那道能量障壁；產甲烷菌很巧妙地利用了電子分歧作用，來迫使它們反應。這反應能產生多少能量？我想先講一下興登堡號飛船事件。興登堡號是一艘德國的飛船，裡面灌滿了氫氣，在橫跨大西洋之後，發生了一場意外。飛船像一顆燃燒彈一樣的爆炸，從此也讓氫氣蒙上汙名。但是 H2 跟 O2 放在一起時，若是沒有火花這類額外的能量，它們其實非常穩定，根本不會反應。可是只要一點小火花，它們會馬上釋放出巨大的能量。而在 H2 跟 CO2 的例子裡，情況是反過來的。要讓它們反應，需要的火花相對比較大，反應釋放出來的能量卻少得多。

但是對細胞來說，如果這個反應釋放出來的可用能量，沒有大於當初注入能量的兩倍以上，就沒有用。這是細胞必須面對的尷尬限制。為什麼呢？還記得以前在學校練習平衡化學反應式嗎？你必須讓兩個完整的分子反應，而不可以用半個分子跟另外四分之三個分子反應。對細胞來說，讓 H2 跟 CO2 反應，就像是用掉一個ATP分子，卻只能生產少於兩個ATP分子。但是，因為沒有一．五個ATP分子這種東西，ATP分子要嘛是一個，要嘛是兩個。所以，如果細胞花掉一個ATP分子，最後只能獲得一個ATP分子，那一點賺頭也沒有。根據普通化學，要用 H2 跟 CO2 之間的反應去生長，是不可能的。這不只對 H2 跟 CO2 來說是如此，對所有的「氧化還原偶」（所謂的「偶」（couples），就是一個電子供應者配上一個接受者）來說，比如甲烷或是硫酸鹽，也是如此。但是，細胞卻完全無視這種化學定律的限制，仍然可以生長得好好的。它們可以生長，是因為隔著細胞膜的質子「梯度」，形成了一條漸進的階梯。化學滲透耦合漂亮的地方就在於，它完全超越了化學。它讓細胞可以把「零錢」存起來。假設要十個質子才能夠合成一個ATP分子，而某個化學反應一次只夠做出四個質子，那也沒有關係，這個反應只要重複三次，就可以製造出十二個質子，其中十個就可以用來合成ATP分子。這個機制不只對某些呼吸作用來說，絕對必要；對所有的生物包括我們來說，都有極大的好處，因為它讓細胞從此可以把微小的能量存起來。沒有這個作用，這些微小的能量，只能變成熱量浪費掉。如此，質子梯度永遠比平凡無奇的化學占盡優勢，兩者差之毫釐，威力卻差之千里。

化學滲透耦合在熱力學上所占的優勢，足以解釋為何這套機制，可以歷時四十億年而不衰。不過質子梯度在其他方面，也融入了細胞的功能。一種機制一旦歷久不衰，它就有可能變成另一套毫不相干機制的基礎。因此，質子梯度，也被廣泛使用在細胞各種功能上，像是營養攝取、排泄廢物；它也被用來推動細菌的螺旋槳，也就是讓細菌可以跑來跑去的鞭毛系統；它也被褐色脂肪細胞小心翼翼排出，用來產生熱量。最有趣的是，這套系統一旦崩解，會引發細菌族群突然的「計畫性死亡」。這是因為基本上，當細菌被病毒感染的時候，它幾乎注定活不下去。但是它如果可以死得夠快，可以在病毒自我複製以前就死亡的話，那它附近的親族（周圍帶有一樣基因的細菌），就有存活的機會。因此，指揮細菌自殺的基因，會普遍散布在整個族群中。但是，這些基因必須作用得夠快才有用，而刺穿細胞膜，正是最快的幾種機制之一。因此，許多細菌就採用這套方法：一旦被感染了，它們就會在自己的細胞膜上打洞。這樣一來，質子驅動力就會瓦解，也會啟動沉睡中的死亡機器。質子梯度，因此成為感應細菌健康與否的最後一道感應器，也是生與死的裁判。在本章後面我們會看到，這個功能牽連甚廣。

總而言之，這套化學滲透耦合機制，之所以會變得極為普遍，絕非偶然。它的起源，很可能與生命的起源息息相關，也與細胞如何從鹼性溫泉噴口處誕生有關（迄今，這是最有可能孕育生命的機器）。因此，幾乎所有的細胞，都使用這套系統，也就理所當然。這套系統乍看之下，或許十分詭異，但是實際上，這僅僅只是表面上看起來反直覺而已。根據我們的分析，化學滲透耦合不只是在地球上，也應是宇宙中萬物共有的生命特徵。這意思也就是說，其他星球上的生命，也會面臨著與地球上的細菌和古菌一樣的問題，所有的問題都來自「原核生物必須把質子泵過一層細胞膜」這件事。這機制其實並沒有真的阻止原核生物什麼事，但是它確實限制了某些可能性。我認為，那些被排除的可能性，正好就是我們看不到的部分，被排除的，剛好就是變成帶有大尺寸基因體、型態複雜的原核生物的可能性。

這問題，其實跟每一個基因能分配到的能量有關。我自己曾經跌跌撞撞地思索著這個概念好幾年了，不過在與馬丁的一番唇槍舌劍後，才算真正開始研究它。在經過好幾個禮拜的對談與交換意見之後，我們忽然明瞭，演化出真核生物最重要的關鍵，其實在於「每個基因所能分配到的能量多寡」這樣簡單的原則。因為很興奮，所以我馬上在一個信封背面（結果後來一直增多變成很多信封），開始起草計算。我花了一個禮拜的時間，最後算出的答案，讓我們兩人都大吃一驚，從各種文獻資料開始，最後算出了一個數字，也就是將原核生物與真核生物兩者區分開來的能量差距。根據我們的計算，真核生物每個基因能夠分配到的能量，是原核生物的二十萬倍之多。二十萬倍的能量差距呢！最終，原來這兩者之間，隔了一道鴻溝；這個巨大的差距很清楚地解釋了，為何細菌跟古菌永遠也不可能演化成複雜如真核生物。同理，我們多半也不會遇見一位由細菌所組成的外星人。想像一下如果我們身處於能量構成的地景世界，山峰部分代表高能量，溝壑代表低能量。細菌全部都擠在最低的溝壑裡，這些溝壑是如此之深，以至於四周的山壁對它們來說，都高聳如天，不可攀爬。難怪原核生物只能留在那裡，永世不得翻身。讓我好好解釋一下。

每個基因可以分配到的能量

一般來說，科學家在做比較分析時，會去比較類似的事物。如果是談到能量的話，比較公平的辦法，是去比較平均每一公克物質的能量。我們可以去比較一公克重的細菌，跟一公克的真核細胞的代謝速率（用氧氣的消耗速率來代表）。我想，如果說，細菌通常呼吸得比單細胞真核生物還要快，應該不會太讓你驚訝吧？它們通常快了三倍左右。這結果平淡無奇，大部分的科學家就會停在這裡，然後去比較像是蘋果跟水梨之類比較有挑戰性的生物。但是我們則繼續研究下去。如果我們去比較單一細胞的代謝速率，結果會怎樣呢？這樣的比較，看起來好像很不公平。我們選了五十種細菌，跟二十種單細胞真核生物，這些真核生物平均體積，大概是細菌的一萬五千倍大36。既然它們的呼吸速率只有細菌的三分之一，那真核生物每秒大概會比細菌多消耗掉五千倍的氧氣。這數據只是反映出，真核細胞的體積比細菌大得多，同時也有比較多DNA。但是即使如此，真核細胞還是比細菌多製造了五千倍的能量，它們都用到哪裡去了？

這些能量，直接用在DNA身上的並不多；單細胞生物，大概只用了百分之二的能量預算，去複製DNA。相反地，根據傑出的英國微生物能量學家哈洛德（Franklin M. Harold）的研究（雖然我們並不總是同意彼此，但哈洛德仍是我心目中的英雄），細胞大概把百分之八十的能量，用在合成蛋白質上面。主要的原因當然是因為蛋白質是細胞最主要的組成成分。脫水後的細菌，大概有一半的重量是蛋白質。製造蛋白質所費不貲。蛋白質就是長鏈的胺基酸，一個蛋白質通常有好幾百個胺基酸，透過所謂的「肽鍵」連起來。每合成一個肽鍵，細胞就要花掉至少五個ATP分子，這是把DNA分子連起來所需能量的五倍！通常，每一個蛋白質，細胞都要製作好幾千份拷貝，才足以應付日常生活所需的耗損。所以大致上來說，細胞所消耗的能量，幾乎都是用來製造蛋白質。每一個蛋白質，都由一個基因負責。假設細胞所有的基因，都用來轉譯蛋白質（事實上通常也是如此，差別只在每個基因的表現量不同），那麼基因體愈大的生物，合成蛋白質所需的能量也就愈多。因為核糖體是製造蛋白質的小工廠，所以核糖體的數量，跟合成蛋白質所需的花費，就有直接的關係；因此，也可以透過計算核糖體的數量，來估算能量消耗。像大腸菌這樣的細菌，平均起來大概有一萬三千個核糖體，而一顆肝臟細胞則至少有一千三百萬個核糖體，兩者之間的差距大概從一千到一萬倍之多。

平均起來，細菌大概有五千個基因，而像池塘中隨處可見草履蟲類（Paramecium）的大型原蟲，這樣的真核生物，大概有兩萬到四萬個基因（比人類的基因數還多了兩倍之多）。平均起來，真核生物的每個基因，可以分配到比原核生物多了一千兩百倍的能量。假設我們把細菌的基因（五千個）「校正」到跟真核生物一樣多（兩萬個），但是製造的能量不變的話，那麼細菌的每個基因所能分配到的能量，平均起來就比真核生物少了五千倍。換句話說，真核生物能夠負擔的基因體，比細菌大了五千倍之多；或者呢，真核生物可以花比細菌多五千倍的ATP分子，去表現每個基因，比如說製造更多的蛋白質拷貝；或者比較常見的其實是：兩者皆是。

你也許會說：「這很重要嗎？」真核生物細胞，比細菌體積大了一萬五千倍，它總要用些什麼，把這麼大的體積塞滿吧？所以它大部分就用了蛋白質。因此，要比較它們，還要把體積也校正成一樣才公平吧？好吧，就讓我們的細菌體積也增大好了，現在來算算它們能分給每個基因多少能量。你或許會想，比較大的細菌，可以製造比較多ATP分子，確實沒錯；但是比較大的體積，也要合成比較多蛋白質，所以也會消耗較多的ATP分子。結果如何，端視這些參數如何消長。根據我們計算的結果，細菌要變大，會付出慘痛的代價：尺寸確實有差，而對細菌來說，愈大未必愈好。巨大的細菌所能分配給每個基因的能量，比起同體積的真核生物細胞來說，少了二十萬倍。讓我來告訴你為什麼。

細菌體積放大之後，馬上會面臨的窘局，就是表面積與體積比的問題。真核生物細胞的平均尺寸，比細菌大了一萬五千倍。為了簡單起見，先假設細胞都是球形的好了。要把細菌漲大到細胞的尺寸，它的半徑會增為二十五倍，表面積則會增為原本的六百二十五倍37。這件事之所以重要，是因為ATP必須在細胞膜附近合成。簡單地來說，ATP分子會多合成六百二十五倍，跟表面積的增加成正比。

但是合成ATP需要蛋白質：我們需要可以把質子泵過細胞膜的呼吸鏈蛋白，也需要ATP合成酶這種分子渦輪機：它可以被質子流推動，來合成ATP分子。如果細胞的表面積增加了六百二十五倍，那即使所有的呼吸鏈分子跟ATP合成酶，也隨著等比例增加，並且均勻分布在各處（所以每單位面積仍有一樣多的蛋白質），那ATP分子的合成，也只能增加六百二十五倍。這些計算都沒錯，但是想一想就知道，這只有百害而無一利。所有這些額外的蛋白質，都需要先被製造出來，然後再被插入細胞膜中。要製造它們，就要有足夠的核糖體以及各種輔助工具，而這些東西，也要先製造出來才行。胺基酸必須伴隨著RNA，被運到核糖體去，不消說，你要先把這些材料生產出來才行；喔，還要先有能處理它們的基因跟蛋白質。為了要讓這些額外的工作順利進行，更多的養分必須從膜外被運進來，這也需要特殊的運輸蛋白。與此同時，我們也要合成新的細胞膜才行，這就需要能合成脂質的酶了。以此類推。這一切暴增的生產需求，不可能光靠一個基因體就足以應付。你想想看，這個小小的基因體，坐在細胞中間，負責生產比原來多六百二十五倍的核糖體、蛋白質、RNA，還有脂質，還要負責把它們運過漲大後的細胞空間，僅僅是為了讓ATP能跟以前一樣，用相同的速率，每個單位生產一樣多的分子？想也知道這辦不到。這就像是一座城市的面積增大六百二十五倍，有了新的學校、新的醫院、商店、遊樂場、垃圾處理場，諸如此類；地方政府一定無法用原來的預算，去運作這一切設施，是一樣的道理。

從細菌生長的速度之快，以及它們把基因體極簡化之後所能享有的好處來看，細菌基因體所能負擔的蛋白質合成任務，應該已經被壓榨到極限了。要讓整體蛋白質的生產量，增加六百二十五倍，合理的推斷，細菌至少需要六百二十五份一模一樣的基因體，而且每個基因體必須運作得跟原來的一樣好。

這樣聽起來好像很誇張，但是其實一點也不。等一下我們再回來討論這一點。現在，讓我們想一想關於能量花費的事。我們多了六百二十五倍的ATP分子，卻也多了六百二十五份基因體，而每個基因體要消耗一樣多的能量。暫且不管細胞裡面，那些複雜的運輸系統，因為那要好幾代的時間，跟花費好多能量，才可能演化出來。每一份基因體，可以管理一部分細胞質跟細胞膜，區域跟原本細菌大小相仿。或許，討論細菌體積增大最好的方式，不是將一個細菌體積漲大，而是將它看成六百二十五個一模一樣的細菌融合在一起。這樣一來很明顯地，對每個細菌來說，基因體能獲得的能量，就跟原來一模一樣。因此，增加表面積，在能量上一點好處也沒有。漲大後的細菌，跟真核生物細胞比起來，仍然屈居下風。還記得前面講過，真核生物每個基因，都比基因數量校正後的「標準」細菌，可以獲得多五千倍的能量嗎？如果讓細菌的表面積，增為原本的六百二十五倍，但是卻沒有增加每個基因可獲得的能量，那麼它們還是比真核生物少了五千倍的能量。

更糟的是，我們是藉著讓能量的生產跟消耗，都增為六百二十五倍，才讓這顆細菌的表面積增為六百二十五倍，那麼裡面的空間呢？它裡面的空間現在可是增為一萬五千倍了呢！我們讓這顆細菌像一顆巨大的泡泡一樣漲起來，但是在還沒有決定，要在裡面放入什麼代謝活動，到目前為止，裡面的能量需求都是零。但是這種前提，只有當這個泡泡裡面，塞滿了毫無代謝活動的液泡時，才會成立。但這樣一來，這顆巨大的細菌，就無法跟真核細胞相提並論；因為真核細胞不只是體積大了一萬五千倍，它裡面還擠滿了各種複雜的生化機器。這些生化機器，大部分是由蛋白質所組成，把這些蛋白質也納入考慮的話，它們也都要消耗能量。因此如果體積增為一萬五千倍的話，基因體多半也要增為這麼多倍。但是ATP的合成已經無法再等比例增加了，因為ATP一定要在貼近膜旁邊才能合成，而我們剛剛已經考慮過這點了。所以讓細菌漲到跟真核生物一樣大小，雖然讓ATP合成增為六百二十五倍，但是卻讓能量需求增為一萬五千倍。每一個基因所能分配到的能量，結果反而掉了二十五倍。把這個數字，乘上剛剛說的，每個基因有五千倍的差距（在讓細菌基因數，變得跟真核生物有一樣多之後），就是十二萬五千倍。也就是說當細菌的基因體跟體積，都跟真核生物一樣大之後，每個基因能分配到的能量，只有真核生物的十二萬五千分之一。這還只是在談平均的真核生物，大型的真核生物像是變形蟲，將會比漲大後的細菌，多分配二十萬倍的能量給每個基因。二十萬倍這個數字就是這樣計算出來的。

你也許會說，這只不過是在玩數字遊戲，並沒有實質的意義吧？確實，這也是我所擔心的事情：這些數字，看起來真的很誇張。但是，這些根據計算得來的數字，至少可以讓我們做一些假設。首先，巨大的細菌必須要把自己的基因體，至少複製好幾千份。這個假設很容易驗證。世上確實有一些巨大的細菌，不多，但還是有。其中有兩個屬，已經被研究得很透徹了。刺骨魚菌（Epulopiscium）是一種厭氧細菌，目前只在刺尾鯛（surgeonfish）的後腸裡面找到過。它長得像一艘細胞戰艦一樣，狹長而流線的身軀，大概有半公釐這麼長，肉眼可見。這比大部分的真核生物細胞，包括草履蟲都還要長（見圖23）。我們還不知道，為何刺骨魚菌會長到這樣大。另一種細菌叫做嗜硫珠菌（Thiomargarita），它的尺寸又更大了。它們是直徑約一公釐的球菌，體內大部分都是巨大的液泡。一顆嗜硫珠菌，可以長到跟果蠅的頭差不多大呢！嗜硫珠菌住在海水中，它們喜歡上升海流帶來間歇性的硝酸鹽，嗜硫珠菌會利用硝酸鹽當作呼吸鏈的電子接受者，並把它們存在體內的液泡中。有時候數天甚至數個星期，都沒有硝酸鹽時，它們就使用自己體內的庫存。不過這不是重點，重點是，刺骨魚菌跟嗜硫珠菌，都是「極度多倍體」（extreme polyploidy），也就是說，它們的基因體都有好多好多份拷貝。刺骨魚菌有二十萬份基因體拷貝，嗜硫珠菌的體內雖然大部分都是液泡，但也有個一萬八千份基因體。

霎時，剛剛隨口說的一萬五千份基因體，變得沒那麼誇張了。這些基因體不只在數量上符合前面的假設，它們分布的方式也符合。這兩種細菌的基因體，都很靠近細胞膜，分布在細胞膜內壁附近（見圖23）。細菌的中心，則幾乎沒有什麼代謝活動。嗜硫珠菌的中心是大液泡，刺骨魚菌的中心，則是產生子代細菌的產卵場。細菌體內沒有代謝活動這件事，代表的正是，它們不用花費能量去合成蛋白質，因此在這裡也不需要有基因體。理論上，它們分配給每個基因的能量，應該跟普通的細菌一樣：這些多出來的基因體，每一個都分配到一部分生物能量膜；應該剛好可以生產這些多出的基因體所需要的能量。

事實似乎確實也是如此。我們非常小心地測量了這些細菌的代謝速率，而我們也知道這些細菌的基因體拷貝數目，因此我們可以去計算每個基因所需要的能量。結果不出所料，這個數字跟大腸菌的，非常接近，都在同一個數量級裡。在巨大的細菌體內，不管成本跟獲利如何增加，從能量上看來，沒有增加什麼好處。這些細菌比起真核生物來說，每一個基因還是少了五千倍的能量（見圖24）。注意在圖中算出的數字，並不是二十萬倍的差距，這是因為這些巨大的細菌，只有在細胞膜旁邊增加基因體而已，細菌中間部分（inner volume）並沒有什麼東西。在細菌中間部分，幾乎沒有任何代謝活動，而這樣會嚴重影響細菌分裂的能力。或許這是為什麼，這種巨大的細菌很少見。

細菌跟古菌，很滿足它們目前的狀態。當小體積的細菌帶著小尺寸的基因體時，它們並不缺乏能量。只有當我們試著把它們漲大到真核細胞的尺寸時，問題才會出現。把細菌漲大，並不會讓它們開始擁有跟真核生物相仿的大型基因體，以及能量代謝模式；相反地，它們能分配給每個基因的能量會大幅降低。這個差距非常巨大。因此，細菌無法擴充它們的基因體，沒有辦法累積出一個，帶著幾千個新功能的基因家族，這些都是真核生物才能幹的事。因此，大的細菌並不會演化出一個巨大的核心基因體，它只能複製出數千個原本的小基因體。

真核生物如何逃出藩籬？

那麼為何同樣尺度的問題，並沒有辦法阻止真核生物往複雜之路前進呢？差別就在線粒體。還記得嗎？真核生物一開始，應該是由一個古菌宿主，跟一個細菌內共生者，所組成的基因嵌合體。我曾說過，譜系發生學上的證據，跟這個版本的故事非常吻合，但是這樣並不足以證明這個故事是真的。在細菌身上所看到嚴峻的能量限制，倒是一個非常強力的證據，說明了嵌合式的起源，是複雜生物誕生的條件之一。我認為，只有原核生物彼此之間的內共生作用，才可能打破細菌跟古菌身上的能量枷鎖。而原核生物之間的內共生作用，本身又是演化上極為罕見的事件。

細菌，是一個可以獨立運作自我複製的個體，也就是所謂的細胞。但是基因體不是。巨大的細菌所會面臨的問題就是，要成為巨人，它們必須複製自己的基因體好幾千次。每一個基因體都必須完美複製，或至少接近完美才行；但是複製完之後，基因體本身是什麼事也不會做的。蛋白質可以在基因上工作，用它們來轉錄或是轉譯；細胞本身也可以藉著蛋白質跟各種代謝反應，自我分裂；但是基因體本身則是完全的無活性的，什麼事不做，就像電腦硬碟一樣，本身無法自我備分。

差別在哪裡呢？這個意思就是說，細菌體內所有的基因體，從這個角度來看，其實是一模一樣的拷貝。這些基因體彼此之間差異，對天擇作用來說毫無差別，因為它們本身並不是會自我複製的個體。同一個細菌體內的眾多基因體，若有什麼變異，在數代之後就會跟雜音一樣，消失不見。但是如果是細菌之間彼此競爭的話，會怎樣呢？如果有一族細菌，碰巧可以複製得比別人快兩倍，那麼它的數量就會以指數遞增，每一代都會讓自己的優勢增加一倍。不消幾代之後，這一族細菌就會成為整群裡面最大的一支。當然，這麼巨大的生長優勢，其實並不常見，不過因為細菌生長的速率實在很快，即使只在生長速度上面稍占優勢，在幾代之後，對整個族群所造成的影響也不容小覷。對細菌而言，一天就增益有七十代之多。若以人類的生命來比喻，同一天的黎明，就已經久遠到像耶穌誕生之日般了。如果從基因體上面刪掉一些DNA，也可以贏到一點生長上面的優勢，比如說把一個目前不用的基因剔除。不管這個基因日後會不會需要，至少現在先丟掉的話，就可以複製得快一些；在幾天之內，這個細菌就會成為族群裡面的多數。保有無用基因的細菌，則會漸漸地被淘汰。

假設環境改變了，剛剛那個暫時無用的基因，現在變得有用了，而缺少它的細菌，會變得再也無法生長；除非它們有辦法透過水平基因轉移，再拿回這個基因。這樣的情況不斷輪迴，這種不斷丟掉又拾回基因的把戲，決定了誰可以主宰細菌族群。隨著時間過去，所有的基因體大小，都會慢慢趨向一個「最小可用尺寸」；而對單一細菌來說，它仍可以隨意從一個大得多的「原基因體」（metagenome，也就是自己細菌種群，以及鄰居種群，所有的基因體總和）裡面獲得基因。一隻大腸菌大概有四千個基因，但是全部大腸菌的原基因體，大概有一萬八千個基因。依賴這個原基因體，當然有其風險：萬一拿回來的不是想要的基因、或是拿到一個突變的基因、或是拿到一個基因寄生蟲怎麼辦？不過從長遠的眼光來看，這套系統還是成功了。天擇最後會剔除了比較不適合的個體，而幸運的贏家則全拿。

現在，想想細菌體內的內共生者種群好了。上面講到的汰選原則也大致適用於此，因為畢竟它們還是一群細菌，只不過是比較小群的細菌，然後住在比較局限的範圍內。丟棄無用基因的細菌，跟以前一樣，會生長得快一些，漸漸成為主流。最大的差異在於環境的穩定性。外界的環境時時在變動，但是細菌體內的細胞質，卻是個很穩定的環境。當然要進入這裡或許不容易，要生存恐怕也非易事；然而一旦有細菌立足了，它就有了源源不絕的養分供應。在外面自由生活的細菌，靠的是永無止境的得／失基因，在細菌體內生存的細菌，則會漸漸走向拋棄大部分基因、讓基因體極簡化的生活方式。在這裡，不需要的基因，就永遠都不需要了，細菌可以永遠丟掉它們，然後基因體會變得非常小。

前面說過，因為原核生物無法用吞噬作用，吃掉其他的細菌，所以它們的內共生作用很罕見。但是我們也確知，有些現成的例子在眼前（見圖25），所以很明顯的，這現象在沒有吞噬作用的情況下，誠然罕見，卻也並非不可能。有一些真菌，也有內共生者，但它們也跟細菌一樣，幾乎稱不上會什麼吞噬作用。不過會行吞噬作用的真核生物，通常都有內共生者，至少我們已經知道好幾百個這樣的例子了38。這些細菌最後都走向一樣的命運，就是丟掉自己的基因。在細菌的世界裡，最小的基因體，通當都顯現於那些內共生者身上。比如說讓拿破崙大軍受盡折磨的斑疹傷寒病原，立克次體（Rickettsia），它的基因體大小只有一百萬對鹼基，大概只有大腸菌的四分之一而已。另外一種細菌 Candidatus，它的內共生宿主，是一種在植物身上跳來跳去的木蝨；它有目前已知細菌中最小的基因體，大概只有二十萬對鹼基，比某些植物的線粒體基因體還要小。雖然我們不知道，原核生物體內的內共生者，基因是不是也都丟失了，但是它們的情況，沒有理由跟真核生物體內的不一樣。畢竟，線粒體以前就是住在古菌體內的內共生者，不是嗎？

「基因的丟失」會造成很大的不同。丟掉的基因對於內共生者來說，有很多好處；它們可以複製地比較快，還可以節省ATP分子。讓我們用想像力來做個簡單的實驗看看。假設有一隻宿主細菌，體內有一百個內共生者，每一個內共生細菌，一開始都是正常的細菌，之後才開始丟失基因。假設每隻細菌，一開始有四千個基因好了，這是普通細菌的基因數。如果它們先丟掉兩百個負責細胞壁的基因（百分之五），因為對於內共生細菌來說，這些基因以後也用不到了。這兩百個基因，都可以轉譯出蛋白質，所以會消耗能量。如果不去製造這些蛋白質，可以節省多少能量呢？細菌的蛋白質，平均有兩百五十個胺基酸；然後每個蛋白質，都會做兩千份左右。每一個肽鍵（把胺基酸連起來的化學鍵）要花掉大概五個ATP分子。這樣一來，一百個內共生細菌的兩百個蛋白質的兩千份拷貝，就要花掉五百億個ATP分子。假設這個宿主細菌大概每二十四小時分裂一次，而每個生命周期都要製造這些蛋白質，那每秒要花五十八萬個ATP分子，才有辦法應付。相反的，如果不需要去合成這些蛋白質的話，這麼多ATP分子也就可以省下來了。

當然，細菌也沒有什麼特別的理由，一定要把這些ATP分子省下來（其實還是有一些可能的理由，我們等一下再回來談），不過就讓我們先來看看，如果細菌把這些能量花在其他地方，會有什麼不同？在真核生物跟原核生物之間，有一個相對簡單的差異，就是「機動性的內部骨架」。這些細胞骨架可以自由重組，改變形狀，讓細胞可以自由移動，同時也負責在細胞裡面運輸物質。細胞骨架的主成分之一，叫做肌動蛋白（actin），那每秒花五十八萬個ATP分子，可以做出多少條肌動蛋白呢？肌動蛋白是一條由許多單體（monomer）連接成的長鏈，兩條這樣的長鏈，再互相纏繞而成一條纖維。每一個單體，都有三百七十四個胺基酸，一微米長的肌動蛋白纖維，就是由兩條各含二十九個單體的長鏈絞成。如果要花一樣的ATP分子去連接肽鍵，那一微米長的肌動蛋白纖維，要花十三萬一千個ATP分子。所以，原則上用五十八萬個ATP，我們每秒可以做出四．五微米長的肌動蛋白。如果你對這個數字沒什麼概念的話，那麼請記住，平均來講，一隻細菌的長度大概只有幾個微米而已39。所以透過內共生作用造成的基因丟失，所累積下來的能量（只要丟掉百分之五的基因即可），就可以讓機動性細胞骨架，輕易地演化出來，事實上它確實也演化出來了。另外，一百個內共生者，其實還算是非常保守的估計。有些大型的變形蟲，體內可以有多達三十萬個線粒體呢。

而它們還可以丟掉遠多於百分之五的基因。線粒體幾乎把自己的基因都給丟光了。我們跟大部分動物的線粒體，都只能做出十三個蛋白質而已。如果線粒體來自跟現代α變形菌很像的細菌的話，那它們原本應該也有約四千個基因左右。經過漫長的演化，它們丟掉了百分之九十九的基因。根據我們上面的計算，如果一百個內共生者，都丟掉百分之九十九的基因的話，那細胞在它二十四小時的生命周期中，可以省下一萬億個ATP分子呢！或者約每秒一千兩百萬個分子。但是其實線粒體並不節能，它們會生產ATP分子。線粒體跟它們獨立生活的祖先一樣，都會製造ATP分子，同時又可以大量減少一般細菌生活所需的經常性開支。其實，真核生物細胞，可以說是擁有大量的細菌能量，同時又節省了製造細菌蛋白質所需的能量。或者也可以說，它們把這些能量移作他用。

線粒體丟掉了大部分基因，其中一部分則被轉移到細胞核裡（關於這一點，下一章會講的比較詳細）。這些基因有一部分，一直做著一樣的工作，生產一樣的蛋白質，因此並沒有節省什麼能量。但是也有許多基因，不管對宿主還是對內共生者來說，都已經完全不需要了。它們到了細胞核裡，就像是基因界的冒險者，會任意改變功能，直到被天擇的選擇力量限制住為止。這些多餘的、延長的DNA，其實就是真核生物用來演化的遺傳材料。有些基因會衍生出一整個基因家族，各自處理獨特而專門的工作。我們現在知道，最早的真核生物，比起細菌來說，多了大概三千多個新的基因家族。線粒體把基因丟掉，可以讓細胞核在不增加能量消耗的情況下，就獲得許多新的基因。原則上，如果帶有一百個內共生者的細胞，每個細菌都丟掉兩百個基因（百分之五的基因），那麼這個宿主，就可能在細胞核裡累積兩萬個新基因，這數量已經是人類基因體的數字了呢！這些新基因，都可以馬上執行新的工作，而且不需增加能量支出。擁有線粒體的好處，讓人瞠目結舌。

這裡還有兩個彼此息息相關的問題。上面的論述，完全是基於原核細胞表面積跟體積比值，而推論出來的。但是有一些細菌，像是藍綠菌，會內化自己的生物能量膜，把細胞膜向內摺疊成複雜的「巴洛克花紋」，這樣可以大大地增加這個膜的面積。為何細菌無法藉著將膜「內在化」，逃離化學滲透耦合上的限制呢？第二個問題則是，既然丟掉基因是如此地重要，那為何線粒體不乾脆丟掉全部的基因體？這樣不是能將基因丟失所帶來的好處，發揮得淋漓盡致嗎？這兩個問題的答案，碰巧清楚地解釋了，為何細菌在過往四十億年間，一直被卡在細菌的位置上。

線粒體：通往複雜化之路的關鍵

為何線粒體始終要保有一小撮基因？原因並不容易闡明。在真核生物演化的早期過程中，線粒體已經把好幾百個、可以編碼出蛋白質的基因，送到細胞核裡了。這些蛋白質，現在都先在細胞質裡生產，之後才運到線粒體裡面。但是，仍然有一小撮跟呼吸鏈蛋白質有關的基因，一直都保存在線粒體裡面。為什麼呢？經典教科書《細胞分子生物學》裡面說：「我們想不出有什麼不得不然的理由，讓線粒體跟葉綠體的蛋白質，一定要在它們裡面生產，而不能在細胞質中生產。」不論是在二○○八年、二○○二年、一九九二年或是一九八三年版本的書，都講同一句話，讓人實在好奇，作者群這幾年來真的有認真思考過這個問題嗎？

從真核生物的起源的立場來看這個問題，我認為有兩種可能的答案：一種是「無關緊要的」，一種是「必須的」。當我說「無關緊要」的時候，並不是說「無足輕重」的意思。我只是說，在生物物理上面，並沒有什麼不可改變的原因，讓這些基因非要留在線粒體裡不可。它們沒有搬家到細胞核裡，並非因為不能搬家，純粹只是因為從以前到現在，它們還沒搬就是了。「無關緊要」的說法，是這樣解釋為何基因留在線粒體裡面：它們本來可以搬家的，但是在機率跟天擇篩選力量的平衡下，就留下來了。可能影響的因素有：蛋白質大小、疏水性等等特性，或是遺傳密碼上面有少許改變。根據這個假設，原則上所有留下來的基因，其實都可以搬到細胞核裡，不過可能要先稍稍改變一下它們的序列，然後就能夠完美運作。現在有一些學者，正在積極地研究，如何把這些基因送到細胞核裡面去；他們認為，這樣做有可能阻止細胞老化（在第七章會談的詳細一點）。這是一個充滿挑戰性的問題，不過不是我們口語中「無關緊要」所代表的意義，而是這些學者認為這些基因，沒有非留在線粒體裡不可的理由，所以可以搬走。而他們認為把基因搬到細胞核裡，有很大的好處。我祝他們最終有著好運！

但是我並不同意他們的看法。相對於此另外一種偏向「必然的」假設認為，線粒體之所以保留這些基因，就是因為需要這些基因：沒有這些基因，就沒有線粒體。這個原因是不可改變的，這些基因不能被送到細胞核裡，連「原則上來說」都不可以。為什麼呢？我認為英國的生化學家艾倫（John Allen），同時也是位共事很久的同事，提供了一個很好的答案。我傾向相信艾倫的答案，並不是因為他是朋友；恰恰相反，我是因為相信他的答案之後，我們才變成朋友的。艾倫永遠有源源不絕的想法，而且勇於提出諸多有原創性的假設。其中許多他正在驗證，還有一些假設，我們已經爭論了好多年。關於線粒體的問題，他有一些很強的證據，說明線粒體（葉綠體也一樣，基於同樣的原因）必須要保留這些基因，因為這樣才能夠控制化學滲透耦合。他的假設認為，將剩餘的基因送進細胞核的話，不管你怎樣巧妙的更動這些基因，讓它們適應新居，細胞都免不了一死。這些線粒體基因，一定留守在生物能量膜、也就是它們的工作崗位旁邊才行。有人說，這有一個政治學術語，叫做「青銅控制」40。在戰爭中，黃金控制就是中央政府，負責制訂長遠的戰略目標；白銀控制就是軍隊的指揮階層，負責分配人力跟火力的調度；但是戰爭的輸贏，決定在戰場上，也就是掌握在銅級控制的命令下；他們就是那些真正與敵人正面交鋒、勇敢的男人或女人。他們做出戰術上的決定，激勵手下的軍隊，同時也是會被我們永遠記住的偉大士兵。線粒體基因就屬於銅級控制，是陣地中的決策者。

為什麼會需要有這樣的控制呢？在第二章中，我們曾經談過質子驅動力的威力。線粒體內膜的兩側，有大約一百五十到兩百毫伏特的電壓差距，而這層膜只有五奈米厚。我們提過，用同樣的電場強度來換算的話，這等於每公尺有三千萬伏特的電壓，跟一道閃電的威力一樣。如果這樣的電力失控的話，它會好好的「對付」你的！會出現的問題，可不只有ATP無法合成而已，雖然這個問題也夠嚴重了。如果呼吸鏈沒有辦法好好地把電子傳遞給氧氣（或其他任何電子接受者），會造成電子短路，也就是說電子會逃跑，直接跟去氧氣或氮氣分子反應，結果形成所謂的「自由基」。「ATP數量減少」「生物能量膜去極化」還有「釋出自由基」這三件事，是啟動「計畫性細胞死亡」最常見的原因。這種死亡現象我們之前提過，在單細胞的細菌界裡，也非常常見。基本上，線粒體基因，可以視需要即時反應，在局部變化釀成災難以前，把膜電壓調整在一定的範圍裡面。根據這類假設，如果線粒體基因被移到細胞核裡的話，那麼當氧氣壓力改變、反應受質缺乏，或是自由基外洩時，線粒體都將無法立刻反應，去調整膜電壓，細胞就會死亡。

我們必須持續呼吸才能維持生命運作，也才能精細地控制橫膈膜、胸腔跟咽喉的肌肉。線粒體也是利用自己的基因，精細地調整呼吸鏈，確保供給永遠可以配合需求。應該沒有其他更重要的原因，可以解釋為何所有生物，都需要保有一部分線粒體基因。

不過這個「必然的」假設，真正的意義，並不是基因要留在線粒體裡。真正的重點是，這些基因必須位於生物能量膜附近，不論這張膜在什麼地方。所有會呼吸的真核生物，它們的線粒體，都毫無例外地保留了一小撮基因，這現象相當令人驚訝。有少數細胞，丟掉了全部的線粒體基因，但也同時失去了呼吸能力。比如說氫化酶跟殘留紡錘體（它們是在古原蟲體內所找到，由線粒體特化而來的胞器），一般都沒有保留任何基因，同時也失去了化學滲透耦合的能力。反過來說，之前所提到的巨大細菌，一直也還都在生物能量膜的旁邊，保有一份基因（其實應該說整套基因體）。對我來說最有說服力的例子，莫過於藍綠菌了，因為它的細胞膜，會向內延伸如波浪狀。如果說這些基因，對於控制呼吸作用來說是必要的，那麼就算藍綠菌體積相對較小，還是應該要跟大細菌一樣，複製好幾份基因體，放在膜旁邊才對吧？而它們真的有這樣做。比較複雜的藍綠菌，常常都複製了好幾百份完整的基因體。這麼多的基因體，也限制了藍綠菌每個基因所能分配到的能量。所以最後跟大細菌一樣，因為必須累積好多小型的細菌基因體，結果就是，無法讓基因體擴充到跟真核生物一樣大。

以上這些，就是為何細菌無法長到跟真核生物細胞一樣大的原因。光靠讓生物能量膜內在化，或是漲大體積，都行不通。它們還必須把一些基因，配置在膜旁邊才行，而在沒有內共生作用的情況下，現實的因素讓它們只好配置整套基因體。從每個基因所能分配的能量來看，除非可以獲得內共生作用的支持，否則變大並沒有任何好處。當有內共生作用時，它們才可能丟掉基因，縮小線粒體的基因體尺寸，用多出的能量，把細胞核基因體擴充好幾個數量級，直到真核生物的尺寸。

或許你會想到另一個可能性：利用細菌的質體（plasmids）。這種短小的半獨立環狀DNA，可以攜帶一小撮基因。為何細菌不把負責呼吸鏈的基因，放在一個大一點的質體裡面，然後在生物能量膜旁邊配置許多這種質體呢？雖然在邏輯上，這樣做有相當程度的困難，但是原則上可行嗎？我覺得不可能。對於原核生物自身來說，變大或是生產過剩的ATP分子，都沒有好處。事實上，小細菌並不缺ATP，它們有足以過活的ATP。稍微變大一點，然後生產多一點ATP分子並沒有什麼好處。能夠維持小體積以及足夠的ATP分子，還比較有用，這樣還可以複製地快一點。變大後的另一個缺點，就是細菌開始需要補給線來支援遠端。大型的細胞，必須要能把貨物運輸到細胞四處，這正是真核生物每天都在做的事。但是這樣的運輸系統，不會在一夜之間演化出來。它需要很多很多代的時間，而在這段時間內，細菌必須要能夠享受到變大的其他好處才行。所以，質體沒有辦法解決問題。這樣的想法是本末倒置。對細菌來說，面對如何分配資源的問題，最簡單的解決辦法，就是「避而不談」，也就是乾脆複製整套基因體，讓每一套基因體去負責細胞質裡面一個「細菌單位」的空間，這就是大型細菌的策略。

那麼，真核生物是如何突破體積的藩籬，演化出複雜的運輸系統呢？巨大的真核生物細胞帶有眾多線粒體，每個線粒體都有質體大小的基因體，跟巨大的細菌帶有眾多質體，分散下去控制呼吸鏈，這兩者差異到底在哪裡？答案在於，真核生物的出現，其實跟製造ATP一點關係也沒有，這是馬丁跟謬勒，在談到真核生物如何出現的假設時，所持的看法。他們認為，宿主細胞跟內共生者之間的共生關係，在於彼此交換生長所需的物質，而不只是能量而已。他們的「氫氣假說」指出，第一個內共生者提供給宿主（產甲烷菌）的，是生長所需的氫氣。我們可以暫且忽略細節。這個假說的重點在於，沒有內共生者提供這些受質（在這個例子裡，是氫氣）的話，宿主細胞是無法存活的。內共生者可以提供所有生長所需的反應受質。體內有愈多內共生者，就可以獲得愈多的受質，宿主就可以生長得愈快，當然，內共生者也蒙受其利。在這樣的系統中，細胞愈大愈有好處，因為它們可以裝更多的內共生細菌，也就有更多的燃料。當它們為內共生者發展出運輸網路之後，又可以再更上一層樓。這才是把本（能量）置於末（運輸系統）之前。

當內共生者開始拋棄基因時，它們對ATP分子的需求也隨著降低。這會產生一個尷尬的現象。細胞透過呼吸作用，利用ADP分子來生產ATP分子。而當ATP裂解回ADP時，會釋放出能量供細胞利用。如果細胞不消耗ATP分子的話，那當所有的ADP都被轉換成ATP分子後，呼吸作用就會停止。在這種情況下，呼吸鏈也會開始累積電子，就變成高度還原態（我們在第七章會討論的比較詳細）。這樣一來它們會直接跟氧氣發生反應，釋放出自由基，傷害周圍的蛋白質跟DNA，甚至啟動自殺程序。這時候，有一個叫做「ADP–ATP 運輸蛋白」的關鍵酵素出現了，它原本的作用，是把內共生者製造的ATP，流出來給宿主細胞利用，剛好也可以用來解決內共生者的困境。藉著把ATP分子運出來，交換把ADP分子運進內共生者，宿主細胞就可以控制內共生者的自由基外洩，同時也讓細胞免於受損甚至死亡。這也可以解釋，為何對宿主細菌跟內共生細菌而言，去執行建造機動細胞骨骼這種需要大量「燃燒」ATP分子的揮霍計畫，其實對兩者都有利41。這裡的重點是，在內共生關係裡面，每一步都對彼此有好處，這不像是幫細菌加裝質體，讓細菌變大或是提供更多的ATP分子，對細菌本身來說，這些並沒有任何好處。

真核生物的出現是一個奇妙的單一演化事件，在地球四十億年的演化時光中，只出現了一次。這條極為獨特的演化之路，如果從基因跟資訊的角度來切入，會完全無法理解。但是如果從能量跟細胞的物理結構限制的角度來看，則一切都變得有意義多了。我們已經解釋過，鹼性熱液噴發孔的環境，如何可以創造出化學滲透耦合機制，以及為何它會從古至今，一直跟著所有的細菌跟古菌。我也說明了，化學滲透耦合，能為原核生物帶來無限的可能跟適應性。在其他星球上，當生命從一些岩石、水跟二氧化碳開始出現之時，也應該會受到同樣參數的影響。現在我們也看到了，即使天擇作用篩選了數不盡的細菌，經過了數不盡的時間，卻仍然無法讓它們變成更複雜的細胞，除非透過罕見而嵌合式的內共生作用，否則無法變成真核生物細胞。

通往複雜的生命，並沒有什麼注定而不變的演化之路。宇宙跟我們想的不一樣。複雜的生命當然有可能出現於其他星球上，但是這絕非常見的事；基於同樣的原因，它在地球上也只發生了一次。要解釋這件事，可以分成兩部分。第一部分很簡單，那就是原核生物之間的內共生現象，十分罕見（但我們確實在今日的細菌身上，看過少數例子，因此我們知道它會發生）。第二部分則比較難解釋，而且相當吻合哲學家沙特所謂「他人即是地獄」（譯注：沙特是存在主義論者，這句話主要用來表達，影響一個人最大的問題，就是他人的存在與選擇這樣的概念）。親密的內共生關係，或許解開了細菌的束縛，但是在下一章中，我們要解釋一下，這樣一個新的共存體，也就是真核生物，如何歷經千辛萬苦而誕生，以及為何這事件如此罕見，而它們又為何全部都有難解的特徵，也就是性與死亡。

34　其實還是有可能，因為一個基因，還是有可能是由兩個背景歷史不同的片段所接合出來；只不過一般來說，這很少發生。同時，利用譜系發生學，去追尋單一基因的歷史時，這種研究法通常不會去建立出有矛盾的歷史。

35　移除發酵作用產生的廢物，最快而且最可靠的辦法，就是用呼吸作用燒掉它們。這樣子，終極產物就會是 CO2，可以輕易地釋放到大氣裡，或是變成碳酸鹽形成在岩石中。因此，發酵作用幾乎完全依賴呼吸作用才行得通。

36　要做這種比較的話，必須要知道每一種單細胞生物的代謝速率、細胞大小還有基因體尺寸才行。或許你會覺得，要做這種比較，二十種真核生物跟五十種細菌未免也太少了，不過想一想，要從這些生物中獲得上述全部資訊，並不容易。有的時候是我們已經知道生物的代謝速率，但是對它們的基因體尺寸跟細胞大小，卻一無所知；有時候則是反過來。儘管數量不多，但是我們所計算出來的數字，仍有十足的可靠性。如果你對詳細的計算過程有興趣的話，請見後面延伸閱讀裡的參考資料（Lane and Martin, 2010）。

37　球類體積的變化，會隨著半徑的立方而變；但是表面積卻隨半徑的平方而變。因此當球類的半徑增加時，體積會增加得比表面積快得多。對細菌來說會有的問題就是，表面積比起體積的比值就會變小。改變形狀可以稍微改善這個問題，因此許多細菌都是桿狀，這讓它們的表面積比起體積，可以有較大的比值。但是像我們這樣，把體積增大這麼多數量級，改變形狀能改善的程度非常有限。

38　因為原核細胞並無法行吞噬作用，有一些學者常常據此主張，最早的宿主必定是某種「原始的吞噬細胞」而不是「原核生物」。但是這種推理，有兩個問題。第一個就是，它必然是錯的：我們已經知道少數原核生物，也有內共生者的例子。第二個問題則是，縱然內共生者的現象，在真核生物的世界中十分常見，但是它們卻甚少變成像線粒體這樣的胞器。儘管曾有幾萬甚至幾百萬次的機會，但目前我們所知唯一的例子，就只有線粒體跟葉綠體而已。真核生物的出現，是一次單一事件。在第一章我們曾說過，一個好的解釋，必須闡明為何這事件只出現過一次：它必須要有足以讓人相信的說服力，但說服力又不能太超過，以至於讓我們開始懷疑，既然如此，那為何這事件沒有出現過好多次呢？內共生作用在原核生物之間雖然罕見，但是卻沒有罕見到，只要出現一次就注定可以變成真核生物。在原核生物之間發生的內共生作用，雖然會在能量上帶來巨大的好處，但是卻也會為細胞的生命周期帶來嚴重的問題（下一章我們將會討論），加在一起，就可以解釋為何這次內共生作用會如此奇特。

39　為了讓你對這個數字再多了解一點，請記住：一般來說，動物細胞每分鐘可以做出一到十五微米長的肌動蛋白纖維；而有些有孔蟲甚至可以快到每秒十二微米長。不過當然這速率，是組合現成的單體，而不是從合成新的單體分子開始。

40　這是前任國防部長里德（John Reid）告訴我的詞彙，他在讀過我寫的《生命的躍升》之後，邀我去上議院喝下午茶。我認為線粒體在面對貪婪的宿主細胞時，採取分權管理的策略，竟然和軍事上面的管理概念不謀而合。

41　有一個叫做ATP「外溢」或是能量外溢的手段，用來解釋細菌如何燃燒ATP分子，這是一個非常精準的詞彙，也是個很好的先例。有些細菌會消耗掉將近三分之二的ATP分子，透過細胞膜來進行毫無意義的離子循環，或是其他同樣無用的動作。為什麼呢？一個可能的解釋是，這是用來維持ATP與ADP分子平衡的手段，只有這樣才能夠控制膜電壓跟自由基外洩。這個例子非常清楚地解釋了，細菌其實有足夠的ATP分子用來揮霍，它們並沒有能量匱乏的問題，只有當漲大到真核細胞尺寸大小時，能量與基因的比值才會出現問題。

第六章 性，與死亡的起源

「大自然不容真空」，亞里斯多德如是說。兩千年後，牛頓回應了他這句話。他們兩個人都很關心，到底是什麼物質填滿了太空呢？牛頓認為，那是一種叫做以太（aether）的神祕物質。這個物理學觀念，在進入二十世紀後，在聲名狼藉中崩解。相反地，空虛恐懼（horror vacui）這樣的觀念，卻仍在生態學上大鳴大放。有一個古老的童謠，滿貼切地描述了「占滿所有生態區位」這樣的感覺：「大跳蚤背上有小跳蚤咬著，小跳蚤背上有更小的跳蚤咬著，一直這樣下去。」每一個可占據的生態區位，都被占據；每一種生物，都優雅地適應自己的環境。每個植物、動物、細菌，同時既是住民，也是別人的住所；對於各式各樣的跳躍基因、病毒跟寄生蟲而言，這是充滿機會的野生叢林；更不用說，對於大型掠食者來說也是。

但其實不是，那只是看起來像而已；這些無所不在無縫接軌的生物，只是表面的假象而已；在它們的中心，有一個黑洞。現在我們應該要來面對這個生物學中，最大的悖論。為何地球上所有的生物，只能被區分成型態簡單的原核生物，以及有眾多共同特徵的真核生物兩種。這些共同特徵，在原核生物身上，完全找不到。在這兩群生物之間，是一條鴻溝、空無一物，是一片真空。大自然應該要厭惡這片真空的。所有的真核生物，幾乎都擁有一切型態上的特徵，而細菌呢，從外形上來看，什麼都沒有。《聖經》裡面有句話，非常貼切的形容了這樣的現象：「凡有的，還要給他，還要加給他必有餘。」

上一章中我們說到，在兩個原核生物之間發生的內共生作用，打破了永無止境的簡單構造。對於細菌來說，要能在另外一個細菌體內存活，不只一代，而且還是世世代代，絕非易事。但是我們確實也有發現實際的例子，可以證明這種現象即便罕見，也不是不可能。但是，一個細菌住在另一個細菌體內，只是個開始。它只是生命誕生歷史中的懷孕期而已。我們還必須從這裡，找到通往真正複雜細胞的演化之路，也就是還要誕生出一個帶有「所有真核生物特徵」的複雜細胞。我們必須從一個一無所有的細菌開始，直到一個完整、有細胞核、有眾多內膜以及細胞隔間、有機動的細胞骨架，還演化出有性生殖這種複雜行為的細胞為止。真核生物的最後共祖，就有這一切；但是在起點的細菌，除了有一個住在體內的細菌外，什麼都沒有。在這兩者之間沒有任何中間型，所以沒有人可以告訴我們，是如何，以及為什麼這些複雜真核生物特徵會演化出來。

有人會說，內共生作用造成真核生物出現，這過程不符合達爾文式演化，因為達爾文主張「略有差異，代代相傳」的漸變式序列；但是這過程卻是，突然跳入一個未知的環境中，然後創生出一隻「期望的怪獸」。就某方面來說，這種說法並沒有錯。之前我曾說過，即使天擇作用在無數的原核生物身上，經過了無盡的時間，也無法變成複雜的真核生物，除非透過內共生作用才可能。這種事件，沒有辦法用傳統的樹狀圖來表達。內共生作用是反向的樹狀圖，它的樹枝不分叉，卻反而合併。但是內共生作用也是一個單一特例，它出現在演化無法創造出細胞核、無法創造任何真核生物結構特徵的情況下。它所做的，只是觸發一系列事件，而這一系列事件的發展，其實都遵循著達爾文式演化理論。

所以我並不是說，真核生物的誕生不符合達爾文式演化理論；我認為，演化的世界，被某次發生在兩個原核生物之間的內共生作用改變了。在這之後，一切仍都遵循著達爾文式演化理論的軌跡。問題是，獲得內共生者這件事，會如何影響天擇的軌跡？我們可以預測之後發生的事情嗎？或者這麼說，在宇宙其他星球上，演化也可能遵循類似的路徑？還是在打破了能量藩籬之後，演化就如猛虎出柙，不受控制了？我認為，至少某一部分的真核生物特徵，是因宿主跟內共生者之間親密的關係而生，因此可以根據第一原理來預測。這些特徵，包括細胞核、有性生殖、兩種性別，同時也包括了不朽的生殖細胞，伴隨著生命有限的身軀。

在內共生作用發生後，馬上就限制了各種事件發生的順序；比如細胞核跟內膜系統，必定發生在內共生作用之後。而它同時也會對演化的速度做出限制。一般人很容易把「達爾文式演化」跟「漸變論」（gradualism）混為一談，但是，所謂「漸變」，到底是什麼意思呢？漸變的意思其實是說，演化並不會突然跳出一個未知的情況，而所有適應性的改變，都應是細小而隱晦的。但是如果從基因體的角度來看，這個說法其實不正確。基因體可能會發生大量缺失、重複、易位等等變異，結果造成某些調控基因不正常的關閉或開啟。這些突變跟內共生作用一樣，都跟適應性無關，它們只是改變了天擇作用的施力點。舉例來說，認為細胞核會這樣突然出現，就像是把基因突變與適應混為一談。細胞核是一個適應得恰到好處的構造，它的出現，可不像基因易位這麼簡單的事一樣。細胞核裡面有許多結構，像是核仁，會大量製造新的核糖體RNA；核外面包著雙層核膜，膜上釘滿了令人嘆為觀止的核孔複合體（見圖26）。核孔複合體由數種蛋白質組合而成，而這些蛋白質，所有的真核生物都有。細胞核裡還有「核蛋白片層」（nuclear lamina），這是一種充滿彈性的網狀結構，貼在核膜內層，保護裡面的染色體不受到傷害。

這裡的重點在於，這樣的構造，必定是天擇在經過相當時間的篩選，加上眾多蛋白質細膩的協同合作，才可能出現；而這種過程，是百分之百的達爾文式演化。不過呢，這並不表示從地質時間尺度來看，這過程一定也要發生得很慢。在化石紀錄中，我們常常可以發現，很長一段時間的穩定平衡停滯期（stasis），偶爾被一些快速的改變中斷，這種現象。從地質時間尺度來看，這些改變發生得很快；但是從世代更迭的角度來看則未必。這單純只是因為，在以前穩定的情況下阻礙改變的條件，現在改變了。因為其實一般來說，天擇非常討厭改變，在以適應性為第一考量的世界中，它會削平各個變異高峰。只有在偶然的情況下，天擇作用力才可能鼓勵變化。比如當這個世界發生了翻天覆地的改變時，天擇會變得鼓勵變異而非穩定；而這個變異的速率，可以快到讓人吃驚。眼睛是一個很好的例子。眼睛出現於寒武紀大爆發，大約在幾百萬年之內蹦出來。相較於之前，那段看似永無止境的前寒武時期，持續了好幾億年的冗長單調時光，兩百萬年顯得十分匆忙。為什麼世界會持續這麼久一段穩定時光，然後忽然發生電光火石的變動呢？或許因為那是第一次出現氧氣濃度上升的現象，世界忽然變得對大型而機動性高的動物有利，因此出現掠食者與獵物、出現了眼睛跟甲殼42。有一個很有名的數學模型曾經計算過，從某些昆蟲身上的簡單感光眼點，演化成眼睛，需要多少時間呢？它假設生物的生命周期是一年，然後每一代型態改變都不超過百分之一，結果答案算出來，只要五十萬年就可以。

那麼細胞核需要多久時間，才能演化出來？有性生殖呢？吞噬作用呢？它們為何需要花費比眼睛更長的演化時間。要去計算從原核生物演化成真核生物，最少需要多少時間，是一個未來要執行的計畫。在啟動這個計畫以前，我們需要知道多一點，關於這些事件發生順序先後的資訊。我們或許先入為主地認為，這些東西的演化一定需要好幾億年，其實並沒有什麼道理。為什麼兩百萬年不行呢？就假設細胞每天只分裂一次，兩百萬年就幾乎是十億個世代了。演化出這些特徵需要幾個世代呢？一旦打破那道阻止原核生物演化出複雜構造的能量限制，為何真核生物不會加快演化出來呢？雖然相較於三十億年細菌所過的平靜日子，真核生物的出現，就像是突然跨了一大步，但是這中間的過程，卻是百分之百的達爾文式演化。

雖說，理論上演化可以快馬加鞭，不代表它們真的就會快速進行。但是基於大自然對於真空的厭惡，我們有足夠的理由相信，演化可以進展神速。不過問題是，真核生物什麼都有，而原核生物卻什麼都沒有。這代表了某種不穩定性。在第一章中我們討論過「古原蟲」，它們是相對簡單的單細胞真核生物，過去一度被誤認為是演化過程中，介於原核生物跟真核生物之間的中間型。後來才我們知道，這些怪異的生物，其實都是來自原本五臟俱全的複雜真核生物祖先。但是不管怎麼說，這些生物是不折不扣的生態上的中間型：它們占據了介於真核生物跟原核生物之間，型態中等複雜的生態區位。它們可以說是填補了真空，因此乍看之下，在生物的型態上面就沒有鴻溝了，它們的複雜度呈現一連串由簡而繁，從寄生性的遺傳物質、巨大的病毒、細菌、簡單的真核生物、複雜的真核生物，一直到多細胞生物，一系列毫不間斷。然而當古原蟲直到最近被證明全是假貨之後，那個對真空的恐懼感，又再度出現。

古原蟲並沒有因為跟其他生物競爭落敗而滅絕，這證明了這種「中間型」的生物，有其生存的空間。因此，相同的生態區位，沒有理由無法被原生的中間型生物占據；像是缺少線粒體、缺少細胞核、缺少過氧小體，或是缺少如高基氏體、內質網之類內膜系統的中間型細胞。如果真核生物出現得很慢，需時數千萬甚至數億年的時間，那應該會有很多穩定的中間型細胞，帶著一部分的真核生物特徵。它們可以占據古原蟲的生態區位，而其中至少有一部分，應該可以存活至今。但是一個也沒有！儘管科學家費盡心力四處尋找，卻從來沒有見過。如果它們不是因為競爭落敗而滅絕，那為什麼它們無法存活下來呢？我認為，那是因為在遺傳上，這些生物極不穩定。要橫跨原核生物跟真核生物之間的鴻溝，方法有限，而大部分都失敗了。

這也暗示了，早期的種種群應該很小。這也很合理。愈大的種種群，代表在演化上很成功。如果早期的真核生物活得很成功，那麼它們應該為數眾多、開枝散葉，占滿各個新的生態區位，分化開來。它們的基因應該很穩定，所以至少其中一部分，應該可以存活至今。但是實際上的情況卻非如此。從目前的情況看來，早期的真核生物基因都不穩定，而且只在一個小種種群中快速演化。

還有另一個原因，讓我們不得不相信事實就是如此：至今所有的真核生物，都有著一模一樣的特徵。請想一想，這現象未免也太特別了。所有人類都有一樣的特徵，像是直立的姿勢、無毛的身軀、對稱的手掌、碩大的頭腦，以及語言能力。這是因為人類都來自同樣的祖先，互相交配而來。這就是有性生殖，同時也是「物種」最簡單的定義。同「種」的生物，就是一群可以彼此交配的生物。無法彼此交配的生物，會分道揚鑣，各自演化出獨立的特徵，它們就會變成新的物種。不過在真核生物誕生之初，情況似乎並非如此。因為所有的真核生物，都有一樣的基本特徵，它們看起來比較像是一群可以彼此交配的物種，能行有性生殖。

還有任何其他的生殖策略，可以造成這樣的結果嗎？我想沒有。無性生殖，也就是科學家說的克隆（cloning），導致深遠的趨異演化，因為各群內的突變，都會被累積下來。這些突變藉著天擇作用，在迥然不同的環境中，會各自展現其優劣。克隆雖然會不斷複製一模一樣的個體，但是諷刺的是，因為突變也會被累積下來，克隆最終反而會造成種種群分異。相反地，有性生殖才會將相同的特徵，收集到同一個種種群中，不斷地將它們混合配對，結果反而不會分異。真核生物全部都有一模一樣的特徵，表示它們當初應該是來自一群，互相交配的有性生殖種種群。而這又再次暗示了它們的種種群大小應該不會太大，所以才能互相交配。在這個種種群裡的任何細胞，如果不會有性生殖的話，就無法存活。《聖經》是對的：「引到永生，那門是窄的，路是小的，找著的人也少。」

那麼在細菌跟在古菌之間，十分流行的水平基因轉移呢？跟有性生殖一樣，水平基因轉移也有基因重組，也會造成所謂「流動」的染色體，會搬移不同的基因組合。但是它跟有性生殖的不同處在於，水平基因轉移並不互相交換基因，同時也沒有細胞融合跟全基因體重組。水平基因轉移是零碎且單向的：它無法將種種群中個體的特色結合在一起，相反地，它會造成個體之間的差異。以大腸菌為例，每一隻細菌都帶有大概四千個基因，但是它的原基因體（在所有大腸菌菌株體內找到的基因總和。這裡的不同菌株，是用核糖體RNA來定義），則差不多有一萬八千個基因之多。水平基因轉移盛行的結果，是同一種細菌的不同菌株之間，可能有一半以上的基因都不一樣：這種差異的程度，比所有脊椎動物之間的差異還要大。簡而言之，在細菌跟古菌之間盛行的遺傳模式，不管是水平基因轉移或是克隆，都無法解釋真核生物間謎樣的同一性。

如果我是在十年前寫下這些文字，提到有性生殖，應該出現在真核生物演化的早期這種論點，那大概沒有什麼證據可以支持。甚至還有不少物種，包括許多種變形蟲，以及被認為出現在演化早期的古原蟲，像是梨形鞭毛蟲屬（Giardia）的生物，還一度被認為是無性生殖的生物。其實直到今日，還沒有人抓到梨形鞭毛蟲的把柄，看見過它們纏綿。不過在自然史裡面所匱乏的，可以用技術來補足。我們已經知道梨形鞭毛蟲的基因體序列，知道它們有減數分裂所需的基因（減數分裂，就是形成生殖細胞的細胞分裂），而且這些基因完全處於可使用的狀態。還有它們基因體的結構，也見證了曾有過規律性的有性生殖基因重組現象。幾乎每一種我們研究過的物種，都或多或少有類似的現象。雖然有些比較次要的真核生物，只靠無性生殖繁殖，但是它們大部分都很快就滅絕了，所有已知的真核生物，都行有性生殖。我們可以據此認為，它們的祖先理應也是如此。簡而言之，有性生殖出現在真核生物演化非常早期，而只有當有性生殖，是在一群小而不穩定的種種群中演化出來時，才能夠解釋，為何今日所有的真核生物，都有性生活。

如此，就帶入本章的問題了。兩個原核生物之間的內共生作用，跟有性生殖的演化之間，是不是有什麼關聯呢？

我們基因結構的祕密

真核生物有著「支離破碎的基因」。二十世紀生物學中，很少有嶄新發現會讓人大吃一驚。我們一直被早期的細菌基因研究誤導，認為人類染色體上的基因，也應該像是一串珍珠般，照著有意義的順序排列。但是不然。就像紐西蘭遺傳學家潘尼（David Penny）說的：「如果有一個委員會，專門負責設計大腸菌的基因，那我會很驕傲的承認，自己曾經在裡面工作過。但是我絕不會承認，自己曾經在人類基因體設計委員會裡面工作過。因為沒有任何單位，即便是大學裡的委員會，都不會把這工作做得這麼亂七八糟。」

到底是哪裡有問題呢？真核生物的基因看起來根本一團亂，它們的結構是這樣的：有少數幾段短短的區域，每一段都負責蛋白質的一部分；然後在這些區域中間，都穿插了非常長段的「非編碼DNA」，我們稱之為「內含子」（introns）。每一段基因裡面，通常都插了好幾段內含子（所謂基因的定義，就是能夠編碼出一個完整蛋白質的DNA序列）。這些片段的長短差異非常大，但是通常非編碼區，都比真正編碼出蛋白質的片段要長。DNA會轉錄成RNA，RNA是製造蛋白質的模板，它會被送到核糖體，也就是那些位於細胞質的重要工廠裡。當轉錄成RNA時，內含子也會跟著轉錄出來，不過在抵達核糖體之前，它們就統統都被切掉了。這可不是一件輕鬆的工作，它要靠另外一部無比精巧的奈米小機器，我們稱為剪接體（spliceosome）的蛋白質來執行。等一下我再來解釋剪接體的重要性。現在，你只要注意這整個程序執行過程，有多麼奇怪迂迴。如果在剪接掉這些內含子的過程中稍有失誤，那麼一大串毫無意義的RNA，就會被送到核糖體裡，接著就會製造出一長串毫無意義的蛋白質。核糖體，就像是卡夫卡小說中的官僚一樣，忠實地執行任何命令，不管這命令是什麼。

為什麼真核生物的基因，是如此支離破碎的呢？其實這倒是有幾個已知好處。首先，同一個基因，可以把片段，用不同的剪接方式，接出許多不同的蛋白質。舉例來說，免疫系統就藉此發揮蛋白質重組的威力；它們把蛋白質片段，用各式各樣的方式連接起來，形成數十億種不同的抗體。這樣抗體可以黏著在任何細菌或是病毒身上，讓免疫系統的殺手機器去追殺它們。不過免疫系統是大型複雜動物身上才有的晚期發明，在演化早期，重組有什麼好處嗎？在一九七○年代，二十世紀的演化生物學大師杜立德（Ford Doolittle），曾經提出一個假說，他認為內含子應該出現在生命起源之初，這也就是所謂的「內含子先天存在說」。這個理論是這麼說的：早期的基因，因為缺少現代基因複雜的修復系統，所以在複製的過程中一定很容易累積許多錯誤，這讓它們很容易就因為突變而毀滅。因為突變的機率很高，而在一段DNA裡面累積的突變數，又跟DNA的長度有關，所以只有很短的基因體，才可能避開因突變而毀滅的命運。那麼短短的基因體，要如何製造大量的蛋白質呢？內含子是個很好的解決辦法，生物只需要把許多小片段重組連接即可。這個理論很漂亮，除了杜立德本人以外，至今也還殘存少數擁護者。同時，一如所有偉大的假說，這個漂亮的假說也提出過好幾個預測，但不幸的是，它們後來全部被推翻了。

這個假說最重要的一項預測，就是「真核生物應該是第一個演化出來的細胞」。因為只有真核生物才有真正的內含子，所以如果內含子真的這麼原始，那麼真核生物細胞必定是最早的細胞，早於細菌與古菌（譯注：根據這個假說，內含子應該跟著基因一起出現，所以第一個有基因的細胞，應是真核生物，而不是細菌或古菌）；而後兩者則是後來在天擇的壓力下，為了精簡基因體，才丟掉了內含子。但是這假說在譜系發生學上來說，完全沒有意義。新一代的全基因體分析，全部都毫無二致得顯示出，真核生物來自於古菌宿主跟細菌內共生者。演化樹上面最深的分支，始於細菌與古菌之間，真核生物是比較晚期才出現的產物。同樣的觀點，也與化石證據，以及上一章提到的生物能量學考量，互相吻合。

然而如果內含子，不是一種原始狀態，那麼它們到底為何會出現，又是如何出現的呢？答案似乎來自於內共生者。雖然我剛剛說細菌沒有「真正的內含子」，但是毫無疑問地，內含子的祖先必定來自於細菌；或者更精確地說，是來自細菌基因裡的寄生蟲，正式的名稱叫做「第二型自我剪接內含子」（mobile group II self-splicing introns）。你不需要擔心這拗口的名稱，它們「就只是」一種自私的基因，是一種會在基因體裡面，不斷自我複製、跳進跳出的跳躍基因（jumping genes）。或許我不應該說「就只是」，因為它們其實相當驚人，而且是很有目的性的小機器。它們會跟其他的DNA，一起被轉錄成RNA，但是之後馬上就「活過來」（還有比這更好的形容詞嗎？），把自己組合成一副RNA「剪刀」。這副剪刀會把自己跟其他的長段RNA剪開，如此對宿主細胞的傷害，可以減到最低。被剪下來的片段，會變成一組活躍的複合物，然後製作出反轉錄酶（reverse transcriptase）。這種酶可以把RNA反向轉錄成DNA。被轉錄回DNA的內含子，就會把自己再插回宿主的基因體裡。所以，內含子是一種基因寄生蟲，在細菌的基因體裡不斷跳進跳出。

「大跳蚤背上有小跳蚤……」誰想得到原來生物的基因體，其實是蛇鼠一窩，藏著一堆騷動的精巧寄生蟲，隨它們高興跳進跳出的。但事實就是如此。這些可移動的內含子或許很古老，因為在三域生物身上都可以見到。而它們又跟病毒不同，因為它們從來不需要離開宿主那溫暖舒適的窩。每當宿主的細胞複製一次，它們就高高興興的跟著複製一次。任何生物，都只能習慣於它們的存在。

不過細菌處理得很好。我們不知道它們怎麼辦到的。或許，這純粹只是天擇作用於大種種群時的威力。細菌身上的內含子，如果插入了不適當的區段，可能會干擾它們的基因，因此就會在天擇的戰爭中，輸給其他內含子位置比較恰當的細菌。或者，內含子本身適應良好，只會侵入對宿主細菌無害的DNA區段。這原因有可能是因為內含子跟病毒不一樣：病毒可以獨立存在，所以並不那麼在乎會不會殺死宿主；內含子必須與宿主同生共死，所以干擾宿主絕無好處。最適合用來形容生物學上這種情況的，其實都可以借用經濟學上的詞彙，像是成本收益計算、囚徒困境、賽局理論等等。不管怎樣，總之最後移動式內含子，沒有在細菌跟古菌體內大鳴大放，也從來沒有插在任何基因裡面，因此稱不上是真正的內含子。它們只存在基因與基因之間的區域，而且密度很低。一般來說，一個細菌的基因體（含有大約四千個基因）帶有大概不超過三十個內含子，相較之下，真核生物則有好幾萬個內含子。細菌體內這麼少的內含子，反映的是一種長期的收支平衡，是天擇作用在宿主與內含子兩者身上，經過無數世代後的結果。

就是這樣的細菌，在約十五到二十億年以前，跑到一個古菌體內，發生內共生作用。現代細菌中，與之最接近的菌種，大概就是α變形菌之類的細菌吧；而我們知道現代的α變形菌，只帶有很少的移動式內含子。那麼在這些古老的基因寄生蟲，與現代真核生物基因體結構之間，有什麼關聯呢？如果你多了解一些，那副「剪接細菌內含子的RNA剪刀」的作用機制，外加一點邏輯推理，應該就會看出來了。在前幾節中，我提過剪接體這個由蛋白質組成的奈米機器，它可以把內含子，從我們的RNA轉譯本上面切掉。不過剪接體並非全然由蛋白質組成，在這個機器的核心，其實是一副由RNA組成的剪刀。它把真核生物內含子剪下來的方式，完完全全洩漏了它的本體，其實來自細菌的自我剪接內含子（見圖27）。

就是如此，我們並不是靠著比對內含子的DNA序列，得知它們源於細菌。這些內含子並無法做出反轉錄酶，也無法把自己切入或切出宿主DNA，它們不是會移動的基因寄生蟲，而是DNA世界裡面的無業遊民，坐在那裡什麼事也不做43。但是這些已然死亡的內含子，卻遠比那些活著的寄生蟲要更危險，因為它們已經突變得不成人形，損壞到難以辨認的地步，再也無法把自己切下來；宿主細胞必須主動移除它們才行。所以宿主細胞就只好從還活著的親戚裡，徵用RNA剪刀。剪接體就是根據細菌的寄生蟲，改造而成的真核生物機器。

在二○○六年時，俄裔美籍的生物資訊學家庫寧，跟演化生物學家馬丁，發表了一篇非常精采的論文，提出了一個假說。他們認為，在真核生物誕生之初，進入古菌體內的內共生者，在毫不知情的宿主體內，解開了這些基因寄生蟲的封印。這造成了演化早期，內含子大舉入侵，形塑了真核生物的基因體構造，同時也對真核生物的各項特徵造成深遠的影響，比如說形成細胞核。而我呢，我會說有性生殖也是這些影響之一。當然，這個假說聽起來有點太夢幻、好像只根據一副剪刀這樣單薄的證據，就編出一個完美的演化故事。但是，基因構造的許多細節，卻也支持這種假設。為數眾多、好幾萬好幾萬個內含子，加上它們在染色體上所處的位置，像是沉默的證據，見證了遠古的遺跡。這個遺跡，不只包括了內含子，還包括宿主細菌跟內共生者之間、扭曲又親密的關係。就算這個假說不是全對，但是我認為這種答案才是我們應該尋找的。

內含子跟細胞核的起源

許多內含子，在真核生物基因體裡面的位置，都是固定的，這是另一件出人意料的謎。舉一個所有真核生物都有的基因：檸檬酸合成酶（citrate synthase）的基因為例好了，它會轉譯出檸檬酸合成酶，去執行所有真核生物都需要的基礎代謝作用。從海藻、香菇、樹木、變形蟲一直到我們人類身上，都可以找到一模一樣的基因。雖然我們跟樹木的基因，從共同的遠祖開始，經過了無數世代的分歧，在序列上已經出現了些許差異；但是因為天擇的篩選，讓生物保存了這個酶的功能，因此也限定了基因序列的排列方式。這種現象，完美的展示了天擇的分子生物學基礎，以及所有生物都有共同遠祖這件事。出人意料的部分在於，不管是樹木還是人類，這個基因總有兩到三個內含子，而且幾乎都插在一模一樣的位置。對於這種現象，只有兩個可能的解釋。

第一個解釋是，這些內含子，是各自獨立插在這些位置的，或許因為某種未知的原因，這些位置特別受到天擇的青睞；第二個解釋則是，這些內含子在過去，把自己插入真核生物共祖的身上後，隨著共祖開始分化，傳給了所有的後代。當然，其中某些後代，也可能又把內含子給弄丟了。

如果只有少數幾個基因有這樣的現象，那麼第一種解釋就很有可能。但是科學家發現，數以千計個內含子，都插在數百個真核生物共享基因中，完全相同的位置上。如此一來，第一種解釋就說不通了；從遠古共祖流傳下來的說法，反而比較有可能。果真如此的話，那麼就在真核生物誕生之初，必定有過一波內含子大入侵，讓這些內含子一開始就插在這些位置。然後這些內含子，發生了某些退化性突變，剝奪了它們移動的能力，從此就留在這些地方；如同圈畫在被害者屍體旁，擦不掉的粉筆輪廓，一直傳給後代的真核生物。

還有另外一個比較有說服力的證據，支持過去曾經出現過一波內含子大入侵。我們通常把基因分成兩類：異種同源基因（ortholog）跟同種同源基因（paralog）。所謂異種同源基因，基本上就是從遠古共祖那裡繼承來的基因，雖在不同種的生物體內，卻仍做著一模一樣的工作。最好的例子，就是我們剛剛提過的檸檬酸合成酶基因。所有的真核生物，都有這個異種同源基因，因為我們都來自同一個共祖。第二類的同種同源基因，一樣是來自遠古的共祖，但是這古老的基因，卻在同一個細胞裡面複製了好幾次，結果變成一整個基因家族。這樣的基因家族，有時候可以包含多達二三十個基因；每一個後來都各自負責稍有不同的工作。舉例來說，像血紅素蛋白家族，就有十個基因，每一個都編碼出很類似的蛋白質，但是負責不太一樣的工作。簡單的來說，異種同源基因，就是不同種生物之間的相同基因；而同種同源基因，則是同一個生物體內的基因家族。當然啦，同種同源基因的家族，也可能從某個共祖身上傳下來，然後出現在許多不同種的生物體內。因此，所有的哺乳類動物，都有同源同種的血紅素基因家族。

庫寧很聰明地，再把這些同種同源基因家族，加以區分成「古老的」跟「近代的」。根據他的定義，所謂古老的同種同源基因，是指那些「在所有真核生物體內都有的」基因家族，而這些基因，在原核生物體內，從未被複製過。因此我們知道這是在真核生物演化早期的事件，而且發生在「最後真核生物共祖」演化出來以前。而所謂近代的同種同源基因，則是只在某些特定真核生物體內（比如說只有動物或只有植物），才能找到的基因家族。這種現象代表了它比較近代，是在特定幾群生物演化的過程中，才發生的基因複製事件。

根據庫寧的預測，如果內含子大入侵果真發生在真核生物演化早期，那麼這些移動式內含子，應該會隨機插入不同的基因中間。在同一時期，同種同源基因應該也正積極地自我複製。如果內含子大入侵持續不懈，那麼在同源同種基因家族擴張的過程中，這些四處移動的內含子，就會插在每個新家族成員的不同位置上。相反的，對於近代同種同源基因家族來說，所有的基因複製，應該都發生在那次假想的內含子大入侵之後。因為沒有新的內含子插進來搗蛋，所以當新的家族成員被複製出來時，應該會連舊的內含子一起複製，而且維持在原本的位置上。簡而言之，「古老同種同源基因」比起「近代同種同源基因」來講，內含子的位置應該不規則的多。而分析結果顯示，庫寧的預測，準確度高的嚇人。基本上「近代同種同源基因」所有的內含子，都維持在一模一樣的位置上，而「古老同種同源基因」的內含子的位置，則亂多了。

這些結果全都指出，早期的真核生物，確實曾經一度遭受到由內共生者帶來的內含子大入侵。但是，為何內含子在細菌跟古菌體內，可以受到嚴密的控制，在真核生物體內，卻會大量繁殖呢？有兩個可能的解釋，而且兩個可能都是真的。第一個解釋是，最早的真核生物（其實基本上那時還是一個原核細胞，是一個古菌），遇到了來自細菌的內含子大轟炸，而且還是從近在咫尺、從自己體內的細胞質而來。這種情況有點像是棘輪（ratchrt）在運作，棘輪只會往一個方向轉動。內共生作用是一場大自然的「實驗」，而這實驗有可能失敗。比如說，如果宿主細胞掛了，這個實驗就結束了。但是反過來說則否。如果宿主體內有許多內共生者，其中一個死了，也就是死了一個細菌而已，而實驗可以繼續進行下去。宿主還活著，其他的內共生者也活著。但是死掉的這個內共生者，會把自己的DNA倒入宿主的細胞質中，就可能透過水平基因轉移，把基因結合到宿主的基因體中。

這個實驗難以停止，直到今日仍是。我們細胞核的基因體裡，就塞滿了數千段線粒體DNA，簡稱叫做 numts（nuclear mitochondrial sequences，意思就是核內線粒體序列）。它們就是透過這種機制，跑到細胞核中的。新的 numts 偶爾會出現，而當它們無意間破壞了某個基因，導致遺傳疾病時，就會引起我們的注意。在真核生物誕生之初，那時候還沒有細胞核，這類基因轉移必定更為普遍。如果真的有某個專門的機制，可以引導移動式內含子，插入基因體中某些特定位置，避開其他位置上，那麼情況很可能會更糟。因為一般來說，細菌的內含子已經適應了細菌宿主，而古菌的內含子也很適應古菌宿主。但是在古早的真核生物體內，細菌內含子所入侵的，是古菌的基因體，這裡的序列跟細菌的完全不同。既然沒有任何適應性限制，自然也就無法阻止內含子失控似的繁殖。這樣的結果，很可能會導致種種群滅絕。最後就算有倖存者留下來，大概也是一小群基因不穩定、病懨懨的細胞。

第二種解釋，則是天擇並沒有積極地限制內含子大量繁殖。一部分原因正是因為，一小撮病懨懨的細胞，競爭力無法跟一大群健康的細菌相比。同時最早的真核生物細胞，對內含子入侵，應該也有前所未見的耐受力才對，畢竟，這些內含子都來自內共生者，也就是未來的線粒體。內共生者雖會帶來基因上的成本，卻也是能量上的優勢。對細菌而言，內含子純粹是個負擔，是因為內含子會帶來能量以及遺傳上面的雙重負擔。上一章我們講過了，體積小、DNA少的細菌，會繁殖得比那些體積大、又帶了超出所需DNA的細菌快很多；因此，細菌都會把自己的基因體，精簡到剛好能存活的最小程度。相反地，真核生物在基因上面，則表現出一種極端的不對稱性：它們可以自由地大量擴充細胞核內的基因體，正是因為內共生者基因體縮水之故。宿主細胞其實並沒有打算擴充基因體，會擴充的原因，純粹只是因為即使它們加大基因體，也不會受到跟細菌一樣的天擇懲罰而已。既然處罰很少，那麼真核生物就這樣慢慢地透過各種基因複製與重組，多累積了數千個基因；同時也可以忍受更多的基因寄生蟲。這兩個結果是一起發生的。真核生物的基因體，塞滿了大量的內含子，這是因為從能量的觀點來看，它塞得下。

因此，第一顆真核細胞，受到了自己內共生者發動的「基因寄生蟲」大轟炸。諷刺的是，這些基因寄生蟲，一開始其實沒有帶來太多問題；反而是它們衰退、死亡之後才產生問題。因為它們把自己的殘骸，也就是內含子，像倒垃圾一樣塞滿基因體。這時候，宿主細胞不得不把它們切掉，不然就會解讀它們，而做出無意義的蛋白質。如前所述，剪接體就是專門負責這項工作的，它來自移動式內含子的RNA剪刀。不過呢，就算剪接體這部奈米機器功能再強，也只能解決一部分問題，因為它的速度很慢。今日的剪接體，即使在經過快二十億年演化的改良，要剪下一段內含子，還是要花好幾分鐘的時間。偏偏核糖體的速率又快得嚇人，它每秒鐘就可以處理十個胺基酸。一般來說，要做出一個細菌的蛋白質（約兩百五十個胺基酸）只需要半分鐘。另外，剪接體要碰到RNA也不是件易事，因為一段RNA的表面，常常夾了好幾個核糖體。所以就算剪接體可以接觸到RNA，它也來不及阻止核糖體去生產大量無用的蛋白質，因為沒時間把內含子剪下來。

那麼，細胞如何防止這樣的災難發生？根據馬丁和庫寧的看法，細胞就在整個處理程序中，加了一道障礙。細胞核的核膜就是這道障礙，可以把轉錄跟轉譯的過程分開：在細胞核裡，基因被轉錄成RNA編碼指令；在細胞核外面，核糖體則會讀取RNA，然後轉譯成蛋白質。緩慢的剪接過程，一定要在核糖體有機會碰到RNA以前，就在細胞核內完全處理完。這就是細胞核最重要的功能，就是把核糖體擋在外面。這就是為何真核生物需要細胞核，而原核生物完全不需要：因為原核生物根本沒有內含子的問題。

「等一等！核膜不會憑空出現，它至少需要好幾代的時間才能演化出來，在那之前，為何真核生物還沒有滅絕呢？」你也許會這樣問。這個嘛，我相信許多真核生物細胞應該已經犧牲了。不過事實上，演化出核膜，也許沒有想像中困難。核膜的出現，有賴於另外一件稀奇的事情，而這又跟細胞膜有關。雖然從遺傳學上的分析，我們知道真核生物來自一個貨真價實的古菌，因此在很久以前，細胞膜裡面一定有古菌的脂質，但是今日的真核生物所有的，卻是細菌的脂質。若把這件事一併考慮進來，在真核生物演化之初，它們一定為了某種原因，把古菌的細胞膜置換成細菌的細胞膜。為什麼？

這個問題有兩個面向值得討論。首先是關於可行性的問題：這有可能發生嗎？答案是肯定的。從實驗室裡面的結果可以知道，混合了細菌跟古菌脂質的鑲嵌式細胞膜，其實是很穩定的。所以，古菌的細胞膜，確實有可能被慢慢地替換成細菌的細胞膜。但是，置換細胞膜組成，雖然不是不可能，卻仍是罕見的事情。這就帶我們進入第二件值得討論的面向：哪一種罕見的演化力量，有可能驅使這種改變呢？答案就是：內共生作用。

在古早時，當內共生者將DNA，大量傳入宿主細胞的時候，必定也送入了合成細菌脂質的基因。我們可以假設製作這些脂質的酶，都被合成出來且有活性。它們一被合成出來，就馬上開始製作細菌的脂質。當然，在剛開始時，這過程很可能不受任何控制。隨機合成脂質，會發生什麼事呢？如果是在水中的話，它們很快就會自己形成脂質小泡。英國新堡大學的微生物學家埃靈頓（Jeffery Errington），就曾經做實驗證明，在活細胞體內確實會如此：如果利用遺傳工程加快細菌合成脂質的速率的話，就會造成內膜堆積。這些內膜，會留在它們的誕生地附近，因此會圍繞在細菌基因體附近，形成許多脂質「小袋子」。就像是流浪漢在缺乏物資時，也只好先拿塑膠袋來禦寒一樣，一堆脂質小袋子，也可以在DNA跟核糖體之間，臨時拼湊成一道的柵欄，稍微減輕內含子帶來的麻煩。事實上，這道柵欄必須要有缺陷。完全密封的膜，反而會讓RNA無法被送出去跟核糖體碰頭。有洞的柵欄只會減緩出口的速率，讓剪接體有多一點時間，在核糖體開始工作之前把內含子剪掉。換言之，這是一個隨機出現（但卻是可預測的）的起點，讓天擇可以把解決之道篩選出來；它始於一堆圍繞在基因體周圍的脂質小袋子，終於一層蓋滿複雜核孔的核膜。

從核膜的型態來看，跟這個假設還滿吻合的。脂質小袋子就跟塑膠袋一樣，都可以被壓扁。從橫斷面來看，一個壓扁塑膠袋就像是兩片緊貼而平行的膜，這就是雙層膜構造。而核膜也是這樣的構造：它是一堆壓扁的小泡互相黏合在一起，而核孔複合體半隱半現的藏在縫隙間。在細胞分裂的時候，核膜會自動散開還原成好多小囊泡，細胞分裂之後，小囊泡又再融合在一起，形成兩個子細胞的核膜。

負責細胞核結構的基因，排列模式也跟這個假設吻合。如果細胞核是在取得線粒體之前就演化出來的話，那麼負責細胞核每個零件的基因（包括核孔、核蛋白片層、核仁等等），都應該是由宿主細胞的基因，全權負責編碼才對。但是事實並非如此。這些蛋白質全都是混雜了不同來源的嵌合體，一些蛋白質由細菌基因負責編碼，少數由古菌基因編碼，其他的基因呢，只有真核生物才有。除非說細胞核是在取得線粒體之後才演化出，然後是肇因於那次失控的基因轉移，不然我們根本無法解釋這種模式。一般常說，在真核生物演化的過程中，內共生者變形程度，大到幾乎看不出原來的模樣（但尚不致於無法辨認），最後變成線粒體。不過很少人注意到，其實宿主細胞的變形程度更大。宿主細胞一開始只是一隻簡單的古菌，得到了一些內共生者。這些內共生者開始用DNA跟內含子轟炸無辜的宿主，促使細胞核開始演化。不只是細胞核，有性生殖也一起演化出來了。

性的起源

真核生物演化的過程中，有性生殖出現得非常早。我之前也曾暗示過，性的起源，或許跟內含子大舉入侵有關。為什麼呢？讓我們先大致介紹一下等會兒要深入解釋的事情。

真正的有性生殖，也就是真核生物的生殖手段，涉及到兩個配子（對人類來說，就是精子跟卵子）互相結合。這兩個配子，都只帶有半套染色體。大多數的多細胞真核生物，包含你跟我，都是所謂的「雙倍體」（diploid）。雙倍體的意思就是說，我們每個人體內，所有的基因都有兩套，一套來自父親，一套來自母親，它們就是所謂的「姊妹染色體」（sister chromosomes）。隨處可見的染色體圖像（譯注：上下兩根粗短的棒子頭尾相接），常常賦予一般人一種誤解，誤以為染色體的結構不會改變。但是事實完全不是這樣。在形成配子的過程中，姊妹染色體會進行重組，染色體的一小部分，會跟另一條染色體的一小部分結合，結果造成前所未見的基因組合（見圖28）。如果你順著這條新重組好的染色體，一個基因接著一個基因走下來，你會發現其中一些基因來自父親，另一些則來自母親。接下來，透過「減數分裂」（meiosis，字面上的意思就是減少數量式的細胞分裂）的步驟，會形成單倍體（haploid）的配子。這樣，每一個配子就只含一套染色體。兩個單倍體的配子，每一個都帶著一套重組好的染色體，最後又會結合在一起成為受精卵。它將來會發育成你的小孩，是一個新的個體，帶有獨一無二的基因組合。

伴隨有性生殖的發現，問題不在於許多嶄新的機制必須先演化出來。基因重組的時候，兩條姊妹染色體必須整齊地並排在一起。其中一條染色體的一小段，必須在交換點（cross-over point）的地方斷開，然後完全轉移到另一條染色體上；而另一條染色體也必須同樣轉移一段過來。其實，細菌在做水平基因轉移的時候，也會出現這種把染色體整齊排列、基因重組的現象，不過這往往只是單方面進行：細菌只是修復受損的染色體，或是重新裝備以前丟掉的基因而已。兩種基因重組的分子機器，其實大同小異；有性生殖的特殊之處，在於重組的尺度，以及具有對等性。有性生殖的基因重組尺度，是在整套基因體之間做對等的交換；原核生物間就算有這種現象的話，恐怕也極為罕見。

有性生殖曾是二十世紀生物學難題中的「皇后」，不過現在我們已經漸漸明瞭它的優勢（至少是跟完全無性生殖，也就是用克隆來繁殖的生物相比）。有性生殖可以打破原本牢不可破的基因組合，讓天擇可以「看見」個別基因，也能把我們的特質一個一個彰顯出來。這有助於生物抵禦寄生蟲的侵襲、適應千變萬化的環境，以及維持種種群中的歧異度。中世紀的石匠在雕刻時，就算是放在大教堂神龕這種隱密角落裡的石像，他們也會把石像背面雕刻出來，因為無所不知的上帝，仍看得到這些地方。有性生殖也是一樣，它讓天擇的全能之眼，得以一個基因一個基因，細細檢視自己的成果。有性生殖帶給我們一種「流動的」染色體（「fluid」chromosomes），以及隨時變動的基因組合（精確地說，彼此配對的基因，叫做對偶基因 alleles44）；這樣讓天擇可以用前所未有的細緻度去區分不同的個體。

想像一下，有一百個從來不曾重組過的基因，在一條染色體上排成一直線。對於這種組合，天擇只能鑑別出整條染色體的適應能力。現在假設這些基因中，有幾個非常重要，只要稍有突變就會導致個體死亡。在這種情況下，其他比較不重要的基因，如果發生突變的話，天擇將完全看不見。輕微卻有害的突變，很可能會因此在這些基因上，慢慢累積下來；因為留下這些基因的小弊，遠遠不及留下那幾個關鍵基因的大利。長此以往，這整條染色體，以及生物個體的最適性，就會慢慢衰退。男人的Y染色體就是個血淋淋的例子。Y染色體因為無法進行基因重組，因此上面的基因就漸漸退化；到最後只剩下幾個關鍵的基因，被天擇保存下來。如果基因再退化下去，整條染色體都可能會消失不見。有一種動物叫做高加索鼴形田鼠（Ellobius lutescens），就已經完全遺失牠們的Y染色體。

如果天擇的作用更積極一點，往正向選擇，情況還可能會更糟。假設某一個重要的基因，出現了一個相當優秀的突變，優秀到讓這個基因有辦法橫掃全種種群。繼承這個基因的生物，將成為種種群中的主流，而這個基因，最終也將散布到「穩固」（fixation）的地步。所謂穩固的意思，就是說種種群裡面所有的個體，都有一份這個基因。但是因為現在天擇只能「看見」整條染色體，所以這條染色體上其他九十九個基因，也會跟著在種種群中穩固下來，它們等於是搭了優秀基因的「便車」。這樣會造成一個大災難：假設這種種群中的每個基因，原本都有兩三個多型性變異（兩三個對偶基因），這本來可以讓種種群裡面這一百個基因，有一萬到一百萬種不等的對偶基因組合。但是在基因穩固之後，所有這些變異，都將被一掃而空，從此這一百個基因，在種種群裡面只會有一種組合，也就是跟剛剛那個「優秀到穩固」的基因，碰巧排在同一條染色體上的基因組合。這就是失去變異性的大災難。上面舉的一百個基因，還只是過度簡化的例子。無性生殖的生物，常常有數千個基因，它們的變異性會在某一次「選擇性剔除」（selective sweep）的過程中，全部消失殆盡。這樣一來，「有效」種種群的大小將嚴重萎縮，這讓無性生殖的生物種群極易滅絕45。這也就是為什麼，大部分無性生殖、靠克隆繁殖的動物跟植物，常常在短短數百萬年之內，就滅絕殆盡。

上述兩個過程：累積輕微卻有害的突變，以及「選擇性剔除」造成變異性喪失，合在一起就是我們熟知的選擇干擾（selective interference）。沒有基因重組的話，天擇針對少數特定基因所做的篩選，將會干擾它篩選其他基因的能力。有性生殖藉著製造出帶有「不同組合對偶基因」的染色體（又稱為流動的染色體），可以讓天擇直接作用在每一個基因上面。這樣一來，天擇就如同上帝一般，將可以看見我們全部的罪與善，一個一個基因檢視。這才是有性生殖最大的優點。

但是有性生殖的策略，也有許多嚴重的缺點，所以長久以來，它一直是演化生物學裡面最重要的難題。比如說，有性生殖會重新打破在某些特殊環境中、被證明已經相當成功的對偶基因組合；雖然這些基因讓我們上一輩得以繁衍興盛，但是有性生殖卻又會隨機把它們置換成其他基因。每一代每一代，有性生殖都會隨機打亂基因組合，因此永遠也不可能重新複製一位像莫札特一樣的天才。更糟糕的是，有性生殖的成本是「雙倍的」。當細胞無性生殖繁殖（克隆）時，每分裂一次，可以產生兩個子代細胞，每個又可以再製造兩個子代細胞，一直這樣下去。這種繁殖方式，整個種種群的數量會呈指數擴張。但是當有性生殖的細胞，製造了兩個子代細胞後，這兩個細胞必須先結合形成一個新的細胞，才能夠再去分裂成兩顆子代細胞。因此，無性生殖的種種群，每一代的數量都會增加一倍，但是有性生殖的種種群，卻跟原來一樣。此外，比起無性生殖只要自我複製即可，有性生殖還要先找到一個伴侶才行，這又添增了感情上（以及經濟上）的成本。對雄性生物而言，也有其他的成本：自我複製的話，就不需要那些具攻擊性、趾高氣揚的雄性特徵，像是犄角、羽毛扇尾或是勢力範圍等等。同時，無性生殖不但可以避免像是愛滋病或是梅毒之類的可怕性病，也能夠阻擋那些在我們基因體裡，塞滿垃圾的基因無賴，像是病毒跟「跳躍基因」等等。

真正的謎題在於，只有真核生物才有性生活。你或許會想，或許在某些情況下，有性生殖的優勢會超越無性生殖，然後在其他情況下則否。就某方面來說，確實如此。有些微生物可以靠無性生殖，複製個三十幾代，然後偶爾縱欲一下，而這通常發生在有生存壓力的情況下。但真核生物性生活普及的程度，卻遠遠超過這種合理範圍。很有可能真核生物的最後共祖，已經靠有性生殖繁殖，因此它所有的後代也就繼承了性生活。此外，雖然許多微生物，早已放棄常規的有性生殖，但是卻幾乎沒有哪一種生物，可以完全停止有性生殖而不滅絕的。完全放棄有性生殖的代價，看起來非常高。同樣的推測，也適用在早期的真核生物身上。那些不靠有性生殖繁殖的細胞（或者據推測，尚未「演化出」有性生殖的細胞），恐怕早就已經全部滅絕了。

在此，水平基因轉移又帶給我們新的問題，因為水平基因轉移跟有性生殖很像，都有基因重組，也都會產生「流動的染色體」。直到最近，細菌都一直被認為是靠殖株繁殖的最佳範例。它們的數目呈指數增加。如果完全沒有限制的話，每三十分鐘就繁殖一次的大腸菌，可以在三天以內，產生一個跟地球一樣重的超大種種群。除此之外，大腸菌還會做很多其他的事。它們會四處傳播自己的基因，也可以透過水平基因轉移，把新的基因插入自己的基因體中，同時拋棄不想要的基因。帶給你腸胃炎的細菌，可能有高達百分之三十的基因，跟你鼻子裡面的「同種」細菌不一樣。因此，細菌不但保有無性生殖快速及簡單的優點，同時也享受著性生活的好處（流動的染色體）。但是細菌不會把兩個細胞融合在一起，它們也沒有兩種性別，因此，又可以避開許多有性生殖的缺點。看起來，它們似乎同時兼顧了兩個世界的優點。那麼，為何最早的真核生物，在水平基因轉移之外，還要再發展出有性生殖呢？

根據數學種種群遺傳學的計算，生物學家奧托（Sarah P. Otto）跟巴頓（Nicholas H. Barton），提出了一個非關神聖的三位一體解釋，而且很明顯跟真核生物起源時的環境有關：當基因突變的機率很高、天擇的壓力很大，以及種種群中個體充滿變異時，有性生殖的優勢最明顯。

首先我們考慮突變機率。對於無性生殖的生物而言，突變機率變高時，輕微有害的突變，就更容易累積在種種群中；此外在遇到「選擇性剔除」時，種群的歧異度會漸漸消失。簡而言之，選擇干擾效應會增加。在早期內含子大入侵時，最早的真核生物必定有高突變率。雖然我們難以確知到底有多高，不過這可以用電腦模型來推估。我正跟波明安可夫斯基，以及博士班學生歐文（Jez Owen）一起研究這個問題。歐文原本的學術背景是物理學，但卻對生命起源相關的大哉問很有興趣。他正在發展一套電腦模型，來推估「有性生殖的優勢，何時會超過水平基因轉移？」。這裡有第二個要考慮的因子，就是基因體大小。若是突變的機率維持不變（假設每一百億個DNA鹼基，才會出現一個致命的突變好了），基因體的大小就不可能無限制擴充，而不因突變造成衰退。在這種條件下，基因體小於一百億個鹼基的細胞，大致沒什麼問題，但是基因體大於這個數字的細胞，則會死亡，因為它們全部都會碰到至少一次致命的突變。在真核生物剛出現時，獲得線粒體會讓這兩個問題更形惡化：這事件必定會增加基因體突變率，同時也會大幅將基因體尺寸，擴張到好幾個數量級以上。

有性生殖很可能是這個問題唯一的解決之道。原則上，水平基因轉移可以透過基因重組，避免「選擇干擾」效應。不過根據歐文的計算，這樣的效果有一定的限制。基因體愈大，水平基因轉移愈難撈到「正確的」基因。這是個很單純的數字問題。要確保一個基因體保有全部所需基因，而且全部都能正常運作，唯一的辦法，就是好好保存它們，而且定期系統性地重組全基因體。水平基因轉移辦不到這點。只有有性生殖，也就是貨真價實的「性」，才能夠重組全部的基因體。

那麼天擇壓力的影響呢？這裡，內含子可能又再次扮演了重要的角色。對現代生物來說，有利於有性生殖的傳統篩選條件，就是寄生蟲感染與變化萬千的環境。不過要讓有性生殖優於無性生殖，選擇壓力必須非常大才行。比如說，寄生蟲感染必須非常盛行，且嚴重削弱宿主健康。同樣的條件對早期的真核生物，也有一樣的影響。這些細胞必須好好應付內含子大入侵；而內含子，就是基因的寄生蟲。移動式內含子之所以成為有性生殖演化的推手，是因為只有全基因體規模的重組，才會增加種種群變異性：它會讓種群裡形成一些「內含子插在有害位置上」的細胞，以及一些「插在較無害位置上」的細胞。接下來天擇會消滅最糟糕的細胞。水平基因轉移在這裡所能造成的影響，只是零頭，而且也無法產生全基因體規模的系統性差異。有性生殖才能把乾淨的基因放到某些細胞中；而把大量的突變（超過它們本來該有的），累積到另一些細胞中。英國生物學家瑞德利（Mark Ridley）在他的名著《孟德爾的魔鬼》中，用新約聖經中對「原罪」的看法來比喻有性生殖。他說：如同耶穌為了全人類的原罪而犧牲，有性生殖也可以把種種群中所有大小突變，累積集中到一隻代罪羔羊身上，然後把牠釘上十字架。

細胞之間的變異量，也跟內含子有關。細菌跟古菌通常都有環狀的染色體，而真核生物則有棒狀染色體。為什麼會這樣呢？最簡單的答案就是，當內含子跳進跳出細胞基因體的時候，出了錯。如果當它們離開一節染色體時，沒有把缺口的兩端連起來，那染色體就會斷掉。環狀的染色體斷掉，就變成一條直線的染色體；如果斷開很多地方，那就變成好幾條直線染色體。因此，在真核生物演化早期，移動式的內含子在重組基因時發生錯誤，結果造成了數段棒狀染色體。

對於早期的真核生物來說，這一定讓它們在分裂的時候遇到大麻煩。不同細胞可能會有不同數量的染色體，每個染色體又都累積了不同的突變或缺失。當然它們也可能從線粒體那裡獲得許多新的基因。複製時出錯，也可能就多做了一套染色體。在這種情況下，水平基因轉移根本無能為力應付。標準的細菌基因重組：也就是跟染色體對齊，然後把缺少的基因裝上去，這樣的過程，讓細菌傾向累積基因跟特徵。但是只有有性生殖的過程，才能夠一邊累積有作用的基因，同時剔除壞掉的基因。這種透過有性生殖跟基因重組，來累積新基因的方式，讓早期真核生物的基因體，很快地增大。這種累積基因的方式，應該多多少少幫細胞解決了一些基因不穩定的問題；同時線粒體所帶來能量上的優勢，又讓真核生物不像細菌一樣，需要受到能量的限制。這些當然都只是猜測而已，但是我們可以透過電腦數學模型去計算可能性。

細胞分裂時，如何分開每條染色體？這問題的答案，很可能跟細菌用來分開大型質體的機器有關。質體，是一組可移動的基因「卡匣」，它會讓細菌表現某些特徵，帶有像是抗藥性之類的基因。細菌分裂時，通常會用一種由微管組成的構造，把大型質體分開；這個構造，很像真核生物使用的紡錘體（spindle）。或許，早期的真核生物，就是徵召了分離質體的小機器，用來分離它們那些亂七八糟的染色體。其實不只質體是這樣分離的，有一些細菌，甚至會用機動性比較高的紡錘體，來分開染色體，而不像一般細菌用細胞膜來分開染色體。或許，在對原核生物的世界做更深入的研究跟採樣後，我們對於真核生物在有絲分裂跟減數分裂時，拉開染色體機制的起源，會有更透徹的了解。

我們從沒看過帶有細胞壁的細菌融合過，但是有些古菌倒是真的會融合。丟掉細胞壁，對於細菌的融合來說，一定大有幫助；像是L型細菌，因為沒有細胞壁，所以確實很容易融合在一起。此外，因為現代真核生物，對於細胞融合，設下許多控制系統，這暗示了在古早以前，要阻止真核細胞祖先融合在一起，可能反而還比較困難。傑出的美國演化生物學家布萊克史東（Neil B. Blackstone）認為，細胞融合可能是被線粒體推動的。想想看線粒體所面臨的困境：身為內共生者，它們沒有辦法自由自在地離開宿主細胞，跑去感染其他細胞。所以，宿主細胞成功地生長，就等於它們在演化上的成功。如果宿主細胞，因為基因突變而裹足不前，變得發育不良，那線粒體也就慘了，因為它們也無法繁殖。但是，如果它們有辦法引發宿主跟另一顆細胞融合呢？這就會成為雙贏的局面。如此一來，宿主細胞就可以取得另一套互補的基因體，就可以重組基因；或者很簡單地使用另一套基因體上的乾淨基因，把自己一模一樣，但突變掉的壞基因遮蔽起來。這就是遠親繁殖（outbreeding）的好處。因為細胞融合讓宿主細胞可以重新生長，線粒體也因此可以開始自我繁殖，因此早期的線粒體，甚至有可能會煽動有性生殖46。不過呢，這個策略或許可以解決眼下的問題，但是很諷刺的，也會帶來另一個更普遍的問題，那就是不同線粒體之間的競爭。而解決這個爭端的辦法，或許就是有性生殖的另一個特徵：也就是兩種性別的演化出現了。

兩種性別

「凡是研究有性生殖、又實事求是的生物學家，都不會浪費時間去鑽研諸如：『如果生物有三個或多個性別的話，會有什麼後果？』這類的問題。但是如果不這樣做，那他又要如何才能了解，為何生物的性別碰巧就只有兩種呢？」這是演化遺傳學教父費雪（Ronald A. Fisher），說過的一句話。而這個問題，至今仍未能解決。

其實從理論上來講，兩種性別應該是最糟糕的組合了。想想看，如果世界上只有一種性別，那我們就可以跟任何人配對。我們選擇伴侶成功的機會，就增加了一倍，如此一來，萬事都將簡單多了。而如果我們真的需要超過一種性別的話，那麼不管三種還是四種性別，應該都比兩種要好。假設只能跟不同性別的人配對，那前兩者至少可以跟種種群中三分之二或是四分之三的人配對，而不會被局限在只能跟一半的人配對。當然，配對還是要有兩個人，但是，其實並沒有什麼明顯的理由，規定另一個伴侶不能是同性的、多種性別的，甚或是雌雄同體的。說到雌雄同體，這種生物在執行上面所遇到的困難，或許點出了一部分問題，那就是雌雄同體的生物，任何一方都不願意承擔做「雌性」的代價。像扁蟲，在交配的時候，會使盡全力讓自己不被受精。牠們會用陰莖做近距離肉搏戰。勝者的精子，灑在敗者撕裂的傷口上。這是活生生的大自然，但是作為論證的話，則是一個套套邏輯，因為它把雌性有比較高的生物代價這件事，視為理所當然。可是為何會如此呢？生物學上，雌性跟雄性的差別到底在哪裡呢？其實這兩者的差異極大，但是跟缺X或Y染色體，甚或是卵子跟精子，都一點關係也沒有。即使是單細胞真核生物，也有兩種性別（或至少兩種交配型），像是某些藻類跟真菌。它們雌雄的配子非常的小，外觀上看起來也幾無差異，但其實它們差異之大，就像你我是不同人一樣。

兩種性別差異最大的地方之一，在於線粒體的繼承。兩種性別中，只有一種會把線粒體傳給下一代，另一種則不會，不管是人類，還是單胞藻（Chlamydomonas）都一樣。我們所有的線粒體都來自母親，每一個卵子裡面，都有約十萬個線粒體。即使單胞藻所產生兩種配子，長得幾乎一模一樣（我們稱為同型配子，isogamete），也只有一個可以把線粒體傳下去；另一個只能屈辱地讓自己的線粒體，在細胞內被吃光光。正確地來說，其實是線粒體的DNA會被吃光，因此問題似乎來自線粒體的基因，而不是它的外表結構。所以現在情況變得很特別。如前所述，線粒體似乎會煽動有性生殖，但是結果卻不是讓自己在細胞間散布，反而是讓一半的線粒體被吃掉。為什麼會這樣呢？

最有可能的解釋，就是因為自私的線粒體彼此發生衝突。在基因完全一樣的細胞之間，沒有競爭可言。這就是為何我們身體的細胞可以如此溫馴，它們可以緊密合作，建造我們的身體。每個人的細胞，基因組成都一模一樣，所以可以稱為一團巨大的克隆（clone）。基因不同的細胞，就會彼此互相競爭，所以突變的細胞（基因改變了）就會變成癌細胞；線粒體也是一樣，基因不同的線粒體，如果混在同一顆細胞裡面的話，就會產生競爭。不管是細胞或是線粒體，繁殖最快的會占優勢，即使後果是造成宿主的死亡，它們也不管；這就像是線粒體的癌症。會這樣發展，是因為細胞都是各憑本事自我複製的個體，而如果可以的話，它們隨時都想生長跟分裂。法國的諾貝爾獎得主賈柯（François Jacob）曾說過：每一個細胞的夢想，都是變成兩顆細胞。讓人驚訝的，並不是它們隨時都在分裂，而是它們竟然可以被限制這麼久，久到足夠形成人體。所以，把兩群不同的線粒體混在同一個細胞裡，根本是自找麻煩。

幾十年以前，就有人提出這樣的假設了，其中還不乏許多最偉大的演化生物學家，像是漢米爾頓（William D. Hamilton），也支持這樣的論點。但是這個論點也遭到許多挑戰。首先，在某些例外中，線粒體確實會被混在一起，而結果並非總是以悲劇收場。再者，還有實際上的問題。假設有一個線粒體發生突變，獲得了生長上的優勢，這個突變者就會長得比其他線粒體都快。後果呢？要嘛這個突變是致命的，那線粒體就會帶著宿主細胞一起死亡，要嘛不那麼致命，這個突變者就會散布到全種種群。如果想要從基因上面，去阻止這個突變線粒體的傳播（比如細胞核裡的基因發生改變，可以阻止線粒體混合），那這種改變最好早點出現，才能在突變線粒體散布時阻止它們。如果碰巧所需的基因沒有即時出現，那就慘了。一旦突變者已經在種種群中散布到穩固的地步，那不管做什麼都來不及了。但是演化是盲目而且沒有先見之明的，它無法預見下一次線粒體突變，何時會出現。此外還有第三點，讓我懷疑或許快速生長的線粒體，並沒有那麼糟。線粒體所保存的基因，實在是少之又少，為何會如此呢？我們有許許多多的解釋，其中之一，就是為了要讓線粒體可以快速生長。這意思也就是說，在歷史上，應該已經出現過好幾次突變，加速線粒體複製的速度。但是它們並沒有在有性生殖的演化中被剔除。

因為這些原因，所以我在上一本書中，提出了一些新的論點：或許真正的原因，在於線粒體基因，必須要適應細胞核的基因。在下一章中，我會談的比較詳細；在這裡，我們只要先記住一點就好：要讓呼吸作用運作順暢，線粒體裡的基因跟細胞核裡的基因，必須密切合作。這兩個基因體，任何一個發生突變的話，都會影響到細胞的適應性。所以我認為，線粒體的單親遺傳，也就是說只有一種性別可以把線粒體傳下去的原因，就是為了要改善這兩個基因體之間的「互相適應」（coadaptation）。雖然我覺得這個假設非常合理，不過如果沒有優秀的數學家哈吉瓦西露參與的話，這故事可能就會停在這裡。哈吉瓦西露是我跟波明安可夫斯基共同指導的博士班學生，除了對數學以外，她對生物學也愈來愈感興趣。

哈吉瓦西露的研究指出，單親遺傳確實可以讓線粒體與細胞核兩個基因體，互相適應得更好。原理其實很簡單，跟抽樣的效應有關，而最終的結果則是增加種種群裡的變異性。我來說明一下：假設我們有一個細胞，裡面有一百個線粒體，每個線粒體的基因都不太一樣。現在從裡面抽樣出一個線粒體，把它送進另一個空白的細胞裡面，讓它自我複製一百次。現在這個新的細胞裡，有一百個線粒體，除了少數的突變以外，其他的都一模一樣。這些線粒體都是所謂的「克隆」。現在重複這製個步驟，直到把一百個線粒體，都分別送進一百個新細胞為止。現在這一百個新細胞裡，都有不同的線粒體，有一些很優秀，有一些很糟，這樣就增加了細胞之間的歧異度（variance）。反過來講，如果我們只是把原來的細胞複製一百次，那結果就是，每一個子細胞，都跟母細胞有一樣的混合線粒體。在天擇的眼中，這些細胞根本一模一樣，看不出有什麼差異。但是藉著抽樣跟克隆，我們卻可以產生一群不同的細胞，其中有些比母細胞好，有些比較差。

這個例子當然比較極端，不過卻很能顯示單親遺傳的特色。單親遺傳只會從雙親其中之一，抽樣出一些線粒體，放入受精卵中，這樣就可以增加線粒體的多樣性。天擇可以辨識出這樣的差異，然後剔除比較不適合的細胞，留下適合的細胞。如此一來，種種群的適應性才能夠一代又一代改進。有趣的是，這種機制的原理與好處，跟有性生殖本身一模一樣，只不過有性生殖增加的是核基因的歧異度，而兩種性別，則可以增加不同細胞間線粒體的歧異度。就是這麼簡單。至少我們本來是這樣覺得。

到目前為止，我們的研究，還是直接去比對，在「有」跟「沒有」單親遺傳的情況下，適應性的差別。我們還沒有考慮過，在一個原本是雙親遺傳（也就是兩個配子都會把線粒體傳給下一代）的種種群中，如果出現了一個造成單親遺傳的基因時，會怎麼樣？這個基因，會傳播開來到穩固的地步嗎？如果會的話，那麼我們就會演化出兩種性別；其中一種性別，會把線粒體傳給下一代，而另一種性別的線粒體，則會被殺死。為此，我們發展了一套的數學模型，去驗證這個可能性。我們比較了根據互相適應假設、根據自私線粒體衝突假設；以及單純地累積突變線粒體等三種假設中，這個基因傳播的效果47。結果頗讓我們驚訝，至少一開始結果相當讓人失望。單親遺傳的基因，不太會在種種群裡傳播開來，更不可能達到穩固的地步。

問題在於，維持種群適應性所要付出的代價，跟突變線粒體的數目有關。愈多線粒體突變的話，代價就愈高。但是反過來說，單親遺傳的好處，也跟突變線粒體的數量有關，但是趨勢相反：突變線粒體愈少，就愈顯不出好處。換句話說，單親遺傳的好處與成本，並非固定，而是隨著種種群中突變線粒體的數量而改變，同時只消經過幾輪單親遺傳，好處就會被抵消（見圖29）。我們發現雖然在三個模型裡面，單親遺傳都會增加整個種群的適應性，但是隨著單親遺傳的基因在種種群裡散布開來，它的好處卻漸漸降低，直到被缺點抵消為止。最主要的缺點，就是單親遺傳的細胞，在種群裡面能配對的對象比較少。當單親遺傳的細胞在種種群中，只增加到百分之二十左右時，優缺點就會達到平衡。線粒體突變的速率變高的話，可以把這個比例往上推到百分之五十左右，但是種種群中另一半細胞，仍然可以繼續彼此配對。要說有什麼影響的話，那就是會演化出三種性別。總之，光靠線粒體遺傳，無法讓生物演化出兩種交配型。所以雖然單親遺傳可以增加配子之間的歧異度，改善種種群適應性，但是光靠它帶來的好處，並不足以推動種種群演化出兩種交配型。

因為這等於是直接否定了我自己的假設，實在讓人難以接受。所以後來我們又繼續嘗試了各種想得到的條件，想要證明假設的正確性。但是最終我卻不得不承認，不管在哪一種情況下，單親遺傳的突變，都無法促使生物演化出兩種交配型。交配型一定是因為別的原因而演化出來的48。不論如何，單親遺傳確實普遍存在於生物界。或許正是因為我們的模型有錯，所以無法解釋它為何出現。事實上，我們發現，如果生物的兩種交配型，事先已經存在的話，那麼在某些條件下，單親遺傳的基因就會在種種群中穩固下來。這些條件就是：細胞有大量的線粒體，而線粒體基因的突變速率很高。這樣的結論似乎無可辯駁，而且這個解釋也跟大自然中「非單親遺傳」的例外生物吻合，同時關於為何幾乎所有多細胞生物（包括像我們這樣的動物），線粒體都是靠單親遺傳這種現象，也說得通，因為這些生物正好都帶有大量線粒體，又有高突變速率。

這是一個很好的例子，讓我們了解，數學種種群遺傳學的重要性：任何科學假設，不論是用什麼方法，都必須受到檢驗。在我們剛剛舉的例子裡，根據嚴格的模型計算後清楚地顯示，除非種種群裡面已經先有兩種交配型存在，否則單親遺傳將無法穩固地在種種群中立足。這應該是我們所能得到最嚴謹的證明了。不過我們也不是全盤皆輸。關於「交配型」跟「真正性別」（也就是雌性與雄性個體長相完全不同）兩者之間的差異，一直讓人摸不著頭緒。許多植物跟藻類，也同時有交配型跟兩性。或許，我們對於「性別」的定義有誤；或許應該考慮的，是「真正性別」的演化，而不是兩種外形一模一樣的「交配型」的演化。單親遺傳，是促成動物與植物出現「真正性別」的演化推手嗎？如果是這樣的話，那就算交配型的出現，是基於其他原因，但是線粒體遺傳，仍有可能推動「真正性別」的演化。老實說，這個想法聽起來很薄弱，不過仍值得檢視一番。這整個推理過程並沒有帶給我們一個很有啟發性的答案。這正是因為我們並不是從比較一般的前提開始研究。我們應該先假設單親遺傳是個普遍存在的現象。相反的，我們卻從先前研究中，令人失望的結論開始推論。

不朽的生殖細胞，難免一死的肉體

動物有非常非常多的線粒體，我們日夜不停地使用它們所提供的能量，來支持激烈的生活方式，這也導致我們的線粒體有極高的突變率，對嗎？其實，對也不對。我們每一個細胞，都有數百到數千個線粒體。我們並不確知它們的突變速率（要直接測量，可是非常困難的事）；但是我們知道，在經過很多代之後，我們線粒體的基因演變的速率，要比細胞核裡的基因，快了十到五十倍。這結果顯示了，單親遺傳在動物身上，應該很快就會達到穩固的程度。根據我們的模型計算，單親遺傳在多細胞生物中，比在單細胞生物種種群中，要快穩固下來。這些都不讓人意外。

但是若只思考到我們自己，我們很容易被誤導。最早出現的動物，其實應該跟我們不一樣：牠們應該比較像海綿或是珊瑚，多半固著在一個定點，靠著濾食過活，而不會四處移動；至少，在牠們成蟲的型態時不會。這樣一來，牠們沒有太多線粒體，也就不讓人驚訝。牠們線粒體的突變速率也很低，甚至，只會跟細胞核基因的突變速率一樣或更低而已。這些前提，就是另一個天才洋溢的博士班學生拉德齊維拉維修的研究起點。他原本也專攻物理，現在卻被生物學界的大哉問所吸引。他認為，過去最有趣的問題是物理，現在則是生物。

拉德齊維拉維修認為，多細胞生物體內的細胞分裂，其實跟單親遺傳有相同的效果，它們都會增加細胞之間的歧異度。怎麼說呢？是這樣的：細胞每分裂一輪，就會隨機把線粒體分配給兩個子細胞。如果這些線粒體裡面有少數突變了，那要完全平均分配突變線粒體的機率，微乎其微。比較實際的情況，應該是其中一顆子細胞，會得到比較多的突變線粒體。這樣多幾輪細胞分裂之後，細胞之間的差異就會增大。某幾顆曾曾曾孫細胞，會比其他細胞累積較多的突變線粒體。至於這件事情是好是壞，則要看是哪一顆細胞收到了壞掉的線粒體，還有收到了多少個。

以海綿這種動物為例，牠們全身每個細胞都很相似，並沒有像大腦或是小腸這類非常特化的組織。如果你把一隻活生生的海綿切成小塊（可別在家裡嘗試呦），牠們可以從這些碎片中自我再生。海綿有這樣的能力，是因為牠們的幹細胞幾乎到處都是。這些幹細胞，可以發育成新的生殖細胞（germ cell）跟體細胞（somatic cell）。從這個角度來看，海綿跟植物無異。他們兩者都不會在發育之初，就先把特化的生殖細胞藏匿起來。相反地，它們會使用散布在許多組織中的幹細胞，分化成為配子細胞。這兩種發育方式的差異非常關鍵。我們人類在胚胎發育之初，就已經預留了一部分細胞當作生殖細胞之用。一般來說，哺乳類動物肝臟中的幹細胞，絕對不可能分化成生殖細胞。但是海綿、珊瑚以及植物卻不一樣，它們可以從許多地方長出新的生殖器官，然後製造新的配子細胞。許多科學家試圖去解釋這種差異，不過都是從細胞之間的競爭關係出發去思考49。拉德齊維拉維修卻發現，這些生物都有一個共同點，那就是它們細胞裡的線粒體數量都很少，同時突變速率也很低。假使有線粒體突變了，通常也可以藉著細胞分裂（segregation）把它們剔除。它的運作過程如下。

還記得剛剛說過，細胞分裂數次之後，會漸漸增加種種群的歧異度嗎？同樣的原則也適用於生殖細胞身上。如果生殖細胞在胚胎發育之初，就被藏匿起來，那麼它們彼此之間的差異不會太大，因為只有僅僅數次細胞分裂，並不會增加太多歧異度。但是如果從成體的組織中，隨機選擇細胞來做生殖細胞的話，那麼它們之間的差異就會大很多（見圖30）。因為細胞分裂的次數多了，其中某些生殖細胞，就會累積比其他細胞更多一點突變，它們之間的差異會很大；有一些細胞可能趨近完美，有一些細胞可能一片混亂。這正是天擇作用所需要的：它可以消滅所有不好的細胞，讓完美的細胞存活下來。這樣一代又一代之後，生殖細胞的品質會愈來愈好。所以從成體組織裡面選擇生殖細胞的策略，要比一開始就把它們藏起來、讓它們凍起來的策略要好。

所以，增加歧異度對生殖細胞來說是有利的，但是，這樣卻有害於成體的健康。因為壞的生殖細胞會被天擇消滅，留下好的去播種。但是，壞的幹細胞呢？壞的幹細胞則會發育成有缺陷的組織，結果無法應付個體所需。要知道生物個體的適應性，相關連於器官的適應性。舉例來說，如果我得了致命的心臟病，那腎臟功能的好壞，就變得無關緊要了；因為全身健康的器官，都會隨著我的死亡而死亡。因此，增加線粒體的歧異度，有好處也有壞處。為生殖細胞帶來的好處，可能會被為全身帶來的壞處抵消。抵消的程度，端視組織的數量，還有突變速率而定。

一個生物的成體有愈多組織的話，就愈有可能在某些關鍵組織裡，累積到最壞的線粒體。相反的，如果這生物只有一種組織，那問題就不存在，因為這樣生物的組織之間就沒有依賴性：不會有哪個關鍵器官的衰竭，危及到整個個體的生存。因此，對那些只有一種組織的簡單生物來說，增加歧異度只有好處：它對生殖細胞有好處，同時對個體又沒有特別的壞處。我們因此可以預測，最早的生物，因為多半只有很少不同的組織，同時線粒體的突變率也低（假設如此），所以線粒體應該靠雙親遺傳，生殖細胞也沒有被特別隔離開來。但是當早期的生物漸漸變得複雜，各種組織分化出來之後，全身細胞的歧異度也就增加了。因為好壞都可能有，對成體整體的適應性來說，就變成一場大災難，如同剛剛舉心臟病那樣的例子。為了要能增加整體的適應性，個體線粒體的變異性必須減少，以確保所有新生的組織都擁有相似，且大部分都是運作良好的線粒體。

要降低成體組織變異性最簡單的辦法，就是從一開始就讓卵子裡面有比較多的線粒體。根據統計原理，如果創始種群的體積龐大，被分割給好幾個接受者時，每個接受者所分到的差異就會比較小；而如果創始種群很小，靠不斷自我複製然後再分配一樣數目給接受者時，每個接受者所分到的差異，就會很大。結果就是，增加卵細胞的體積，放入愈多的線粒體，會愈有好處。根據我們的計算，負責讓卵細胞變大的基因，會在簡單的多細胞生物種群裡面快速散播，因為它可以降低成體組織之間的歧異度，解決任何組織功能上可能出現的災難。但是就另一方面來說，低歧異度對於配子沒有好處，因為這樣彼此之間就大同小異，在天擇作用下的「能見度」也比較低。生物要如何協調這兩種完全相反的傾向呢？很簡單，只需要兩個配子其中之一，也就是卵細胞增大體積，而另一個縮小體積變成精子，就可以一次解決所有問題。大體積的卵細胞，降低了組織之間的差異性，因而可以增加個體整體的適應性。而把線粒體從小體積的精子裡面排除，就達成了單親遺傳，其結果就是雙親只有一方能夠把線粒體傳下去。我們之前已經解釋過，線粒體的單親遺傳可以增加不同配子之間的差異，因此可以提高它們的適應性。換句話說，有超過一個組織以上的生物，就會傾向發展出異配結合（外形不同的配子，像精子跟卵子）與單親遺傳兩種特徵。

我要再強調一次，前面所講的這些現象，前提都是線粒體的突變率很低。雖然對於海綿、珊瑚跟植物來說，這個前提是真的，但是對於比較「高等的」動物來說，卻不是如此。如果線粒體突變率增高，又會發生什麼事呢？延遲製造生殖細胞所帶來的好處，就消失了。根據我們的模型顯示，這時候線粒體突變會快速累積，結果最後配子裡面就塞滿了各種突變線粒體。如同遺傳學家克勞（James F. Crow）說的，「對整個種群的健康造成最大傷害的突變，莫過於來自還有繁殖力的老男人」。幸好我們有單親遺傳，結果讓男人的線粒體完全不會傳給下一代。在突變速率很快的情況下，我們發現能把生殖細胞隔離起來的基因，會很快地在種群中散播開來：在發育早期就將生殖細胞隔離開來，讓卵子的時間凍結，有助於降低線粒體累積的突變。任何可以降低生殖細胞突變的適應行為，應該也會深受天擇青睞。事實上，我的同事艾倫就發現，雌性動物生殖細胞裡面的線粒體，根本像是被關掉了一樣。當卵巢在胚胎時期發育的時候，就已經把線粒體藏在初級卵細胞（primordial egg cell）裡面，連同細胞一起被隔離開來。艾倫一直主張，卵細胞裡面的線粒體，就是遺傳「模板」，所以才會被保存在不活化的狀態下，這樣突變率比較低。根據我們的模型，這個看法，相當吻合現代生活步調快速的動物，因為牠們有大量的線粒體以及高突變率。但是對於生活步調比較緩慢的祖先，或是其他生物像是植物、藻類以及原生生物來說，就不是這麼一回事了。

所有這些發現的意義是什麼呢？這些發現的意義就是，光是線粒體的歧異度一件事，就足以解釋在多細胞生物身上出現的異配結合（精細胞跟卵細胞）、單親遺傳，以及隔離的生殖細胞（雌性生殖細胞會在發育早期，就被隔離起來）等特徵的演化問題，而它們正是雌雄兩性生物，在性別上差異最大的地方。換句話說，線粒體的遺傳問題，造成了生物兩種性別實質上最大的差異。不同細胞的線粒體之間自私的衝突，當然也有一些影響，不過這影響可有可無：生物之所以演化出生殖細胞／體細胞兩種截然不同的細胞，並不需要考慮到線粒體的自私衝突，也可以解釋。更重要的是，根據模型所推算出來的演化順序，並不是我一開始所預估的。我原本猜測，線粒體單親遺傳，應該是最遠古的特徵；之後才演化出隔離的生殖細胞；最後精子細胞與卵子細胞，才伴隨著「真正性別」一起演化出來。但是，我們的模型卻顯示，最早祖先的線粒體原本是靠雙親遺傳，之後出現了異配結合（精細胞與卵細胞出現），然後才有了單親遺傳，最後才有隔離的生殖細胞。這個真的是正確的演化順序嗎？其實不管哪一個，我們手上的資訊都少得可憐。但是這是非常明確，而且可以被驗證的預測，我們很想去檢驗一下。首先可以先檢視的生物是海綿跟珊瑚。牠們都有精子跟卵子，但是並沒有被隔離開來的生殖細胞。如果我們特別篩選出線粒體突變速率高的個體，那牠們會開始隔離生殖細胞嗎？

讓我們總結，以及一些引申推測。為什麼線粒體的突變率會變高呢？當生物變得比較活躍，牠的細胞跟蛋白質的生命周期，也會跟著加速，這時就可能有影響。發生在寒武紀大爆發前夕的海洋氧化事件，有利於演化出活躍的兩側對稱動物，牠們的高機動性，就可能造成線粒體的突變速率加快（這可以透過譜系發生學的測量來比較）。這樣一來，會迫使這些動物隔離出一些細胞，作為生殖細胞之用。這就是「不朽的生殖細胞」，與「難免一死的體細胞」，在演化上的分歧點，同時也是死亡的起源：生物從此演化出注定死亡的命運。生殖細胞不朽的意義，在於這些細胞可以永遠無限制的分裂下去，它們永遠也不會老死。每一代生物在發育之初，就會先預藏一部分生殖細胞，隔離起來作為下一代的種子。個別的配子細胞有可能受損，但是每一代的個體，都是以稚齡嬰兒的型態誕生出來，在意義上，等於生殖細胞一直維持了永生不朽的潛力，就像海綿那類生物，可以從一小塊組織中，重新發育出個體。一旦這些特化的生殖細胞被藏起來後，身體的其他部分，就可以為了其他特殊用途而特化；它們的發育，將不再因為要在組織中保存幹細胞，而受到限制。結果就會出現永遠無法自我再生的組織，像大腦，它們就是可丟棄的體細胞。這些組織都有使用年限，可以用多久，端視這個生物需要多少時間產生下一代。這又要看生物需要多快才能達到性成熟，也就是發育速度，以及原本所預期的生命周期。這樣一來，在性與死亡之間，就產生了平衡，這也是老化的起源。在下一章，我們會再談得詳細一點。

在這一章裡面，我們探索了線粒體對於真核生物的影響，其中有一些影響至為深遠。還記得本書最重要的問題嗎？為何所有的真核生物，都演化出一系列從未在細菌跟古菌身上見過的共同特徵呢？在上一章中，我們介紹了原核生物如何受限於它們的結構，特別是缺少用來控制呼吸作用的基因。獲得線粒體這件事，徹底改變了真核生物的演化世界，讓它們的體積跟基因體大小，都可以擴張四到五個數量級。扣下這次事件扳機的，是兩個原核生物之間的內共生作用；這件事情罕見至極，影響至為深遠，但是又可以預測。影響深遠的原因，是因為缺少細胞核保護的細胞，從此成為DNA以及基因寄生蟲（內含子），一連串攻擊的目標，這些都是內共生者帶進來的。可預測的原因，是因為宿主細胞每一階段的反應：從細胞核的演化、有性生殖、兩種性別，以及生殖細胞的演化，都可以透過傳統的演化遺傳學理解，雖然，切入的角度並不傳統。在這一章中所提出的某些論點，或許之後會被證明是錯誤的，一如我對於兩性演化的假設。不過在這個例子中，當我們對兩性的演化，有了更深入的了解之後，才發現它背後的意義，遠比我當初想像的要豐富得多，它其實與生殖細胞／體細胞的分化有關，因此也是性與死亡演化的源頭。透過邏輯思考以及嚴謹的模型，去了解生命演化，既美妙又有可預測性。生命在其他地方，應該也是遵循著類似的腳步演化，由簡而繁。

這個版本的生命史，整整四十億年的歷史，把線粒體放在真核生物演化的核心位置。最近幾年，醫學研究也漸漸提出相同的觀點：我們現在知道，線粒體是控制細胞死亡（細胞凋亡）、癌症、退化性疾病、生殖，還有控制許許多多其他方面的機器。我這種把線粒體放在生理學核心的主張，可能會讓許多醫學研究者不滿，他們大概會覺得，這種看法缺少全面而平衡的視野。隨便把任何一顆人類細胞放在顯微鏡下，你都可以看到一群忙碌的小工廠，而線粒體誠然重要，也只是其中之一而已。但是演化不是這樣看事情的。對於演化而言，線粒體的地位就是複雜生命的起源。所有真核生物的特徵，也就是說所有的細胞生理學，都源自於這一對細胞伴侶之間持續不斷的拔河。這場拔河直到今日還繼續著。在本書的最後，我們要來看看，這對細胞伴侶之間的互動，如何鞏固我們的健康、繁殖力，以及長壽。

42　我並不是在宣稱：氧氣濃度上升促使動物的演化（第一章曾經討論過），但是它確實有利於大型動物的行為，變得比較活躍。突破能量的限制後，確實促進許多群動物，進行多系輻射演化；但是這些動物早在寒武紀大爆發之前就存在了，也就是早於前寒武紀末期的氧氣上升。

43　好吧，正確來說，應該是「幾乎」無所事事。有些內含子還是有作用的，比如說可以跟轉錄因子蛋白結合，有時候又跟RNA一樣有活性，可以影響蛋白質合成，或是影響其他基因的轉錄。非編碼DNA的功能，是現代科學家爭論不休的主題，而至今始終毫無定論。有些非編碼DNA很明顯具有功能，但是其他部分，我比較偏向站在懷疑論者的那一邊。懷疑論者認為，大部分人類基因體中的序列，都沒有什麼嚴格的限制可循，而偏偏DNA的功能，又必須依賴精確的序列才能發揮，因此這些不受限制的DNA片段，不太可能有什麼用。從各種層面來考量，都表示這種DNA序列沒有功能。如果一定要估計個數字的話，我會說，人類基因體裡大約百分之二十，是有功能性的，而其他的泰半是垃圾。但是這也不是說它們一點用處也沒有，畢竟，它們還可以填滿空間，因為大自然厭惡真空嘛（譯注：非編碼DNA跟無功能DNA不一樣。非編碼DNA是指無法轉譯出蛋白質的DNA，但是它們有些有功用，可以負責調節基因表現，或做出核糖體RNA。因此，科學家估計人類基因體裡，大概有百分之九十八的非編碼DNA，而作者在這裡則說，無功能DNA占了百分之八十）。

44　同一個基因的不同版本，我們稱為「對偶基因」（alleles）。雖然這些基因在每個人的染色體上位置都一樣（這個位置稱為基因座，locus）；但是在不同個體之間，不同版本的基因，序列可能略有差異。如果幾個特定的版本，在種種群中十分常見，我們就知道這個基因，有好幾個對偶基因。簡而言之，對偶基因就是在不同個體的相同染色體的相同位置上，有著多形性變異的基因。而對偶基因跟突變的差別，在於發生率不同。新的突變在種種群中出現的機率很低。但是如果這個突變會帶來一些好處，那它在種群中就有可能很快的被傳播開來，直到這個優點被某些其他的缺點平衡掉為止。這時候，這個散布開來的突變新基因，就變成一個對偶基因了。

45　所謂有效種群的大小，代表了一個種群裡面遺傳變異的量。從寄生蟲感染的角度來看，一個靠無性生殖繁殖的種群，就等於一個單一個體。如果這個種群獨特的基因組合，對於某種寄生蟲來說特別適合、特別容易成為目標，那感染這個寄生蟲的話，整個種群將會被輕易摧毀。相反地，一大群行有性生殖的種群，因為同一個基因有好幾種對偶基因，所以遺傳變異將很大。這樣的變異，讓這群生物在面對上面說的，喜愛特定基因組合的寄生蟲時，將比較有抵抗力。這兩群生物就算數目一樣，後者的有效種群大小將大得多。

46　布萊克史東甚至更進一步，從線粒體的生物物理學角度，提出了一個可能的機制。他認為宿主細胞，如果因為基因突變導致生長緩慢的話，也會消耗比較少ATP，如此一來，ATP就不會被分解成ADP了。而因為呼吸作用中的電子流動與否，端視ADP的濃度高低而定；一旦ADP減少，呼吸鏈裡面就開始堆積電子，反應性也變高，這就會形成氧的自由基（下一章會解釋得比較詳細）。科學家發現，在今日某些藻類體內，當自由基從線粒體中漏出來時，會刺激藻類形成配子，並進行有性生殖。我們可以透過給予抗氧化劑，來中斷這種現象。那麼自由基，可不可能直接刺激細胞，促進它們融合呢？這不無可能。我們已知細胞受到輻射傷害時，會啟動某些機制，讓細胞膜融合，這過程有自由基參與。果真如此的話，這種天然的生物物理程序，就有可能透過天擇的篩選，變得愈來愈有用。

47　從數學的角度來看，這三種假設不過是彼此的不同版本而已，因為它們都跟線粒體突變的速率有關。在單純累積突變的情況下，突變線粒體累積的速率當然取決於突變的速率。在線粒體自私衝突的假設中，當自私的突變線粒體出現時，它會複製的比原本的要快一些，也就是突變線粒體會在種群中散布開來。從數學上來講，這等同快一點的突變速率；也就是說，在相同的時間裡，會出現比較多的突變線粒體。互相適應的假設則完全相反。因為細胞核裡的基因會適應突變的線粒體，這個線粒體就不再有害，根據我們的定義，這等於沒有突變。

48　還有很多其他的可能原因，從確保遠親繁殖，一直到生物訊號跟費洛蒙等等都有可能。既然有性生殖需要兩個細胞彼此結合，那在一開始，它們不但要先找到對方，還要確定對方是對的細胞（跟自己同種的）才行。細胞通常靠一種叫做「趨化性」（chemotaxis）的作用來尋找對方，也就是說它們會釋放出費洛蒙（就好像是一種味道），然後其他細胞，會開始往濃度愈濃的方向移動，去尋找釋放的源頭。如果兩種配子都放出一樣的費洛蒙，那彼此就會搞混，因為這有如游在一個小圈圈中，一直都聞到自己的費洛蒙一樣。最好是只有一種配子會放出費洛蒙，然後其他細胞往它游過去。因此，出現兩種交配型，或許跟尋找交配伴侶的策略有關。

49　比如說，耶魯大學的發生生物學家布斯（Leo W. Buss）就主張，動物細胞比起植物細胞來講，因為會移動，有可能基於自私的天性，而侵入生殖細胞群中，結果反而傷害自己；而植物細胞因為有厚重的細胞壁，本身幾乎無法移動，所以沒關係。但是難道對海綿跟珊瑚這些動物來說也是如此嗎？牠們可是帶有如假包換的會移動細胞呢！然而牠們也並沒有比植物有更多的生殖細胞，所以我很懷疑這種說法。

第四部 預測

第七章 力量與榮耀

基督，祂是普世的君王（Chris Pantocrator）。在所有正統跟非正統的聖像畫中，應該沒有任何一種藝術上的挑戰，要比畫出主耶穌基督的神人二性更困難的了。祂既是人也是神，也是既嚴厲又慈愛的審判者。有時候，在祂的左手，會拿著〈約翰福音〉：「我是世界的光，跟從我的，就不在黑暗裡走，必要得著生命的光。」肩負著這樣的使命，無怪乎普世君王在畫中看起來，總是神情抑鬱。對於藝術家來說，光是在人的形象中畫出神性還不夠，他們還要用馬賽克拼貼畫來表現，將畫高懸在精美的大聖堂祭壇上方。我實在無法想像，是怎樣高超的技巧，才有辦法精確地透視整幅圖畫，有辦法抓準那生動臉龐上的光影；又要如何，才能讓每一小塊磁磚顯現出它們的意義？這每一小塊磁磚，當隱身在巨大精巧的設計中時，一方面顯得無足輕重；但同時每一塊磁磚，卻又對整體概念至關重要。我們都知道，即使微不足道的錯誤，都有可能讓造物者臉上，出現惱人的滑稽表情，結果毀掉全盤努力；而當它被圓滿完成時，如同義大利西西里島上的切法魯大教堂（Cefalù Cathedral），即使是宗教信仰最薄弱的人，都一望即知那是神的臉。這是無名的手工藝者所留下來的傑作，也是永恆的紀念品50。

我並沒有打算把本書帶往新的方向。我只是震驚於那小小的馬賽克磁磚，所拼湊出的人類意念，以及震驚於生物學裡的「小小馬賽克磁磚」，有著一樣的重要性。是否由各種模組拼湊起來的蛋白質跟細胞，與我們的審美觀之間，有某種神祕的潛在關聯呢？我們的眼睛，是由數百萬個光受器細胞所組成；它們有兩種，分別是桿狀細胞跟錐狀細胞。每一個小細胞，隨著光線刺激而開開關關，形成像馬賽克一樣的拼貼畫。這些影像又會變成各種片段的訊號，像是明暗、顏色、對比、輪廓等，在腦中的心靈之眼裡，重組成馬賽克神經訊號。馬賽克拼貼畫之所以會撩撥我們的情感，一部分原因正是因為它從碎片拼湊出真實影像的方式，跟我們的意識一樣。細胞也是由許多模組小單元組成，它們是有生命的磁磚，每一小片都放在關鍵的位置上，忠實執行自己的任務。四十萬億片小磁磚，拼貼出一個了不起的立體作品，就是人類。

在生物化學裡面，馬賽克拼貼法占有極為重要的地位。以線粒體為例，它帶了很多重要的呼吸蛋白質；這些蛋白質，可以把電子從食物中拔出來傳給氧氣，同時一併把質子運輸過線粒體內膜。這些蛋白質就是由許多小單元拼貼出來的。像最大的一個蛋白質，複合物I，本身就含有四十五個不一樣的蛋白質，每一個蛋白質，又是數百個胺基酸連接成的長鏈。這些蛋白質複合物，常常又會聚集在一起形成更大的集合體「超複雜體」（supercomplexes），形成把電子傳給氧氣的隧道。數千個超複雜體，每一個都是馬賽克拼貼的傑作，裝飾著線粒體這個莊嚴的大聖堂。這些馬賽克拼貼的品質，是生死交關的事。做出滑稽的普世君王肖像畫，可不是件好笑的事；而若是呼吸蛋白質的一小塊拼圖放錯了位置，我們更會受到不亞於聖經裡面所述的可怕嚴厲懲罰。只要一個胺基酸放錯了位置，就有可能導致肌肉或大腦的缺陷性退化，甚至造成早夭，這些就是所謂的線粒體疾病。影響這些疾病發病時間跟嚴重程度的基因，狀態難以探知，這要看是哪一塊拼圖出錯，以及錯誤頻率而定。但是這些疾病不管輕重，都在在顯示出，線粒體對於我們生命的存續與否，占有核心的重要性。

線粒體是拼湊出來的，這些拼圖的品質關乎生死。除此之外，如同普世君王肖像一般，呼吸蛋白質也因為有「兩種性質」而顯得獨一無二，這意思是說，線粒體跟細胞核兩者，最好能搭配的如天作之合。圖31顯示的是把電子從食物傳送給氧氣的呼吸鏈，它的蛋白質有著非常獨特的排列方式。排列在線粒體內膜上的核心蛋白，大部分都由線粒體自己的基因負責編碼，用深色代表。其他的蛋白質（淺色區域）則由細胞核裡面的基因負責編碼。我們大概在一九七○年代早期，就知道這件奇怪的事情了。那時候科學家剛剛才發現，線粒體的基因體實在太小，因此絕對不可能編碼出自己全部的蛋白質。這個發現讓早期的假設，認為線粒體可以完全獨立於宿主細胞而活，顯得毫無意義。線粒體表面上看起來，好像可以隨時在自己想要的時候複製分裂，但這樣的自主性不過是幻象而已。其實它們的功能依賴兩套不同的基因體。只有在這兩套基因體都提供全套蛋白質的時候，它們才有辦法生長跟運作。

我想強調一下這件事有多麼詭異。細胞需要呼吸，它們不能呼吸的話，我們會在數分鐘之內死去。而細胞的呼吸，又完全依賴一條拼貼出來的呼吸鏈；這條呼吸鏈的蛋白質，由兩套差異甚大的基因體負責編碼。電子要想抵達氧氣的話，它必須從這條呼吸鏈裡的一個氧化還原中心，跳到鄰近的中心，一個一個這樣跳下去。這些氧化還原中心，通常一次只能接受或給予一個電子，我們在第二章討論過，這就像過河的踏腳石一樣。這些氧化還原中心深埋在呼吸蛋白裡面，它們的精確位置，端視蛋白質的結構而定，這結構跟編碼出這些蛋白質的基因序列有關，因此也就同時依賴著線粒體與細胞核的基因體。我們之前也提過，電子是藉著一種叫做「量子穿隧效應」的機制，跳來跳去。它們從一個中心消失，然後出現在另外一個中心裡，出現與消失的機率，與許多因子有關：氧氣的吸引力（精確一點來說，應該是下一個氧化還原中心的還原電位高低）、兩個相鄰的氧化還原中心的距離、占有率（下一個氧化還原中心是否已經被電子占住了）等等。特別是兩個中心之間的精確距離非常重要，因為量子穿隧效應只能發生在很短的距離內，在少於十四個埃的距離以內才行（還記得埃（Å）這個單位嗎？大概是原子的直徑大小）。再遠一點的距離，就跟無限遠沒差了；因為超過這個距離以後，電子要在兩者之間跳躍的機會趨近於零。在這個關鍵距離以內，電子在兩個中心之間跳耀的機率與距離有關，而兩個中心的距離又跟兩個基因體的交互作用有關。

這個距離每多一「埃」，電子傳遞的速率就降低大約十倍。我再說一次：兩個氧化還原中心之間的距離每多一埃，電子在它們之間的傳遞速率，就少十倍！這大約就是兩個相鄰原子之間，電子的作用尺度；比如說，蛋白質裡面帶正電跟帶負電的胺基酸，之間形成的「氫鍵」，就是如此作用。假設有一個基因突變，改變了某個蛋白質裡面的某個胺基酸，那麼原本的氫鍵就有可能被打破，或者形成一個本來沒有的氫鍵。整個氫鍵網絡，包括原本將氧化還原中心綁在正確位置上的氫鍵，都可能會稍微移動一點。它們的位置或許只移動了一埃，但是這樣微小的位移，透過量子穿隧效應，會把影響放大許多。一埃的距離，就足以讓電子傳遞的速度慢了或快了一整個數量級。這就是為什麼，線粒體的突變，有可能釀成大災難。

細胞核跟線粒體裡面的基因體持續地分歧，會讓這種原本就不穩定的排列方式，更不穩定。在上一章中我們解釋過了，有性生殖以及兩種性別的演化，很可能跟細胞取得線粒體的事件有關。有性生殖，對於想要在一個大基因體中，維持個別基因正常運作來說，絕對必要；兩種性別，則有助於維持線粒體的正常運作。不過這樣卻導致了出人意料的結果，那就是這兩種基因體演變的方式完全不同。細胞核裡的基因，每一代都會經過有性生殖的基因重組，而線粒體裡的基因，則由母親的卵細胞傳給女兒的卵細胞，幾乎不會發生基因重組。更糟的是，從每一代基因序列改變的比例來看，線粒體裡的基因，改變的速率，比細胞核裡面的，快了十到五十倍之多，至少在動物身上是如此。這代表了由線粒體基因所編碼出的蛋白質，不但變化得比較快，方向也跟細胞核基因編碼出的蛋白質不一樣；儘管如此，它們兩者還是必須緊密配合，而且要緊密到在幾個埃的距離之內，這樣才能讓電子在呼吸鏈裡面傳遞下去。這實在很難想像，關於所有生物最關鍵的反應：呼吸作用、生命之力的來源，還有比這更荒唐的安排嗎？

為什麼事情會走到這個地步？自然界裡大概沒什麼其他更好的例子，可以用來說明演化的短視。事實上，這個荒唐的安排幾乎是無可避免的。還記得事情是怎麼發生的嗎？是從一個細菌住在另一個細菌體內開始。沒有這種內共生關係的話，就不可能出現複雜的生物，因為只有這種自治的細菌，才可以丟掉多餘的基因，最後只留下控制局部呼吸作用所需的基因。到目前為止，聽起來都還算合理。對於細菌能拋棄多少基因，唯一的限制，就是天擇的作用，而這個作用同時會施加在宿主跟線粒體身上。什麼樣的因素，會驅使細菌拋棄基因呢？最簡單的就是繁殖速率：基因體愈小的細菌，繁殖得愈快，因而久了之後就容易成為多數。但是繁殖速率只能解釋，為何線粒體要丟掉基因，卻無法解釋為何這些基因會跑到細胞核裡面。在上一章中我們講過為什麼：因為一些線粒體死掉了，它們的基因就這樣外溢到宿主細胞裡，然後被細胞核拿走。這個過程難以停止。有一些跑到細胞核裡的DNA，後來又獲得了一段稱作導向序列（targeting sequence）的DNA，這段序列像一組地址一樣，可以帶著做好的蛋白質，回到線粒體裡。

這聽起來好像很奇怪，不過目前一千五百個已知會回到線粒體的蛋白質，幾乎都是透過這種方式進入線粒體的，所以看起來似乎也沒有那麼困難。在演化的過程中，必定有一個過渡階段，那時候相同的基因可能同時存在細胞核，也倖存的線粒體裡面。其中一個最後一定會被丟掉。到最後，我們的線粒體只保留了十三個蛋白質編碼基因（這只占原本基因體的不到百分之一），其他的都保留在細胞核裡，而線粒體則全部丟光了。這看起不太像是隨機的作用。為什麼保留在細胞核裡的基因，比較受到青睞呢？有很多種可能性，但是透過理論驗證，我們目前尚無法證明哪一個解釋最好。有一個可能，是關於雄性的適應性。因為線粒體是母系遺傳，從母親傳給女兒，如果任何一個男性線粒體，突變出有利於男性的基因，它永遠也不可能被傳下去，這樣一來，就無法篩選出有利於男性的線粒體。把這些基因傳到細胞核裡去的話，因為那裡的基因會同時傳給男生跟女生，所以可以同時改進男生跟女生的適應性。而且既然細胞核裡的基因，每一代都會透過有性生殖重組，所以改良的搞不好更多。此外，還有就是線粒體的基因，真的就是很占空間，最好可以空出來，放置呼吸作用或是其他的小機器。最後，從呼吸作用中逃逸出來的自由基，也有可能導致鄰近的線粒體DNA突變。晚一點我們再回頭來談，自由基對於細胞生理的影響。總而言之，把基因從線粒體裡面，傳到細胞核裡，實在不失為一個好主意。反而為什麼還有任何基因，會被留在線粒體裡這一點，比較令人驚訝。

它們為什麼留下來呢？在第五章裡面談過平衡力，談到我們需要有基因留下來，控制局部的呼吸作用。還記得這裡的電壓是一百五十到兩百毫伏特，所造成的電場相當於每公尺三千萬伏特，跟一道閃電一樣強。為了要能控制這樣巨大的膜電位，我們需要有基因在這裡改變電子流、氧氣供應、ADP跟ATP的比值、呼吸蛋白質的數量……等等。如果有一個控制呼吸作用所必須的基因，被送入細胞核裡，它所製造的蛋白質，在災難即將發生的節骨眼，來不及即時回到線粒體裡，那內共生作用這個大自然的「實驗」，就可以馬上宣布結束了。沒有把這個基因送到細胞核的動物（跟植物），存活下來了；錯把基因送走的生物，就會帶著錯誤的設定一起滅絕了。

天擇是盲目而無情的。基因還是會持續從線粒體搬到細胞核中，如果新的安排比較好，那基因就會留在新家；如果新的安排不好，那懲罰就會降臨，多半就是死亡。最後，幾乎所有的線粒體基因不是被丟掉，就是搬家了，只剩下一小撮最重要的，留在線粒體裡面。這種盲目的篩選，就是我們拼貼式呼吸作用的基礎，而且還行得通。我猜，任何一個聰明的工程師，都不會這樣設計東西；但是我也猜，天擇大概也只能用這種方式，從兩個細菌之間的內共生作用中，製作出複雜的細胞。這種荒謬的安排有其必要。在本章中，我們將探討馬賽克拼貼式的線粒體，所造成的後果為何？這種基因的安排法，讓我們對複雜細胞特徵，可以預測到什麼樣的地步？我會解釋一下，透過天擇篩選出的拼貼式線粒體，確實可以解釋某些真核生物體內謎樣的共同特徵。這種可預測的天擇成果，關乎我們全體的健康、適應性、繁殖力、壽命等等，甚至，還關係到我們這個物種的演化歷史。

論《物種起源》

天擇如何作用？又是發揮在哪裡呢？我們知道天擇確實有發揮作用，因為許多基因序列上面，都留有痕跡，見證了線粒體跟細胞核兩者的基因體，不斷在天擇壓力下互相適應，而且它們的改變是互相的。我們可以去比較，在一段時間裡，線粒體跟細胞核基因體改變的速率，馬上就可以看出這兩套基因體如何直接互動。舉例來講，黑猩猩跟人類或是大猩猩分家了有數百萬年之久，那些負責呼吸鏈蛋白質的基因，改變的速率都大約一樣，但是在細胞核裡的其他基因，改變（演化）速率則慢很多。很明顯的，線粒體裡每一個基因，每出現一個突變，都會導致細胞核裡與它互動的基因，出現一個代償性的改變。由此，我們知道天擇一定以某種方式在影響。問題是，促成這樣的互相適應的整個過程，到底是什麼？

答案其實就藏在呼吸鏈本身。如果線粒體與細胞核裡面的基因體，無法好好互相配合的話，會怎樣？電子仍會照常進入呼吸鏈，但是配合不良的基因體卻會做出搭配不良的蛋白質。這樣一來，某些胺基酸之間的電荷互動（氫鍵）就被打斷了，某一兩個氧化還原中心，或許就偏離了正常位置一埃左右，而電子在呼吸鏈中流往氧氣的速率，就比正常速率低了許多。如此一來，因為下游的氧化還原中心塞車，它們會慢慢累積在第一個中心，無法往前移動，而呼吸鏈的還原態就漸漸升高，也就是說這些氧化還原中心塞滿了電子（見圖32）。前幾個氧化還原中心，都是鐵硫簇。裡面的鐵會從 O2 變成 Fe2+（也就是被還原了），而 Fe2+ 可以直接跟氧氣作用，讓氧氣變成帶負電的超氧自由基（superoxide radical, O2•-）。超氧自由基的符號中，那個黑點代表的是一個落單沒有配對的電子，也是自由基分子的定義。產生一個自由基分子，會造成軒然大波。

有很多機制，都可以迅速地移除累積下來的超氧自由基，特別是超氧化物歧化酶（superoxide dismutase）這種酶。但是它的產量，會受到嚴格的調控。太多的話，有可能反而關掉像是危險警報訊號之類的重要局部訊號。自由基分子的功能，有點像是火災煙霧，光是移除煙霧，並沒有解決根本問題。在現在的例子裡，根本的問題其實是「兩套基因體的運作並不協調」，結果讓電子流動受阻，因而產生超氧自由基分子這個煙霧51。在超過一定量之後，自由基分子會開始氧化線粒體膜上的脂質，特別是一個叫做心磷脂（cardiolipin）的分子。心磷脂分子被氧化之後，會讓另一個蛋白質「細胞色素c」脫離線粒體跑掉。細胞色素c平常只是鬆散地連在線粒體膜上，所以，很容易受影響。但是細胞色素c也是一個非常重要的蛋白質，因為呼吸鏈裡的電子必須先跳到它上面，才能跳到氧氣分子上。一旦細胞色素c跑掉，電子就再也無法達到呼吸鏈的終點，電子流就斷了。沒有電子流，也就沒有質子泵浦，膜電位也會很快地崩解。結果，基因體配合不良的話，呼吸作用中的電子流，會造成三種變化：第一就直接減緩電子傳遞的速度，同時如此一來，ATP的合成也會跟著降低；第二個，就是產生高度還原的鐵硫簇分子，跟氧氣直接反應，結果生出一堆自由基分子；第三個，如果沒有什麼機制來調節這些電荷的話，線粒體膜電位就會崩解（見圖32）。

我剛剛所講的，是在一九九○年代中期，首次被揭露的細胞內一系列最奇特的反應。這些反應在那時候，完全是「出乎大家意料」。它們扣下了「計畫性細胞死亡」，也就是細胞凋亡的板機。當細胞進入細胞凋亡的程序時，宛如跳著精心安排好的芭雷舞般自殺，這活脫是細胞版的《天鵝湖之死》。要死的細胞，並不會簡單地被分解成碎片；相反地，細胞凋亡時，會有一整隊的蛋白質劊子手，從細胞內被放出來，它們叫做半胱天冬酶（caspase enzyme）。它們會把細胞裡面的大分子，像是DNA、RNA、碳水化合物、蛋白質等等，切成一小片一小片的。這些碎片會被細胞膜包成一小包一小包的小囊泡（bleb），餵給旁邊的細胞。只消幾小時，這個細胞一切曾經存在過的痕跡，就完全煙消雲散，什麼都不留下，其效率堪比在莫斯科大劇院裡面，執行任務的便衣KGB特務。

細胞凋亡完全適合多細胞生物的需求。在胚胎發育時期，就需要這樣的過程來雕塑組織，也需要它來移除跟替換受損的細胞。真正讓人訝異的其實是，線粒體在這個過程中參與之深，特別是那個呼吸鏈蛋白質，細胞色素c，也參與其中。到底為什麼，當細胞色素c從線粒體外漏時，會成為死亡的訊號呢？從發現這個機制以來，這問題只有愈來愈難解。現在我們知道，ATP短缺、自由基外溢、細胞色素c外漏，以及膜電位崩解等等一系列反應，是所有真核生物所共有的。植物細胞跟酵母菌，遇到這些訊號時，也一樣會自我毀滅。這現象遠超出我們意料。不過，這套機制恐怕是當天擇在篩選兩套基因體時，根據第一原理去推測，不可避免的結果。它會成為所有複雜生物共有的特徵，其實完全是可預料的。

讓我們回想一下，當電子沿著這條配合不佳的呼吸鏈流下去，會發生什麼事呢？如果線粒體跟細胞核基因體運作不順，其結果就是細胞凋亡。這個例子完美的展示了，天擇如何加工一段無法回頭的演化過程。它會將原本自然的趨勢，規畫的愈來愈詳細，到最後演變出複雜的遺傳機制；但是在機制的核心裡，仍保有線索告訴我們，這套機制從何而來。沒有兩套基因體，大型的複雜細胞就不可能出現。它們必須互相合作，不然呼吸作用就會垮台。如果它們配合不良，那細胞凋亡就會將這顆細胞剔除。你可以把它看作是，天擇透過功能上的篩選，消滅掉兩套基因體互不搭配的細胞。如俄籍演化學家杜布贊斯基（Theodosius Dobzhansky）那句名言所說：「若無演化之光來啟發，任何生物學現象皆無意義。」

現在我們有一個機制，可以移除基因體搭配不良的細胞；搭配良好的細胞，則會被留下來。經過一代一代的演化，結果正如我們所見：在線粒體跟細胞核基因體互相適應的過程中，一個基因體序列上的變化，會造成另一個基因體的序列，也出現變化來補償。如同上一章說過，兩種性別的出現，可以擴大雌性生殖細胞之間的差異：每一顆卵細胞裡面所帶的，是一模一樣的線粒體克隆；而許多不同的卵細胞，則可以加大這些線粒體殖株之間的差異。有些線粒體克隆，碰巧可以跟受精卵的細胞核，配合的得心應手；其他的殖株則沒那麼好運。運氣不好的，都會透過細胞凋亡而被排除，運作良好的則會存活下來。

透過什麼存活下來？對多細胞生物來說，最廣泛的答案就是發育。從受精卵開始，細胞會開始不斷分裂去形成新的個體。這個過程會受到嚴格的調控。在發育中，因為意外的細胞凋亡而死亡的細胞，就會危及整個發育過程，結果讓胚胎發育失敗，造成流產。這未嘗不是一件好事。事實上，從天擇無情的眼中看來，與其花費過多的資源，讓胚胎發育完成，形成新的個體，不如早一點停止它。因為這個「細胞核跟線粒體基因嚴重不相容」的新個體，即使誕生，也很可能會出現線粒體疾病，危及健康，結果早夭。反過來說，讓細胞核跟線粒體基因不相容的胚胎，發育及早中止，當然會降低繁殖力。如果太多胚胎都無法完全發育的話，那結果就是不孕。這種利弊取捨，正是天擇作用的核心：適應性對上繁殖力。哪一些不適應，會啟動細胞凋亡與死亡？哪一些又可以被忍受？這兩者之間，必定有很精密的控制。

這些聽起來或許有些艱澀而索然無趣、太理論性。老實說，它們很重要嗎？答案是：非常重要，至少在某些例子裡很重要，而這些例子，只是整個生物冰山的一角而已。美國斯克里普斯（Scripps）海洋學研究院的生物學家波頓（Ronald S. Burton），就給了一個最好的例子。波頓研究一種海洋橈足類生物海洋水蚤（Tigriopus californicus），已經超過十年了。他研究的是，水蚤體內線粒體與細胞核基因的不相容性。橈足類都是一些小型的甲殼類動物，身長大概只有一到兩公釐左右，在所有潮濕的環境中，都可以找到牠們。波頓研究的對象，分布在南加州聖克魯斯島（Santa Cruz）上的潮間帶小水窪中。他讓分布在島兩端的兩群水蚤，互相交配。這兩群水蚤，儘管只相隔數公里之遙，卻已經各自獨立繁殖了數千年。波頓跟同事特別注意到，在這兩群水蚤交配所產生的後代中，有所謂「雜種衰落」的現象（譯注：所謂雜種衰退，指的是不同「種」的生物，雜交所產生的後代，出現生殖缺陷與存活率降低的現象）。很有趣的是，雖然這兩群水蚤交配後，所產生的第一代子代，影響還不太大，但是當第一代的雜種雌性，再回去跟原本的親代雄性交配後，所產生的後代，卻會有嚴重的缺陷，套句波頓論文裡的話來說，就是「長得非常抱歉」。雖然出現的影響有各式各樣，但是一般來說，雜種後代的適應性通常都比較低：牠們的ATP合成，降低了大約百分之四十，這也反映在牠們的存活率、繁殖率，還有發育時間上（發育時間指的是變態為成蟲所需的時間，這跟身體大小，因此也跟生長速率有關）。

這一切的問題，都可以將它描述成是線粒體與細胞核基因的不相容性，而且可以用一個簡單的小實驗來證明：如果把雜種雄性後代，拿回去與親代純種雌性交配的話，生出來的後代的適應性，就完全回到正常水準了。但是反過來，若是把雜種雌性後代，再回去與親代雄性交配，對後代的適應性卻完全沒有任何好處，後代只會愈來愈病態。這樣的結果其實很好理解。因為子代的線粒體永遠來自母親，為了要能良好運作，在細胞核裡跟它們配合的基因，跟母親愈相似愈好。但是如果交配的雄性，是來自基因差異甚大的另一群水蚤，那就會讓母系的線粒體，搭配上另一套運作不太搭調的細胞核基因。對第一代子代來說，問題還不太嚴重，因為細胞核裡還有一半基因來自母親，而這樣應該可以跟線粒體搭配良好。但是再次雜交所產生的第二代子代，體內細胞核裡的基因，就變成有百分之七十五，來自不匹配的雄性了，於是就出現我們所看到的適應性衰退。若將這些第二代雜種的雄性，拿回去與親代純種雌性交配的話，可以讓細胞核裡來自母親的基因，增加為百分之六十二．五，這樣就可以跟線粒體的基因匹配，個體的健康也就恢復了。但是反向操作結果會完全相反，若將第二代雜種的雌性，回去與親代純種雄性交配的話，細胞核裡來自不匹配族群的基因，就從百分之七十五，增加成百分之八十七．五，只會跟線粒體基因愈來愈不匹配。難怪牠們會病的那樣嚴重。

這就是雜種衰退（hybrid breakdown）。不過大部分人所熟知的詞彙，應該是「雜種優勢」（hybrid vigour）。遠系雜交的好處在於，不相干的兩個個體，幾乎不可能碰巧在相同的基因上，出現相同的突變，所以從母親跟從父親傳來的基因，很可能可以互補，因而增加個體的適應性。但是雜種優勢的好處也僅止於此。不同「種」的生物交配的話，很有可能產生無法存活，或是無法生育的後代，這就是雜種衰退。事實上，相近物種之間的性交屏障，遠不如教科書裡面所描述的那樣滴水不漏。在野外因為行為模式不同，而彼此互相忽略的相近物種，經常可以在被關起來的環境中交配成功。傳統上對於不同「種」的定義，是若這兩群動物交配後，無法產生具有繁殖力的後代。但對於許多相近的物種來說，這其實並不正確。不過不管怎樣，因為兩群動物，只會隨時間愈來愈分歧，牠們之間確實會漸漸形成生殖屏障，結果就無法產生具有繁殖力的後代了。當兩群同種，但各自獨立繁殖許久的生物（就像波頓研究的橈足類動物）互相交配時，這道屏障就會開始出現，而原因，完全可以歸咎為線粒體跟細胞核裡基因的不相容。這種不相容性所造成的雜種衰退，是否就是生物「物種」的起源呢？

我覺得很可能。這當然只是眾多機制其中之一，但是科學家發現許多物種，從蒼蠅、大黃蜂到小麥、酵母菌甚至老鼠，都有這種「線粒體核」（mitonuclear）衰退的現象（譯注：線粒體核，是「線粒體與細胞核」的簡稱）。因為真核生物一定需要兩套基因體互相搭配運作才能存活，所以會演化出這種機制，這暗示了「種化」是完全不可避免的趨勢。此外，它的影響，有時可能比其他機制要更明顯，而這很可能跟線粒體基因的改變速率有關。比如說橈足類動物的線粒體基因，演化的速度比細胞核裡基因的演化速率，要快了五十倍。而果蠅（Drosophila）線粒體基因的演化速率則慢多了，了不起只有細胞核的兩倍。因此，線粒體核衰退在橈足類動物身上，要比在果蠅身上嚴重多了。反映出來的結果，就是在一定時間之內，牠們的基因序列會出現更多的差異。因此當分開的兩群橈足類動物交配時，更有可能出現基因體不相容的現象。

為什麼動物的線粒體基因演化速率，要比細胞核基因快得多，我們並不清楚。線粒體遺傳學的先驅華萊士（Douglas C. Wallace）認為，線粒體是適應性的前線。動物的線粒體基因，因為可以快速演變，所以才能靈活地適應飲食跟氣候的改變。這是適應的第一步，之後生物的型態，才會緩慢地開始適應。雖然我倒是很喜歡他的想法，但是至今其實沒有太多證據支持或反對這個假設。如果華萊士是對的，那麼透過在線粒體基因序列上，不斷出現可供天擇篩選的突變，生物的適應性會愈來愈好。這些突變，除了讓生物在新環境中，可以適應良好以外，也同時預告了種化即將開始。這非常符合生物學中一條奇怪而古老的法則，最早是由演化生物學之父之一的霍爾登（J. B. S. Haldane）所提出。現在對於這條法則的新詮釋，顯示線粒體核的互相適應，在新種誕生的過程，以及我們自身的健康中，都扮演了重要的角色。

性別決定以及霍爾登法則

霍爾登給過許多令人印象深刻的主張，在一九二二年他提出了下面這個引人注目的法則：

兩個物種不同的動物，所產生的後代中，如果總是生不出其中一種性別，或者就算有也很少，不然就是有不孕症的話，那這個性別一定是由異型組合（heterozygous，或是異型配子，heterogametic）形成的。

其實他如果說「雄性」的話，大家會比較容易理解，不過這樣一來，這法則的適用範圍就會狹隘很多。哺乳類動物中的雄性生物就是「異型組合」或是「異型配子」，意思是說牠們有兩種不同的性染色體：一條X跟一條Y染色體。雌性生物有兩條X染色體，所以是「同型組合」或是「同型配子」的。但是對鳥類跟某些昆蟲來說，情況剛好相反。牠們的雌性反而是異型配子，擁有W跟Z染色體；而雄性卻是同型配子，擁有兩條Z染色體。假設有兩個「種」相近的動物交配後，雖然生下了可以存活的後代，但是仔細看看卻發現，所有的後代都只有一種性別，不是雄性就是雌性；或是雖然兩種性別都有，但是其中一種卻不孕或殘廢。根據霍爾登法則，這個有缺陷的性別，在哺乳類會是雄性，在鳥類會是雌性。自一九二二年以來，我們蒐集到數百個符合這項法則的例子，數量之多令人咋舌。除了少數例外以外，這些例子橫跨許多不同分類「門」。而這些例外，一如生物學中的其他例外一樣，同樣讓人困惑。

很多人提出許多可信的理論，試圖去解釋霍爾登法則，但是尚沒有任何一種可以解釋所有的例子，因此，它們都稱不上是令人滿意的完美答案。比如說，有人主張「性擇」對雄性的作用比較強，因為雄性需要彼此競爭，去吸引雌性動物的注意（準確的來說，因為雄性跟雌性在生殖成功的機率上，有很大的差異，以至於雄性性徵往突出、容易被選擇的方向發展）。這讓不同種動物交配時，雄性比較容易受到雜種衰退的影響。但是這個解釋的問題就是，它無法解釋為何雄鳥反而比雌鳥，不容易受到雜種衰退的影響。

另一個困境在於，霍爾登法則似乎不能只靠性染色體來解釋，在演化更寬廣的視野下，性染色體能解釋的部分有點狹隘。許多爬行動物與兩棲類動物完全沒有性染色體，牠們的性別，要靠環境溫度來決定：蛋孵在比較溫暖的環境中，會孵化出雄性；在比較冷的環境中會孵化出雌性；偶爾也有顛倒過來的情況。事實上，性別看起來似乎是如此基本而重要，以至於在不同物種之間，決定性別的機制是如此多樣而令人困惑。寄生蟲、染色體的數量、賀爾蒙、環境因素、壓力、種群密度，甚至線粒體，都可能決定動物性別。即使在完全沒有性染色體參與的情況下，兩種性別其中之一，還是會因為異種雜交，而「退化」得非常嚴重；這種情況，代表在更深的源頭，應該還有其他的機制。其實，決定性別的機制是如此多樣，但是兩種性別的發育，卻又是如此一致，暗示了各物種之間，應該有一個非常根本的基礎，在決定性別（也就是決定雌性或雄性的發育過程），而決定性別的基因反而顯得像是額外的補綴而已。

代謝速率很有可能是眾多根本的基礎之一。古希臘哲學家認為，男性比女性要「溫熱」，這也就是所謂的「熱男假說」。不過對於人類或是老鼠這些哺乳類動物來說，兩性之間最早出現的差異，其實是生長速率：雄性胚胎長得比雌性胚胎要快一些。這樣的差異，在受孕後幾小時之內，就可以用尺測量出來（但是千萬不要在家裡嘗試呀）。在人類的Y染色體上，主宰男性發育的基因叫做 SRY 基因，它會啟動許多生長因子，因而加速生長速率。這些生長因子，本身並不專屬於特定性別，它們在男女體內都有活性，只不過在男性體內的活性比較高而已。如果出現一個讓這些生長因子活性增高的突變，那原本沒有Y染色體（或是沒有 SRY 基因）的雌性胚胎，就會性轉而發育成雄性。反過來講，降低活性的突變，則會有相反的效果，會讓Y染色體功能正常的雄性胚胎，發育成雌性。這些現象，代表生長速率才是性別發育幕後真正的推手，至少在哺乳類動物裡面是如此。基因只不過控制了速率的韁繩，而演化可以輕易地把牠們換掉：把一個控制生長速率的基因，換成另外一個基因來控制。

雄性的生長速率比較快，這樣的觀點，很有趣的，竟然跟比較高的溫度，可以決定兩棲類跟爬行動物（像是短吻鱷）的性別這件事，不謀而合。吻合的原因，是因為生物的代謝速率，有一部分也跟溫度有關。在一定的範圍以內，爬行動物的體溫每增加攝氏十度（比如說曬個日光浴），代謝速率大約會增加兩倍，因此也會長得比較快。雖說雄性並不總是在比較高的溫度下發育（這其中有許多微妙的原因），但是性別與發育速度的關係（不管發育速度是由溫度，還是由基因控制），都遠比其他任何機制，要更為基本而根深柢固。看起來，許多跳躍基因，也都偶爾掌握了發育的控制權，調整過生長速率來控制性別發育。同時，這也是為什麼，男生並不需要怕Y染色體退化的原因之一，因為它的功能，多半會被其他因素取代；或許是在其他染色體上的某個基因，也有可以設定雄性發育所需要的快速代謝速率。這或許也可以解釋為何哺乳類動物的睪丸，會奇怪地設計在體外這麼脆弱的地方，因為要調整正確的溫度，是根植於我們生物核心的重要特質，而不是為了陰囊而已。

這些想法對我而言，帶來很多新的啟發。但是其實關於性別是由代謝速率決定，這樣的假設，好幾十年前，生物學家密特沃克（Ursula Mittwoch）就提出過了。她是我在倫敦大學學院的資深同事，即使已經九十高齡，卻仍活躍在學界，並且不斷發表重要的論文。密特沃克那時的論文，並沒有受到應有的重視，一部分原因或許是因為，光是測量一些不夠複雜的參數，像是生長速率、胚胎尺寸、生殖腺的DNA與蛋白質含量，在分子生物學的年代，看起來實在太老套。現在我們又進入了「表觀基因學」嶄新時代（epigenetics，這門學問研究的是，誰在調控基因的表現？），這些跟她的理論將會產生更多的共鳴。我希望，隨著知識進步，密特沃克可以得到生物學上應得的歷史地位52。

但是這一切跟霍爾登法則有什麼關係呢？不孕跟無法存活，都代表了功能缺陷。缺陷超過一定程度，器官甚至個體就無法運作了。這個功能的極限，跟兩個簡單的條件有關：能夠達成器官任務（比如說製造精子之類的）的最基本代謝量，以及所能獲得多少能量來執行代謝。如果能量供給低於需求，器官跟個體都會死亡。在基因網路所組成的精巧世界裡，這些條件看起來，似乎有些簡單直白到了荒謬的地步，但是它們就是這麼重要。如果把一個塑膠袋套在自己頭上，你就切斷了能量供應。許多器官運作會在一分多鐘之內停止，至少大腦會先停止。大腦跟心臟對於能量的需求都很高，它們會最先死亡。皮膚跟小腸，因為對能量的需求比較低，可能會活得久很多；殘餘的氧氣，足以支撐它們的代謝需求，達到好幾個小時、甚至好幾天。從組成我們身體細胞的角度來看，死亡並非全有或著全無，而是一段連續的過程。我們是細胞所組成的集團，而這些細胞不會一次全死。通常，能量需求最高的細胞會最先死亡。

這正是線粒體疾病的根源。這種疾病大部分影響到的，都是神經肌肉退化，所涉及的組織，則是大腦跟骨骼肌，因為它們的代謝速率比較高。其中視力往往是最脆弱的，因為視網膜跟視神經的代謝速率，是全身所有細胞裡最高的；雷伯氏（Leber’s）遺傳性視神經萎縮症這種線粒體疾病，就會直接影響視神經，造成視障。我們很難去概括線粒體疾病的症狀，因為它們的嚴重程度跟很多因素都有關，比如要看是哪一類突變、突變的數量、突變在組織中的分布情況。唯一的大原則就是，線粒體疾病所影響到的，一定是身體對代謝需求最高的組織。

假設有兩顆細胞，帶有一模一樣的線粒體，數量也一樣，這樣，它們生產ATP的能力就可以完全互相匹敵。但是如果這兩個細胞對於ATP的需求不一樣，那命運也會不一樣（見圖33）。假設第一顆細胞對代謝的需求比較低，那麼這線粒體對它們來說，不但完全適用，甚至ATP可能還供過於求。而如果第二顆細胞對能量的需求高很多，高到超過線粒體所能生產的ATP。細胞這時候開始努力工作，啟動所有的裝配來滿足需求。它把許多電子灌入呼吸鏈，但是呼吸鏈的生產能力就是這麼低，電子進入的比出來的要快，於是開始塞車。氧化還原中心的還原態升高，開始與氧氣反應，產生自由基分子。如此一來，自由基開始氧化周圍膜上的脂質分子，結果大量的細胞色素c就被釋放出來。接著膜電位崩解，細胞跟著死於細胞凋亡。這仍是一種功能性天擇，雖然規模只限於組織層級。這樣的天擇會讓無法滿足代謝需求的細胞被消滅，留下可以滿足的細胞。

當然啦，除非那些有功能缺損的細胞，在被移除之後，可以被來自幹細胞群的新細胞替換，這種天擇手段，才能夠改善組織整體的功能。但問題是，對神經跟肌肉細胞而言，它們是不可替換的。神經細胞怎麼能被換掉呢？我們人一生所有的經驗，都是以神經突觸網路（synaptic networks）的形式，記錄下來。每一個神經細胞，都可以形成一萬個之多不同的突觸。如果這個細胞死於細胞凋亡，那它所連結的網路就永遠消失了，伴隨著寫在這條網路裡面，所有的經驗跟人格特質，也將隨風而逝。神經細胞是無法被置換的。其實，其他終極分化的組織，也都無法被置換，雖然這看不出有什麼明顯的必要性。這些組織，正是因為分化成跟幹細胞非常非常不一樣（也就是上一章談到，生殖細胞與體細胞之間，深遠的差異），才有存在的意義。天擇的結果，都是為了保存下一代。如果生物因為有顆很大而不可取代的大腦，結果比起有顆很小而可取代的大腦，要容易留下存活子嗣的話，那牠們就會繁衍興盛。而這兩者，只有當生殖細胞與體細胞，出現極大的差異時，天擇才有辦法比較然後篩選。但是，這樣的發展，也代表了身體將可被拋棄，生命將成為有限。那些代謝需求無法被滿足的細胞，最終將殺死我們。

這就是代謝速率重要的地方。當線粒體的能量輸出一樣時，代謝速率比較快的細胞，比較不容易被滿足。不只是線粒體疾病會影響它們，正常老化的細胞，或是跟老化相關的疾病，都有可能影響到代謝需求比較高的組織。現在，回到最初的問題，也就是性別與高代謝需求的關係。我們剛說過，雄性代謝速率比較快（至少在哺乳類動物是如此）。如果線粒體有任何遺傳缺陷，它們絕大部分都會赤裸裸地，顯露在代謝需求高的性別上面，也就是雄性。有許多線粒體疾病，確實在男性體內比在女性體內常見：以雷伯氏遺傳性視神經萎縮症為例，男性的盛行率比女性高五倍；而巴金森氏症也跟線粒體很有關係，男性盛行率比女性多兩倍。男性也比女性要容易受到線粒體核不相容的影響。如果造成這種不相容性的原因，是透過遠系雜交，讓原本獨自繁殖的兩群動物混在一起雜交，那就會產生雜種衰退。因此，雜種衰退在那些代謝速率比較高的性別上最明顯，而在這種性別中，又以代謝速率最高的組織特別容易受到影響。在此，我們再一次看到，這結果，仍是所有「需要透過兩套基因體互相配合，才能存活」的複雜生物，必然會出現的可預測結果。

上面所說的，完美而簡單的解釋了霍爾登法則：代謝最快的那一種性別，最容易發生不孕以及死亡。不過，事實果真如此，或者果真那麼無關緊要嗎？一個假設很有可能為真，但是卻無足輕重，也不會與其他霍爾登法則背後的原因相牴觸。代謝速率當然未必是唯一的原因，不過它是否是很重要的原因呢？我認為是的。我們已經知道，溫度升高確實會讓雜種衰退變嚴重。比如說有一種穀物害蟲叫擬穀盜（flour beetle），牠的學名是 Tribolium castaneum，當牠與近親弗氏擬穀盜（Tribolium freemani），在正常飼養溫度的攝氏二十九度交配時，雜種後代都很健康。但是如果溫度升高到攝氏三十四度，雌蟲（在這個例子裡是雌蟲）的觸角跟後腿，發育都不正常。類似這種對溫度敏感的缺陷，相當普遍，而且常常會導致特定性別的不孕症，這很容易用代謝速率來解釋。當對能量的需求超過了一定的臨界值之後，特定的組織就會開始衰退。

這些特定組織，往往也包括性器官，特別是雄性的性器官，因為牠們終生都在製造精子。植物有一個很特別的例子，叫做「細胞質雄性不孕症」。大部分的開花植物都是雌雄同株，但是生病的植物，大部分都會表現出雄性不孕的症狀，結果造成一部分植物看起來仍是雌雄同株，但實際上只有雌株（跟不孕的雄株）。這種災難是線粒體造成的，而一般都被認為，這是源自於自私衝突的結果53。但是分子生物學的資料顯示，雄性不孕很可能只是代謝速率的問題。牛津大學的植物學家利佛（Chris J. Leaver）指出，造成向日葵產生「細胞質雄性不孕症」的原因，在於負責ATP合成酶一個小次單元的基因，出現突變。而ATP合成酶位於線粒體裡。因為出現了一個重組錯誤，影響了ATP合成酶一小部分（不是整個酶喔！這點非常重要），結果降低ATP的最大合成速率。對於大部分的組織來說，這個突變幾乎無足輕重，但是對雄性生殖器官，也就是花藥的部分來說，卻會造成退化。退化的原因，是因為組成花藥的細胞，開始細胞凋亡。這過程也涉及了細胞色素c從線粒體裡面漏出，就跟我們人類的情況一模一樣。看起來，花藥是整株向日葵所有組織裡面，唯一新陳代謝速率高到會出現退化症狀的，只有在這裡，有缺陷的線粒體無法達到組織的要求，而結果就是雄性專一的不孕症。

果蠅也有類似的現象。我們可以透過轉移細胞核的技術，把細胞核從一個細胞裡送進另外一個細胞（譯注：當然，通常會先去掉接受者的細胞核），組成一種融合細胞（叫做細胞質融合細胞，cybrid）。這些融合細胞的細胞核基因體，彼此大同小異，但是線粒體的基因卻不一樣54。利用卵細胞為材料，可以做出核基因一模一樣、但是線粒體基因來自相近種的果蠅胚胎。這種胚胎後來發育的結果，隨著線粒體基因不同，會有非常大的差異。在最好的情況下，新生的果蠅完全沒有任何不正常；在最糟的組合之下，則會出現雄性不孕症，而果蠅的雄性，也屬於異型配子。比較有趣的是那些中間型的組合。雖然表面上看起來，好像沒什麼問題，但是仔細觀察不同器官的基因活性後，卻可以發現牠們的睪丸有些問題。雄性果蠅的睪丸及其他附屬性器官中，超過一千個基因的表現，都增加了。我們並不確知發生了什麼事，不過依我來看，最簡單的解釋就是：這些器官沒有辦法應付原本的代謝需求，它們的線粒體基因，無法跟細胞核的基因匹配，去發揮最大效益。睪丸中的細胞，因為有很高的代謝需求，所以常處於緊繃的狀態。為了應付這股壓力，細胞必須反應，也影響了大部分的基因活性。這情況，就像是在植物身上出現的細胞質雄性不孕症一樣，只有對代謝需求頗大的性器官，會受到影響，同時也只出現在雄性身上55。

如果上述論點為真，那為何在鳥類裡面，受到影響的都是雌鳥呢？其實原因大致相同，只不過有一些細微的差異。雖然少數鳥類，特別是猛禽類，雌鳥體積都比雄鳥大（合理的推測是雌鳥應該長得比雄鳥快），但並非所有鳥類皆如此。密特沃克早期的研究指出，母雞的卵巢，剛開始會發育得比較慢（大約一個禮拜左右），但之後會長得比公雞睪丸要快。在這些例子裡，我們會猜雌鳥會出現不孕症，但是應該不會死亡，因為只有性器官長得比較快而已。但是其實並非如此。在大部分符合霍爾登法則的鳥類中，出現的卻都是死亡而非不孕。我原本一直對這一點感到很困惑，直到去年一位從事鳥類性擇研究的專家，希爾（Geoffrey E. Hill）寄給我一篇他的論文，闡述霍爾登法則在鳥類身上的研究，我才豁然開朗。希爾指出，有些負責鳥類呼吸蛋白的核基因，位在Z染色體上（還記得雄鳥是同型配子，有一對Z染色體；雌鳥則是異型配子，有一條Z染色體跟一條W染色體）。為什麼這件事情很重要呢？因為如果雌鳥只有一條Z染色體，那這些重要的呼吸蛋白，就只能從父親那裡遺傳到一種版本而已。如果母鳥不小心選錯了伴侶，那麼雌性雛鳥的線粒體基因，就很有可能跟父親那裡來的核基因不匹配，而且因為只有一種版本，別無選擇，雜種衰退的效應會快速而嚴重。

希爾認為，因為基因這樣安排，讓雌鳥在選擇交配對象的時候必須費盡心力，不然就要付出慘痛的代價：雌性雛鳥會死亡。這又反過來可以解釋雄鳥那些鮮豔亮麗的羽毛。如果希爾的解釋正確，那麼雄鳥羽毛的花樣，可能代表了不同型的線粒體DNA。雌鳥利用這些羽毛花樣，作為適應性的參考。但是在眾多羽毛花樣吻合的雄鳥中，仍可能存有不好的樣品。希爾認為，羽毛顏色的鮮豔與否，可以反映線粒體的功能良窳，因為大部分的色素分子，都由線粒體合成。顏色亮麗的雄鳥，一定也有最上等的線粒體基因。目前並沒有太多的證據，可以支持希爾的假設。不過他的說法，可以讓我們理解，線粒體核基因的互相適應，對於生物的重要性來說，可以普遍到怎樣的程度。複雜的生命需要兩套基因體互相配合良好這件事，可以用來解釋非常廣泛的演化謎題，從物種的起源、性別的起源，以及雄鳥鮮豔的顏色，都非常合理。

這個論點，其實還可以再討論地更深入一些。線粒體核不相容的話，生物會付出代價；但是要讓它們配合無間，一樣要付出代價。在不同物種之間，如何去平衡這個利弊，根據牠們對氧氣的需求，會有不同的做法。我們等下會看到，這是在適應性跟繁殖力之間的平衡。

死亡的門檻

假設你會飛好了！你身上每一克組織，都比全力衝刺的獵豹，要多一倍的力量，在力量、有氧能力跟重量上面，都分配得恰到好處。如果你的線粒體不是接近完美的狀態，那根本不可能有任何希望可以飛起來。現在考慮一下飛行肌肉裡面空間配置的問題。你需要很多的肌原纖維（myofibril），它們是讓肌肉收縮的滑動絲線。因為肌肉的強度，跟橫斷面面積有關，就像纜繩粗細一樣，所以肌肉裡面包愈多肌原纖維，你就愈強壯。但是跟纜繩不一樣的是，肌肉收縮需要消耗ATP。要能夠持續不斷收縮肌肉，你就需要持續不斷的生產ATP，這也就是說，肌肉細胞裡面就必須要有線粒體。這些線粒體，會占掉一些原本可以放置肌原纖維的空間。線粒體需要消耗氧氣，所以還要有微血管送來氧氣跟移除廢物。在這種有氧的肌肉裡面，最理想的空間配置應該是三分之一放肌原纖維、三分之一放線粒體，還有三分之一放微血管。對於人類、獵豹、蜂鳥（在所有脊椎動物裡面，擁有最高的代謝速率）來說，都是如此。最重要的一件事就是，光是堆積愈多線粒體，無法得到更多力量。

基於這些條件限制，對鳥類來說，要能夠生產足夠的能量，維持長時間飛行的辦法，就是擁有一種每一秒、每一單位面積，都能比普通線粒體生產更多ATP的「超級線粒體」。在它裡面，從食物流到氧氣的電子流，一定要夠快，這樣才能夠同時快速的泵出質子，也才能快速地合成ATP，並維持超高的代謝速率。因此，每一個呼吸蛋白，每一步反應，必定都會被天擇細細篩選，才能夠將反應速率推到極限。我們可以去計算這些反應速率，結果顯示，在鳥類線粒體裡面，酵素的反應速率，確實比哺乳類要快得多。但是，如我們所見，呼吸蛋白是一個拼貼的作品，組成它們的蛋白質次單元，由兩套基因體所負責編碼。要維持快速的電子流，天擇的作用必須非常嚴格，才能夠選出搭配完美的兩套基因體，這就是線粒體核的互相適應。肌肉對有氧呼吸的需求愈強，對互相適應的選擇就愈嚴格。基因體無法順利合作的細胞，都會進入細胞凋亡，然後被剔除。做這種篩選最理想的時候，就是前面我們提過的，在胚胎發育時。從絕對理性的角度來看，如果胚胎沒有合適的基因體、不夠好到可以讓鳥類飛翔，那還不如早一點終止胚胎發育。

不過，到底要不匹配到什麼程度，才叫做不匹配？所謂壞，到底是有多壞？基本上，應該會有某個生物能忍受的極限，超過這個臨界點之後，細胞凋亡程序才會被啟動。超過這個上限，流過這個拼湊式呼吸鏈的電子流，就不夠快，無法勝任工作；這個細胞，以及延伸出去到整個胚胎，就會死於細胞凋亡。反過來講，在極限之下，電子流就夠快。這樣一來，兩套基因體就算是合作良好，細胞以及胚胎就不會選擇自殺。然後發育持續進行，一隻完整而健康的小雞就會誕生。牠的線粒體已經通過出廠前測試，並且被蓋上「合格」章56。這裡的重點是，這個「合格」的標準，應隨使用目的而有所差異。如果是為了飛行，那麼基因體之間的匹配必須接近完美；高有氧能力的代價，就是低生育率。在這個「要求完美」的祭壇上，某些原本企圖心小一點就可以存活的個體，就必須被犧牲掉。我們也可以從線粒體的基因序列上面，看到這個結果。鳥類線粒體基因的改變速率，低於大部分的哺乳類動物（哺乳類動物裡蝙蝠是例外，因為蝙蝠會面臨跟鳥類一樣的問題）。不會飛的鳥類，因為沒有受到一樣的限制，基因的改變速率就快多了。對於大部分的鳥類來說，線粒體基因改變速率如此之低的原因，是因為牠們的線粒體基因序列，早就是適合飛翔的最完美狀態了。在這種理想的序列中所冒出的突變，往往不容易被接受，所以就會被天擇剔除。如果大部分的突變都被剔除了，那麼剩下來的就是不變的序列了。

那如果我的企圖心小一點呢？舉個例子來講，如果我是一隻大鼠好了（就像我兒子學校裡的童謠所唱：無處可逃），我從沒打算飛翔。對我來說，讓自己未來的子嗣，犧牲在「要求完美」的祭壇上，毫無道理可言。剛剛我們已經看過，外漏的自由基，會啟動細胞凋亡程序，這是沒通過功能性篩選的結果。呼吸作用中比較慢一點的電子流，也代表了線粒體跟細胞核基因體之間粗糙的配對。後果就是呼吸鏈被高度還原，然後漏出大量的自由基；細胞色素c接著被釋放出來，膜電位隨之瓦解。如果我是一隻小鳥，這些反應加在一起，就會啟動細胞凋亡，我的胚胎會一次又一次的死亡。但是我現在是一隻大鼠，我並不希望這樣。有沒有什麼生化學上的把戲，讓我可以「忽略」那些自由基訊號，讓它不會引起後代的死亡呢？我把死亡的門檻提高，這意思也就是說，我可以承受比較多的自由基外漏，而不至於啟動細胞凋亡。如此一來，我可以獲得數不盡的好處：大部分的子嗣都可以活過胚胎發育階段，我會變得更有繁殖力。我需要付出什麼代價嗎？

當然，我將永遠無法飛翔，同時，我的有氧能力也將受限。我的後代只有很小的機率，可以擁有完美匹配的線粒體與細胞核基因。這會直接導致另外一種利弊取捨：適應性跟疾病。還記得華萊士的假說嗎？他認為線粒體基因的快速演化，有利於動物適應不同的飲食跟氣候。雖然我們不知道這如何達成，甚至也不知道是否真的如此，但是若要說完全不可能，也滿讓人驚訝的。在適應上面的第一要務，就是飲食跟體溫（如果連這些基本權利都無法滿足的話，生物也活不久），線粒體在這兩者上，都扮演舉足輕重的角色。線粒體的表現，跟它們的基因息息相關；不同的序列，代表了不同等級的表現，有一些可能在較冷的環境下，表現得比在較熱的環境下好；有些比較適合潮濕的環境；有些適合燃燒多油脂的飲食，諸如此類。

分布在不同地理區域的人，線粒體DNA的形式也不太一樣，這種差異性顯然並非隨機，而這也暗示我們，特殊環境對線粒體DNA，確實有篩選的效果，但是，這也就僅止於暗示而已。但是如同前面提過，鳥類的線粒體DNA很少變異，因為DNA序列已經是最適合飛行的了，大部分後來出現的突變，都會被天擇消滅；這也就是說，因為線粒體DNA的變異性很小，也就沒有留給天擇什麼機會，去篩選出碰巧適合寒帶氣候、或是適合多油飲食的變種線粒體。從這個角度來看，鳥類必須經常遷移，而非停在一處忍受季節變化，就變成一件很有趣的事。是否是因為牠們的線粒體，比較適合應付遷徙時的消耗，而比較不適合應付留下來所要面對的嚴酷環境呢？反過來說，大鼠的線粒體差異就很大，根據第一原理的預測，這可以讓牠們有較多本錢，適應力就好很多。事實果真如此嗎？老實說，我不知道。但是老鼠確實是適應力極佳的小動物，這點無需辯駁。

但是當然，追求線粒體的變異性，也要付出代價，這代價就是疾病。就某種程度上，這缺點可以藉著選擇生殖細胞來避免，也就是帶有突變線粒體的卵子，會在成熟以前就被剔除。有一些證據顯示，這樣的篩選機制確實存在：在大鼠跟小鼠體內，嚴重突變的線粒體在經過幾代繁殖後，就會被剔除，而比較不嚴重的突變則會被留下。不過回頭想想這個結果，要數代後才會被剔除呢！這個天擇作用可真弱。如果你生下來，就受盡嚴重的線粒體疾病之苦，那麼當想到你的孫子（如果你夠幸運能有一個的話），可能不會有一樣的疾病，是不是感到很安慰呢？即使天擇確實可以作用在生殖細胞上，去剔除突變的線粒體，但這並不保證也會剔除線粒體疾病。尚未成熟的卵細胞，還沒有完整的細胞核基因體，不只是因為它們在減數分裂半途就會停下來，被關在無人知曉的角落好多年；同時也是因為此時父系的基因尚未加入戰局。對核線粒體互相適應的篩選，只有當卵細胞受精之後，當一顆全新、擁有獨一無二細胞核基因體的受精卵誕生後，才算開始。雜種衰退，並不是因為線粒體突變的關係，雜種衰退來自線粒體跟細胞核基因體的不相容性，而這兩套基因體，當各自處於另外一種情境下時，搞不好是完美的。我們也介紹過，對核線粒體不相容性的篩選變嚴的話，必定也會增加不孕的機率。如果我們不想變成不孕，那就必須付出一些代價，也就是有可能生病。而要在繁殖與疾病之間取捨，也是複雜生物因為需要兩套基因體，而出現完全可預測的後果。

假設真有所謂的死亡門檻（見圖34）。跨過這道門檻之後，細胞（連帶著整個生物個體）就會死於細胞凋亡。在門檻之下，細胞跟個體都可以存活。顯然，不同物種之間的閾值，一定不一樣高。對於蝙蝠、鳥類以及其他對氧氣需求極大的生物來說，這門檻必定很低：只要線粒體跟細胞核的基因體稍有不合，線粒體稍微運作不良，又引起輕微的自由基外漏，就會放出細胞凋亡的訊號，然後終止胚胎發育。對大鼠、樹懶以及其他「懶惰的」動物而言，因為對氧氣需求比較低，等於把門檻提高：輕微的自由基外漏沒什麼關係，線粒體運作不太順利，也可以接受，胚胎就可以發育。對這兩種選擇而言，都有各自的利弊。死亡門檻低，生物有氧運動能力高，不容易有線粒體疾病，但是代價就是生育力低以及適應力低。生育力、適應力、有氧運動力、疾病，這些都是關鍵字彙。沒有什麼比這些更適合作為天擇的種子了。我再強調一次，所有這些利弊取捨，都是因為需要有兩套基因體，而不可避免的結果。

我純然稱它為一個「假設的死亡門檻」，它確實只是個假設。這道門檻真的存在嗎？它很重要嗎？以人類來說，大約有百分之四十的懷孕，最後會以「早期潛藏性流產」告終。這裡所謂的早期，是非常非常早，大概發生在懷孕前幾周之內，通常都還沒有出現任何懷孕症狀，妳甚至根本不知道妳懷孕了。而「潛藏性」的意思，就是說藏起來，所以也沒有臨床症狀。通常我們都不知道為什麼會流產，它也不是來自一些常見的原因，像是染色體分離失敗，結果造成「三染色體」（trisomy）之類的疾病。那它有可能肇因於生物能量上的問題嗎？這很難證明。不過，今天科學家已經有了快速掃描基因體的能力，我們倒是有點希望可以知道。我們對於不孕症的焦慮，讓科學家甚至去進行一些不太健康的實驗，來研究可以促進胚胎發育的因子。有些嚇人的實驗，像是笨拙地把ATP送入虛弱的胚胎中，而這樣做竟然可以延長胚胎的壽命！所以很明顯地，生物能量確實很重要。同理，或許這些流產，是為了「追求最佳」所造成的結果；或許這些胚胎，有線粒體核不相容的毛病，所以進入細胞凋亡程序了。對於演化，沒有什麼道德批評可言。我只能說，我不會忘記自己也曾經為此苦惱不已（幸好現在都過去了）。而我，跟大部分人一樣，都想知道為何如此。我相信，大部分的早期潛藏性流產，應該都是源於線粒體核不相容。

此外，還有另外一個理由，支持死亡門檻的存在，以及它的重要性。高死亡門檻，會帶來一個間接的終極代價，那就是老得快，以及必需忍受各種老化相關疾病。這個論點可能會引起某些人的不快。高死亡門檻，代表生物可以忍受比較多的自由基外洩，而不會引起細胞凋亡。這意思也就是說，像大鼠這種低有氧能力的動物，會有比較多的自由基外漏；相反的，像鴿子這種高有氧能力的動物，則會有比較少的自由基外漏。我挑選這兩個物種來比較，是有特殊的目的，因為牠們的基礎代謝率以及身體質量，幾乎一模一樣。在這樣的基礎上，絕大部分的生物學家，都會猜測鴿子跟大鼠應該有一模一樣的壽命長短。但是根據西班牙的生理學家巴哈（Gustavo Barja）詳細的研究顯示，鴿子線粒體外漏的自由基，比大鼠少多了57。根據自由基老化假說，老化是因為自由基外漏所引起的：自由基外漏的愈厲害，我們老化的愈快。自由基老化假說過去曾備受爭議，但是在上面的例子裡，它卻做出了很明確的預測：鴿子應該活得比大鼠久。事實也確實如此。一隻大鼠最多可以活三四年，但是鴿子卻可以活將近三十年。但是，鴿子當然不是一隻「會飛的大鼠」，很難這樣比較，所以自由基老化假說是正確的嗎？根據它原本的定義，答案很簡單：這假說是錯的。但是，我仍然認為，存在一個正確的、比較難於捉摸的形式。

自由基老化理論

老化的自由基理論，根源於一九五○年代的輻射生物學。科學家發現，游離輻射可以從水分子中，劈出一個反應性很高的「碎片」，這個碎片帶有一個不成對的電子，這就是氧自由基。氧自由基分子有很多種，有像羥自由基（hydroxyl radical，OH•，又叫氫氧自由基）這種惡名昭彰，反應性極強的分子；也有像超氧自由基（O2•-）這種相較之下，溫馴許多的分子。自由基生物學的先驅們，像是葛希曼（Rebeca Gerschman）、哈曼（Danham Harman）以及許多其他人都觀察到，在線粒體裡面，一樣的自由基分子可以直接從氧氣產生，完全不需要什麼游離輻射。他們認為這些自由基具有毀滅性，可以破壞蛋白質，造成DNA突變。這點其實沒錯，自由基分子確實可以達成這些破壞。他們認為更糟的是，自由基分子會引起連鎖反應，讓電子從一個分子跳到下一個分子上（通常是膜上的脂質受到影響），然後摧毀精緻的細胞膜。自由基理論主張，這些自由基最後會釀成大災難。想想看，自由基從細胞的線粒體裡面滲漏出來，跟周圍所有的分子反應，當然也包括鄰居的線粒體DNA。這樣一來，突變就慢慢開始在DNA裡面累積。有些突變會影響到DNA的功能，結果製造出更會滲漏的呼吸蛋白。這樣一來，就有更多的蛋白質跟DNA被破壞，不久之後，腐爛就會蔓延到細胞核裡面，演變成「錯誤大災難」（error catastrophe）。看一下從六十歲到一百歲的疾病與死亡統計圖，跟錯誤大災難的概念（損害會引起更多的損害），似乎相當吻合。而他們主張，老化的一系列過程，都是氧氣所造成的（是的，就是我們賴以為生的氣體），這主張讓我們對氧氣這美麗的殺手，又平添各式各樣駭人的印象。

如果自由基是壞的，那麼「抗氧化劑」（antioxidants）就是好的。抗氧化劑會干擾自由基的毒性，阻止連鎖反應，因此可以限制損害的擴大。如果自由基會造成老化，那麼抗氧化劑應該會減緩老化速率、延遲疾病發生，或許還能延年益壽。有許多著名的科學家，特別是化學家鮑林（Linus C. Pauling），都非常相信抗氧化劑的迷思，他每一天都要吃好幾匙的維生素C。鮑林的確健康地活到九十二歲高齡，但是這年紀仍在正常範圍之內，許多又煙又酒一輩子的人，也可以活到這個歲數。很明顯，故事沒這麼簡單。

自由基與抗氧化劑之間非黑即白的劇情，至今仍在坊間許多雜誌，與健康食品商店裡上演，而這個領域內的科學家，卻早已知道這故事是錯的。我最喜歡的一句話，是哈烈煒（Barry Halliwell）跟古特雷基（John M. C. Gutteridge）在經典教科書《自由基生物學與醫學》中所說的：「時至一九九○年代，我們已經很清楚，抗氧化劑根本不是老化與疾病的萬靈丹，只有非主流的醫學，還在兜售這些說法。」

自由基老化理論，是眾多理論漂亮、卻禁不起殘酷事實考驗的例子之一。這個理論最原始的立論中，沒有一條主張可以在實驗的細細檢視下，站得住腳。沒有任何系統性的測量顯示，當我們老化的時候，從線粒體裡面漏出的自由基，會愈來愈多。雖然老化的時候，突變的線粒體確實會些微增加；不過除了組織裡面極少數區域以外，這些突變線粒體的比例，少到令人失望，而且遠遠少於可以引起線粒體疾病的程度。雖然有些組織，確實有損害累積的現象，但是這完全不像什麼「錯誤大災難」。這理論的因果推論，也頗啟人疑竇。我們幾乎可以確定，抗氧化劑不但不會延年益壽或預防疾病，而且可能還有反效果。由於這個主張如此普遍，在過去幾十年間，已經有數十萬人參加各種臨床試驗，來研究抗氧化劑的效果。實驗的結果非常明確：服用高劑量的抗氧化劑，會有輕微卻相當肯定的壞處。如果你服用抗氧化補充劑，那你可能反而會比較短命。其實很多長壽的動物，組織中抗氧化酵素的濃度都很低；短命的動物，組織中的濃度反而比較高。很奇怪的是，預防氧化劑反而比較有可能延年益壽。綜合這些觀察結果，整個老年學領域的研究方向都已經改變了。我在二○○二年所出版的早期著作《氧氣：建構世界的分子》一書中，曾經花了相當大的篇幅討論這件事。我很希望那時候的先見之明，就已經破解關於「抗氧化劑可以延緩老化」這個迷思，但是顯然沒有。現在所面對的高牆，更勝以往。這個迷思，其實是因為集合了眾人的期望、貪婪，同時又別無他法等眾多因素，而愈演愈烈。

那麼，你現在一定覺得很奇怪，為什麼我仍認為，自由基老化理論，一個更為難解的版本，有可能會是正確的？原因很多。原始的理論中，沒有考慮到兩個最重要的因子：訊息傳遞跟細胞凋亡。自由基其實對細胞生理（包含細胞凋亡）來說，是最重要的訊號之一，這剛剛我們已經討論過了。西班牙馬德里的生物學家安立奎斯（José Antonio Enríquez）跟他的同事，用細胞培養的實驗證明了，當使用抗氧化劑阻斷自由基的訊號時，會抑制ATP合成，因而有害。看起來，在線粒體裡面，自由基訊號可以增加呼吸複合物的數量，連帶著增加線粒體的呼吸能力，進而讓呼吸作用最適化。線粒體花非常多時間先融合在一起，然後分裂，這樣可以製造更多的複合物（以及更多的線粒體DNA），最後產生更多線粒體。這過程稱為線粒體生合成作用（mitochondrial biogenesis）58。因此，漏出的自由基可以刺激線粒體分裂，增加線粒體數量，因而生產更多的ATP！相反地，安立奎斯的實驗指出，用抗氧化劑阻斷自由基訊號的話，也會一併阻斷線粒體生合成作用（見圖35）。因此，抗氧化劑不利於細胞獲得能量。

但是，剛剛我們也看到了，當線粒體的滲漏速率增加到超過門檻時，會啟動細胞凋亡程序。所以，自由基到底是幫助呼吸作用最適化，還是用細胞凋亡把細胞殺死呢？其實，這兩件事並不互相矛盾。自由基的訊號代表的是，細胞的呼吸能力降低，結果無法滿足任務需求。如果這個問題，可以藉著製造更多的呼吸複合物，然後提升呼吸能力而獲得解決，那麼一切都會完好如初。但是如果這樣做還是無法解決問題的話，那細胞就會自殺，把可能有問題的DNA，從身體裡面移除。如果這顆受損的細胞，可以被一顆又新又好的新細胞取代的話（來自幹細胞），那麼一切又會完好如初，否則，個體就會滅亡。

自由基的訊號，在把呼吸作用調整到最佳化的過程中，扮演如此重要的角色，因此，抗氧化劑並不會延年益壽。在細胞培養實驗中，它們會抑制細胞的呼吸作用，那是因為培養皿裡沒有身體原本的安全措施。在真實的人體裡面，把大量的抗氧化劑像是維生素C吃進去時，其實大部分都不會被吸收掉。它們比較會讓你拉肚子。偶爾有多餘的抗氧化劑跑到血液中時，都會很快地被排到尿液中；血液中抗氧化劑的濃度，其實非常穩定。這些研究的意思，當然也不是說你要避免吃抗氧化劑，特別是像蔬菜跟水果這些食物，它們都是必要的飲食。事實上，如果你吃得很不健康，或是缺少維生素的話，服用一些抗氧化劑可能還有好處。但是如果認為抗氧化補充劑，比均衡的飲食（已經同時含有抗氧化劑跟促氧化劑）還要重要的話，那根本是本末倒置。身體若是讓高劑量的抗氧化劑進入細胞的話，可能會釀成巨災，甚至有可能會因為缺乏能量，而殺死我們。因此，身體完全不會允許這種情況出現。抗氧化劑的濃度，不管是在細胞內還是在細胞外，都受到非常嚴格的調控。

至於細胞凋亡，這個過程藉著移除受損的細胞，同時也消滅了受損的證據。細胞凋亡跟自由基訊號兩者，都與原始的自由基老化理論，所做出的預測相牴觸，因為這理論提出的那年代，我們對這兩個機制，完全一無所知。因此，我們看不到自由基滲漏愈來愈嚴重、或是大量線粒體突變、或是氧化造成的損害不斷累積；我們看不到抗氧化劑帶來任何好處、也看不到什麼錯誤大災難。這些現象都很合理，也很清楚地顯示，原始自由基老化理論的預測，幾乎全部失準。但是既然這樣，這些現象自然也不會告訴我們，自由基老化理論，還有哪些地方可能正確呢？如果自由基的調控是如此良好，那麼，為什麼自由基還會跟老化有關係呢？

是這樣的，它可以解釋為何不同物種之間的壽命不一樣。從一九二○年代開始，我們就知道生物的壽命跟代謝速率有關。性格古怪的生物測量學家波爾（Raymond Pearl）曾發表過一篇文章，討論這個主題：〈為何懶人活得比較久〉（Why lazy people live longer）。懶人其實沒有比較長壽，反而比較短命。不過這是波爾用來介紹他著名的「生命率學說」（rate-of-living theory），這理論確實有點事實根據。代謝速率比較低的動物（通常都是大象這種大型物種），通常都活得比代謝速率高的動物（像是大鼠跟小鼠這種嚙齒類）要久59。這個原則在同類生物裡面相當準，像是爬蟲類、哺乳類跟鳥類都遵循這個原則，但是在不同類生物之間，則完全不適用，因此這個理論備受挑戰，或者說早已被摒棄了。不過其實是有一個簡單的解釋，可以來說明這理論，而我們剛剛已經介紹過了，那就是自由基外漏。

如同最原始的構想所假設，自由基老化理論認為，自由基是呼吸作用中不可避免的副產品，根據這理論估計，大約有百分之一到五的氧氣，一定會變成自由基。不過這個推論有兩個嚴重的錯誤。首先，所有傳統的實驗過程，都將細胞或組織培養在一般大氣的氧濃度中，但是事實上，這濃度遠高於體內細胞或組織會接觸到的氧氣濃度。因此，真正的自由基滲漏速率，可能比他們量到的，要低了好幾個數量級。就一個有意義的結果來說，這個差異可謂天差地別。自由基滲漏並不是呼吸作用下不可避免的副產品，它是細胞故意釋放出來的訊號，而滲漏的速率，在各不同物種、不同組織、每天不同的時間下、不同的賀爾蒙狀態、不同熱量攝取、有無運動等，都差異甚大。當你運動的時候，會消耗比較多氧氣，所以自由基滲漏會增高對吧？錯！它的水平其實維持一樣，甚至還會更低，相較於氧氣消耗量增加，自由基滲漏的比例會顯著降低。這是因為呼吸鏈中的電子流動速度加快，所以呼吸複合物的還原態降低，電子也就比較不容易跟氧氣直接反應（見圖36）。我們不需去煩惱那些細節，重點是，在生活速率跟自由基滲漏之間，其實並沒有一個簡單的關係。我們剛剛說過，鳥類可以活得遠比根據代謝速率所推估出「牠們應有的壽命」，要長得多。牠們的代謝速率雖快，滲漏出的自由基卻少得多，壽命也長。在這現象背後的相關性，其實應該在自由基滲漏與壽命長短之間。這個相關性如此顯著，看起來像是有因果相關，而且是讓人印象深刻的一種。但是，它們真的有因果關係嗎？

想一想自由基訊號對於線粒體的影響，它讓呼吸作用可以調整到最佳化，也可以消滅功能不良的線粒體。滲漏出最多自由基的線粒體，也會自我複製最多，原因正是因為，自由基訊號代表了呼吸作用不足，因此線粒體想藉複製，來補強能力。但是，如果呼吸作用不足，並不是因為能量的需求跟供給發生改變，而純粹是因為跟細胞核不相容呢？在老化的過程中，確實會出現一些線粒體突變，結果讓細胞中混雜了一些不同的線粒體，有的跟細胞核基因搭配的比較好，有些比較不好。想想看這裡出現的問題。最不相容的線粒體，會漏出最多的自由基，因此會自我複製最多次。這會走向兩種結果：要嘛細胞會死於細胞凋亡，把所有突變的線粒體一筆勾銷；要嘛細胞不會死亡。先看第一種，細胞死掉的結果。死掉的細胞，可能會被置換，也可能不被置換。如果死掉的細胞被換掉，那麼一切都完好如初。但是如果死掉的細胞，是像心臟或大腦裡的細胞，不會被置換的話呢？那麼這個組織就會漸漸變小。剩下比較少的細胞，必須要做跟原來一樣分量的工作，工作壓力就變大。當細胞承受這種實質的生理壓力時，如同前面提過的實驗，在「線粒體核不相容」的果蠅睪丸中，好幾千個基因的活性都會發生變化。在上述過程中，自由基滲漏不一定會傷害到蛋白質或DNA，也不會造成錯誤大災難。所有的反應，都只是線粒體內部自由基的精巧訊號傳遞，但是結果卻是組織消失、生理上的壓力，還有基因調控改變。這些改變，都跟老化有關。

如果細胞不會死亡的話，又怎樣呢？當能量需求低的時候，不足的線粒體尚可以應付，或者，它們也可以透過發酵作用產生乳酸（我們常稱發酵作用為無氧呼吸，但這是錯的）。這時候，我們就有可能在「老化」的細胞裡面，見到突變的線粒體累積下來。這些細胞不會再生長，但是卻不甘願地留在組織裡面；自己承受極大的生理壓力，也常常引起慢性發炎跟生長因子失調。這樣一來會刺激旁邊蠢蠢欲動想要生長的細胞，像是幹細胞、血管細胞等等。這些細胞被刺激後，會在不該生長的時候開始生長。若是運氣不好，就會發展成癌症；而癌症，絕大多數都是老化相關疾病。

最重要的事情是，這整個過程都源於能量缺乏，最後引起線粒體裡面的自由基訊號。隨著年齡漸長，不相容性開始累積，最後影響線粒體的性能。這個過程，跟原始的自由基理論完全不同，因為它無關線粒體裡面，或是其他地方的氧化性損害（當然，這過程也並不排除氧化性損傷，只不過並非必要）。如前所述，自由基訊號引起的，就是ATP合成增加，因此根據預測，抗氧化劑不可能有用。它既無法延年益壽，也無法保健強身；根本的原因在於，就算它們真有辦法抵達線粒體，也只會阻撓細胞獲得能量。這個觀點也完全可以解釋，為何隨著年齡漸長，罹病率跟死亡率都急劇增加：因為身體組織在用過幾十年之後，會慢慢衰退，最後低於執行正常功能所需的最低要求。我們會愈來愈難以全力以赴，最後甚至連動也不動的存在，都無法應付。在我們生命走下坡的最後幾十年中，這個過程會重複出現在每個人身上，讓死亡率圖表上的曲線急速上升。

所以，我們能做什麼來防止老化呢？我剛剛說過，波爾是錯的，因為懶人並不會比較長壽，運動才有好處。所以，在一定的程度以內，只有「卡路里限制」跟「低碳水化合物飲食」兩件事，才是能防止老化。它們都會帶來生理壓力反應（就像促氧化劑一樣），而這樣會清掃掉有缺陷的細胞跟不好的線粒體，在短期之內可以提高存活率，不過一般來說，代價是降低生育力60。在這裡，我們又再次看見有氧能力、生育力跟長壽三者的關聯。但是，改變我們自身的生理條件所能達成的，難免有其極限。我們的演化歷史，已經設下了我們壽命的最長極限，這個極限，受限於大腦裡面複雜的神經突觸聯會，以及其他組織裡面幹細胞的數量。據說，汽車大王福特（Henry Ford）會去廢車場，檢視報廢的福特車，看看哪一部分的零件還能繼續使用；然後他會堅持，在新型的車子中，要把這塊堅固耐用但毫無意義的零件，換成比較便宜的零件，來節省成本。演化的過程也是一樣，因為我們的大腦會最先老化，所以如果在胃黏膜裡面，保存一大群有活力的幹細胞，卻從沒機會使用的話，也是沒有意義的事。因此，演化最終會設定我們最佳的使用年限。所以我很懷疑，僅靠微調自身的生理狀況，我們能有辦法活的比一百二十歲多多少。

不過演化又是另外一件事。想一想那個死亡門檻。有氧需求高的物種，像是蝙蝠跟鳥類，有非常低的死亡門檻：在胚胎發育過程中，即使是有限的自由基滲漏，都會驅動細胞凋亡程序；只有滲漏非常輕微的胚胎才能夠完整發育。這樣低的自由基滲漏率，造就後來的長壽，而原因我們剛剛已經討論過了。相反地，有氧需求低的動物像是大鼠、小鼠等等，牠們的死亡門檻較高，可以忍受比較高的自由基滲漏，所造成的結果就是短命。因此，我們可以很直接的預測：如果持續選擇較高的有氧能力的後代，在經年累月之後，應該會延長族群的壽命。事實確實如此，比如用大鼠來做實驗，我們可以用跑步機，去篩選牠們的有氧能力。如果把每一代的最佳跑者拿去配對，同時也把最差勁的跑者拿去配對，最後高有氧能力的那一組，壽命確實會延長；而低有氧能力的那一組，壽命則變短。經過十代之後，優秀的跑者那一組，有氧能力是差勁的跑者的百分之三百五十，而壽命則長了將近一年（因為大鼠通常只能活三年，所以這樣的差異非常巨大）。我認為，蝙蝠跟鳥類也是在演化的過程中，自然而然受到類似的篩選。一般來說，內溫動物（就是俗稱「溫血動物」）在這樣的篩選下，最終會讓壽命延長大約一個數量級61。

我們可能不希望自己被如此篩選，因為這聽起來實在太過優生學了。就算這樣改造社會的實驗，真的有可能成功，它會帶給社會更多的困擾，恐怕遠大於所能夠解決的問題。不過，事實上，我們可能已經在不知不覺中，正在進行這種實驗：相較於其他大型猿類群，我們的有氧能力確實比較高，而我們也活得比較久。人類的壽命，幾乎是黑猩猩與大猩猩的兩倍長，而牠們代謝速率則非常相近。或許，這是在人類種化初期的那些年，在非洲大草原上追逐著瞪羚時，所留下來的遺產。你未必會喜歡那樣持續不懈的長跑，但是這個經歷，卻形塑了我們這個「種」的特徵。天下沒有不勞而獲的事情。從「需要兩套基因體互相配合」這件簡單的小事，我們可以預測，我們的祖先，漸漸增加有氧能力、降低自由基滲漏，這或許帶給牠們生育力上的問題，但也同時延長了壽命。這些預測中，有多少是對的呢？因為它是可用實驗檢驗的假設，當然有可能被證偽。但是，因為有一個拼貼式的線粒體，這些現象不可避免的一定會出現。根據真核生物的起源故事，一定也會產生這些預測。這些細胞的起源，發生在二十億年以前一次偶爾的機會裡，讓細胞突破了那道細菌無法超越（所以始終是細菌）的能量障蔽。無怪，非洲大草原的日落景象，始終引發著我們情感的共鳴。因為這個景象，將我們緊緊繫在一列神奇（或者該說扭曲的）因果列車上，一旦啟動就無法停下，一路可以追溯回到這個星球上的生命最源頭。

50　切法魯大教堂的興建，始於一一三一年。這已經是諾曼人於一○九一年征服西西里之後四十年了。征服西西里，花了諾曼人許多時間，他們從一○六一年開始（稍早於征服英格蘭），前前後後花了三十年才結束。這座大教堂是西西里國王羅傑二世，為了感謝上帝讓自己在海難中逃過一劫，因而開始興建。這座漂亮的教堂，以及諾曼西西里宮殿，都是結合了諾曼式建築的原型，加上拜占庭式馬賽克拼貼裝飾，以及阿拉伯式穹頂。切法魯大教堂的作品，出自拜占庭工匠之手，有人說這裡的作品，甚至更優於著名的聖索菲亞（Hagia Sofia）大教堂裡的普世君王肖像。聖索菲亞大教堂位於土耳其，彼時城市叫做君士坦丁堡。不管哪一個，都非常值得一遊。

51　大部分的游離自由基分子，都來自複合物I。在複合物I裡面各氧化還原中心的間距，暗示大自然是刻意如此設計的。還記得之前提過，量子穿隧效應的原則：電子會從一個中心「跳」到下一個中心，跳過去的機率，隨距離遠近、下一個中心空不空，還有氧氣的「拉力」（還原電位）而定。當電子在複合物I裡面流動時，一開始就有兩條岔路：在主要的通路裡，每一個中心彼此的距離，都約在十一埃以內，因此電子可以很快地從一個中心跳到下一個中心；但是分岔的通路，卻是一條死胡同，電子只能進卻不能出。在分岔點上，電子會面臨「選擇」：它可以走主要的通路，那裡離下一個氧化還原中心的距離是八埃；也可以走岔路，離下一個中心的距離則是十二埃（見圖8A）。在正常的情況下，電子當然選主要通路。但是如果這條通路的電子塞車了，也就是說這條路的還原態升高了，那電子就會往岔路上的氧化還原中心堆積。岔路的氧化還原中心，位置比較靠外側，所以很容易與氧氣發生反應，產生超氧自由基。根據測量，這裡的鐵硫簇是呼吸鏈裡面，主要的自由基外漏來源。我認為，這條岔路是為了在電子流變太慢時，促進自由基外漏，造成「火災警報」的效果。

52　密特沃克指出，真性陰陽人身上有類似的問題。這些人生下來就同時帶有兩種性器官，比如說，右半邊有一顆睪丸，左半邊有一顆卵巢。大部分的人的器官都是如此分布，大約只有不到三分之一的陰陽人，睪丸長在左邊，而卵巢長在右邊。這種差異，幾乎不可能是基因造成的。密特沃克的研究指出，在發育的關鍵時刻，右半邊會長得比左半邊稍微快一點，因此比較有可能發育成男性。有趣的是，這在小鼠體內則完全相反：小鼠的左半邊長得稍微快一些，所以比較可能長出睪丸。

53　線粒體靠母系遺傳，它們來自卵子而非精子。雌雄同體的生物，理論上特別容易遇到線粒體引起的性畸形。他們的看法是這樣的：雄性對線粒體來說是條死路，沒有線粒體會「想要」被困在花藥中。因此，讓雄性性器官不孕對它們有好處，這樣一來可以確保自己透過雌性性器官傳出去。許多昆蟲身上的細菌性寄生蟲，特別是布克納氏體（Buchnera）跟沃爾巴克氏體（Wolbachia），也會玩類似的把戲：它們會藉著殺死雄蚊，來完全扭曲蚊子族群的性別比例。因為線粒體在細胞體內占有絕對的重要性，因此它們透過這種自私衝突的模式，殺死宿主細胞的程度，比較不會像細菌寄生蟲那樣嚴重。但是它們仍會造成雄性不孕，或是造成雄性專有的缺陷。不過，我比較認為，這種衝突在霍爾登法則裡面，扮演的角色沒有那麼重要，因為如果很重要的話，為何在鳥類（跟擬穀盜）身上，雌性反而比較嚴重呢？

54　這種細胞質融合細胞，已經被廣泛應用在細胞培養實驗裡面。因為透過這種技術，我們可以準確的測量想知道的細胞功能，特別是呼吸作用。刻意造成不同物種的線粒體跟細胞核基因體之間的不協調性，會降低細胞呼吸作用的速率，而且如前所述，會增加自由基外漏。這種功能性缺陷的嚴重程度，要看兩個物種的遺傳距離有多遠。用黑猩猩的線粒體跟人類細胞核基因所組成的細胞質融合細胞（是的，這種實驗已經有人做過了，不過僅止於細胞培養的階段），ATP合成的速率只有正常細胞的一半左右。小鼠跟大鼠所組成的細胞質融合細胞，則幾乎沒有正常的呼吸作用可言。

55　這種推測有點奇怪：睪丸比起其他組織，像是心臟、大腦，或是用來飛行的肌肉，真的有比較高的代謝需求嗎？並不見得吧！不過這裡應該考慮的問題是，細胞有無能力滿足需求。或許，睪丸在尖峰的時候，確實有比較高的能量需求；又或是用來應付需求的線粒體，數量比較少，所以每個線粒體所分配到的工作就比較高。這些假設應該都滿容易被驗證的，不過據我所知，到目前為止都還沒有人試過。

56　我猜，自由基所釋放出來的訊號，可能會在胚胎發育的某個時期，被故意強化。比如說，細胞色素氧化酶（cytochrome oxidase），是呼吸鏈中最後一個蛋白質複合物。當一氧化氮氣體（NO）連上去時，會增加自由基外漏，細胞就很有可能進入細胞凋亡程序。如果一氧化氮氣體在胚胎發育的某些階段，被大量釋放出來，很可能就會放大訊號，結果讓訊號超過臨界值，基因體不匹配的胚胎細胞，就會停止發育。這可以算是發育之路上的一種檢查站。

57　巴哈發現，鳥類像是鴿子跟虎皮鸚鵡，自由基滲漏的速率，比大鼠跟小鼠等動物，要低了十倍左右，而且這跟氧氣的消耗量成正比。實際上精確的速率，隨組織不同而不同。巴哈同時也發現，跟不會飛的哺乳類比起來，鳥類的脂質膜對於氧化的傷害，抵抗力要比較強；結果就是牠們DNA跟蛋白質的氧化性傷害比較少。綜合這些觀察，我們很難用其他的理論，來解釋巴哈的發現。

58　我喜歡叫它「反應性生物合成作用」（reactive biogenesis），意思是說，線粒體接收到身旁的自由基訊號，警告自己呼吸能力已經太低，無法達成任務，然後發生反應。在這樣的情況下，呼吸鏈還原態常常很高（電子大塞車）。塞住的電子會跑出來，直接跟氧氣反應，產生超氧自由基。這個自由基分子，會跟線粒體裡面，負責控制基因複製的蛋白質發生反應（我們稱這些蛋白質為轉錄因子）。有些轉錄因子，對於氧化還原狀態「很敏感」，意思就是說，它們帶有某些特殊的胺基酸，像是半胱胺酸，可以丟掉電子，也可以獲得電子，所以可以被氧化也可以被還原。最好的例子就是線粒體裡面的「拓墣異構酶I」（topoisomerase-I），這個酵素控制線粒體DNA跟其他蛋白質的接觸。如果它的某個關鍵半胱胺酸被氧化的話，線粒體生合成作用就會增加。因此，局部自由基訊號（所謂局部，是因為這些自由基從不離開線粒體）反而會增加線粒體的能力，根據需要而提高ATP的製造能力。這種根據細胞忽然跑出的需求而發出的局部訊號，或許可以解釋為什麼線粒體需要保有一小撮基因（見第五章）。

59　這聽起來很矛盾：大型動物通常有比較低的代謝速率，這是以平均每一克組織比較來說。但是我剛剛也提到，雄性哺乳類體型通常比較大，代謝速率也比較高，這不是自相矛盾嗎？其實是這樣的，不同種生物之間，代謝速率的差異，可以差到好幾個數量級之多；相較之下，同一種生物之間的代謝速率差異，就顯得微不足道了。從那樣的尺度來看，同一種生物的成體之間，代謝速率幾乎一模一樣（不過小孩通常比成人的代謝速率要高就是了）。之前我所談到，兩性之間的代謝速率差異，其實是在發育過程中某一個階段的絕對生長速率差異。如果密特沃克的理論正確的話，這樣的差異雖細微，卻精確到足以造成身體左邊跟右邊的發育差異，詳情請見本章注釋三。

60　還有更糟的。要清掉壞掉的線粒體，最好的辦法其實是強迫身體使用它們，從而加速它們的替換率。比如說，高脂肪飲食，比較能強迫我們使用線粒體，而高碳水化合物飲食，則會增加來自發酵作用的能量，所以比較不會那樣大量使用線粒體。假設你患有線粒體疾病（而所有人老了之後，也都會累積有缺陷的線粒體），這樣的轉換可能會太過劇烈。有些已經適應了「生酮飲食」的線粒體疾病患者，最終會陷入昏迷，因為他們受損的線粒體，無法在沒有發酵作用的幫助下，提供正常生活所需要的能量。

61　我曾在過去的著作《能量、性、死亡》與《生命的躍升》中，討論過有氧能力跟內溫性演化之間的交互作用。如果你有興趣想知道多一點的話，我毛遂自薦請你去閱讀它們。

跋文 來自深海

在日本靠太平洋側的海底，超過一千兩百公尺的深處，有一個海底平頂火山，稱為明神丘（Myojin knoll）。日本有一組生物學家，已經在此地打撈超過十年了，他們在尋找有趣的新生命形態。一開始他們並沒有找到什麼非常有趣的東西，直到二○一○年五月，他們撈起了一些緊緊依附在深海熱液噴發孔旁的多毛類蠕蟲。真正有趣的並不是這些蠕蟲本身，而是跟這些蠕蟲有關的微生物。這些微生物裡，有一個細胞，乍看之下很像真核生物，但是細看後才知道不是（見圖37）。它後來成為最吊人胃口的謎團。

真核生物字面上的意思，就是有「真正細胞核」的生物。這些科學家所找到的細胞，剛開始看起來好像也有一個細胞核。它也有許多彎彎曲曲的內膜系統，也有一些內共生者，有可能是氫化酶體，這是從線粒體演化而來的構造。而跟真核的真菌與藻類一樣，它也有細胞壁，但是沒有葉綠體，不過這並不讓人意外，畢竟它是從漆黑深海中撈起來的生物。這顆細胞的尺寸偏大，長約十微米，直徑約三微米，這樣算起來，它的體積是像大腸菌這樣典型細菌的一百倍左右。一開始的時候，科學家認為這顆細胞雖不屬於任何已知的分類，但是它無疑的一定是真核生物。或許你會想，只要掃描一下它的基因序列即可。一旦知道了結果，幫它在生命樹上找個適當的位置，只不過是時間早晚的問題而已。

但是，再仔細看一看吧。確實所有的真核生物都有細胞核，但是它們的結構都大同小異。它們都是雙層膜，連接著其他細胞內膜；它們有核仁，核糖體RNA在此合成。它們有複雜的核膜複合體，核蛋白片層；它們的DNA也被小心翼翼地包裹在蛋白質裡面，形成染色體的結構（染色體像是一根直徑寬達三十奈米的粗纖維）。在第六章我們介紹過，真核生物的蛋白質，由核糖體合成，而核糖體一定在細胞核外面；這是細胞核與細胞質最基本的分別。那麼，從明神丘找到的細胞呢？它只有一層核膜，上面有一些裂縫，但是沒有核孔。它的DNA是一條細纖維，跟細菌的一樣，直徑只有兩奈米，而不是像真核生物一樣的粗染色體。它的細胞核裡也有核糖體。什麼？細胞核裡有核糖體！？細胞核外面當然也有。此外，它的核膜在許多地方，都跟細胞膜連接著。至於那些內共生者，它們很可能是氫化酶體，但是根據立體重建模型顯示，有一些有著細菌的螺旋狀外形。這些構造看起來像是攫取沒多久的細菌。另外，它雖然有許多內膜，但是卻沒有內質網或是高基氏體，也沒有細胞骨架等等所有典型的真核生物特徵。換句話說，這顆細胞跟現代的真核生物相比，真的是差很多，它充其量只能說表面上看起來像而已。

那麼，它到底是什麼東西呢？發現它的科學家也不知道。他們把它命名為「明神丘准核細胞」（Parakaryon myojinensis），「准核細胞」這個新詞彙，象徵了一種過渡型態。這篇發表在《電子顯微鏡期刊》上面的論文，有著我所見過最讓人著迷的標題：「是原核生物還是真核生物？來自深海的獨特生物」。雖然開頭問了一個漂亮的問題，但是作者卻沒有在論文中提供任何答案。只需要基因體序列，甚或是核糖體RNA的少許特徵，就可以透露給我們一些關於這個新細胞真實身分的暗示，同時讓這篇被大多數人忽視的論文，搖身一變，刊登在《自然》這種有高度影響力的期刊上面。但是他們將手中唯一一份樣本，做成電子顯微鏡切片了，作者唯一能確定的，就是在過往十五年的研究，以及一萬份電子顯微鏡切片中，他們從未見過類似的生物。在世界上其他地方也沒有人見過。

那麼這個細胞到底是什麼呢？這種不尋常的特徵，有可能源自樣品準備時出現的錯誤。根據電子顯微鏡過往的諸多問題，我們不能忽略這個可能性。但是反過來說，如果這些特徵是假的，那為什麼只有這份樣品長這樣？又為什麼各種結構看起來如此合理？我覺得這不像是出錯的樣品。如此一來，就有三種可能性。首先，它可能來自一個真核生物細胞，而這種細胞，為了適應不尋常的生活環境，改變了正常的構造，這樣才能依附在深海熱液噴發孔旁的蠕蟲身上。但是這種可能性不高，因為很多細胞，都生活在這個環境中，卻沒有走到這一步。通常，由真核生物演變而來的生物，會失去許多原型的特徵；但是殘存的特徵，卻仍足以讓我們辨識是真核生物。舉例來說，所有的古原蟲都是如此。過往我們一度以為古原蟲是某種活化石，是原始的中間型，但是後來才知道，它們全部來自如假包換的真核生物。如果「明神丘准核細胞」，是從發育良好的真核生物變來的話，那等於是徹底不同於過往我們所見過的任何生物，我不認為如此。

另一種可能，它可能真的是一個活化石，它們才是倖存下來「貨真價實的古原蟲」，在這片從未改變的深海中，沒有辦法演化出完整的真核生物裝備。雖然原始論文的作者傾向這種看法，但是我卻不同意。它們並非生活在從未改變的深海中，它們是依附在多毛類蠕蟲的背上。這些蠕蟲，是一種複雜的多細胞真核生物，在真核生物剛演化出來時，很顯然並不存在世上。同時，這種細菌的種群密度似乎很低：在這麼多年的搜尋後，只找到一顆細胞，這也讓我懷疑，它們真的這樣毫不改變地，存活了近二十億年之久。要知道，小種群的生物極易滅絕。如果種群擴張了，那麼不會有什麼問題。但是如果沒有，那碰到運氣不好的改變，整個種群消滅殆盡，也只不過是時間早晚的問題罷了。二十億年是非常長的時間，足足比我們認為的活化石，深海中的腔棘魚，可能存活的時間還長了三十倍。任何可以從那麼久以前存活下來的倖存者，應該都至少要跟真正的古原蟲一樣普遍，才有辦法存活這麼久才對。

這樣就剩下最後一種可能性。如同福爾摩斯說過：「一旦你排除了所有不可能的事實後，那麼剩下的，不管多麼不可思議，那就是事實的真相。」雖然前面兩個選項，絕非不可能，但是第三個選項卻是最有趣的：這是一個原核生物細胞，它攫取了一些內共生者，然後正在慢慢變成一個像是真核生物一樣的細胞，走的是一條同樣的演化之路。我認為，這個解釋要有意義多了。這個假設馬上就能解釋，為何這種細菌種群密度如此之低，如同我們之前提過，原核生物之間出現的內共生作用，是一種罕見的意外，而且會為細菌帶來許多困境62。在原核生物首次嘗試內共生作用時，要避免天擇施加在宿主跟內共生者身上的壓力，絕對不是一件容易的事。這種細胞最有可能的命運，就是死亡。此外，兩種原核生物之間的內共生作用，也可以解釋，為什麼在這種細菌身上，可以看到許多「乍看之下貌似真核生物，實則不然」的特徵。這顆細胞很大，也有比其他任何原核生物都大多了的基因體。這基因體還被包在像是「細胞核」一樣的東西裡，而核膜又跟其他內膜連在一起，諸如此類。這些特徵，都是我們之前根據第一原理所預測過，應該會出現在原核細胞與內共生者的演化過程中。

我敢小賭一下，這些內共生者細菌，多半已經丟掉大部分的基因體了，就像我之前解釋過，唯有讓內共生者丟掉基因，宿主的基因體才有辦法擴充到真核生物的大小。看起來，這種「一邊丟掉基因、另一邊獲取基因」，讓兩邊形成極度不對稱基因體的現象，正在發生，而只有這樣才能形成更複雜的生命。這個宿主細胞的基因體一定很大，才會占到細胞體積超過三分之一；而這個細胞的體積，已經是大腸菌的一百倍大了。這個基因體，被包在一個表面上看起來很像細胞核的構造裡面。有趣的是，只有一部分核糖體，被隔在細胞核外面。這現象是否代表，內含子的假說有錯誤呢？其實很難講，有可能因為這個宿主細胞，也是一顆細菌而非古菌，所以或許細菌傳過來的移動式內含子，造成的災情比較不那麼嚴重。基於細胞核已經獨立演化出來的事實，我認為類似的演化力量，已經在此發揮作用，也很可能會發生在其他帶有內共生者的大型細胞身上。那麼其他真核生物的特徵，像是有性生殖跟交配型呢？在沒有基因體分析的情況下，我們什麼也不知道。所以我說，這真是最撩人的謎團了。現在我們只能靜待其他的結果，而這正是科學裡面永不休止的不確定性之中，其中的一小部分而已。

本書的目的，就是要去預測，生命為何發展成現今的模樣。看起來，明神丘准核細胞，正走在一條平行的演化道路上，歷經同樣的過程，只不過起點的祖先是細菌。至於在宇宙中其他角落，生命是否也走著同一條演化之路，跟它的起點，也就是生命的源頭有關。我認為，同樣的源頭一樣可能再現。

地球上所有的生命，都依賴化學滲透機制，依賴隔著生物膜兩側的質子梯度，來驅動碳代謝與能量代謝。我們已經探索了這些機制可能的源頭，以及它們所造成獨特的生物特徵。我們也提過，要維持生命，就必須要有持續不斷的動力，要有永不停止的化學反應，才能夠一直生產各種中間產物，以及ATP這種副產品。這些分子，才能夠應付形成細胞所需的耗能反應。這種碳流跟能量流，在生命誕生之初，必定相當龐大，因為那時還沒有演化出生物催化劑，無法引導跟限制代謝反應的流向。生命起源有諸多條件：它需要連續不斷又大量的碳、以及可利用的能量，兩者透過礦物催化劑，全部集中在一個微滲透系統裡面，這樣才能既濃縮產物，又能排除廢棄物。自然界中沒有太多環境，可以一次滿足這麼多理想條件。當然或許還有其他環境，不過海底鹼性熱液噴發孔是一定可以的，而且這種熱液，在宇宙中任何潮溼又有岩石的行星上，都應該相當普遍。在鹼性熱液噴發孔區，滿足生命的條件就是岩石（橄欖岩）、水跟 CO2 這三項，而這些也是宇宙中最普遍的物質。現在，在銀河的四百億顆可能的行星裡面，或許就有好幾個適合生命誕生的環境呢63。

海底鹼性熱液同時帶來麻煩，卻也帶來解答。它們富含 H2 ，可是氫氣並不容易跟 CO2 直接反應。我們前面解釋過，隔著半導性礦物膜所形成的天然質子梯度，有可能驅動有機分子合成，最後在熱液噴發孔的小孔中，形成細胞。果真如此的話，那要孕育生命，一開始就一定要有質子濃度梯度（以及鐵硫礦物質），才有辦法突破 H2 跟 CO2 之間的活化能障壁。而為了要生長在天然的質子梯度中，這些早期的細胞，就必須要有一層會滲漏的膜；這種膜，一邊可以攔住生命所需的各種分子，一邊又不會把細胞跟質子流這能量之源隔絕。但是反過來說，這些條件，也讓這些細胞再也無法離開鹼性熱液噴發孔；除非，在它們身上，能夠分毫不差的依序發生一連串事件（必須要有反向運輸蛋白才行），讓主動式質子泵浦，跟現代化的磷脂質細胞膜，可以一起演化出來。只有通過這道窄門，細胞才有可能離開熱液噴發孔，定居在早期的海洋跟岩石上。我們解釋過，這一系列依序發生的事件，可以解釋露卡那些自相矛盾的特質，也才能解釋細菌跟古菌為何分歧。此外，也只有這樣，才能解釋為何地球上所有生命，都依賴化學滲透作用，為何這種獨特的特徵，竟然跟遺傳密碼一樣普遍。

能夠孕育生命的環境，在宇宙中貌似非常普遍，但同時生命要出現，卻又需要一系列被嚴格控制好的事件配合。根據這樣的條件，宇宙中其他地方的生命，很可能也是依賴化學滲透作用而活，而且也會面臨一樣的機會跟一樣的限制。從代謝的角度來看，化學滲透耦合，為生命帶來無限的好處，因為它讓生物幾乎可以「吃」跟「呼吸」任何物質。此外，就像因為萬物都使用遺傳密碼，所以細菌可以藉著水平基因轉移，把基因傳來傳去；萬物也都使用化學滲透耦合的操控系統，因此那些代謝小工具，也可以根據不同的環境需求，傳來傳去。如果說，在整個宇宙中，包含我們的太陽系裡，沒有找到用相同方式生存的細菌，沒有找到依賴質子梯度，以及依賴氧化還原反應而生存的細菌的話，那才真叫人吃驚呢。因為這些生存方式，都是依照第一原理所預測的策略呀。

而如果其他地方的生命，也用一樣的方式生存的話，那也就是說，它們也會面臨跟地球上真核生物一樣的難題：「外星人」應該也有線粒體。我們前面說過，所有的真核生物，都來自一樣的祖先，這個祖先的出現是個偶然，是原核生物之間罕見的內共生作用。這種細菌之間的內共生作用，我們至少知道有兩個活生生的例子（見圖25）。如果把明神丘准核細胞也算進來的話，那就有三個了。因此我們知道，要讓一個細菌進到另一個細菌體內，不靠吞噬作用也仍然可能。因此，在四十億年的演化時光裡，至少應該發生數千次，甚至數百萬次都不一定。這種事件確實是個瓶頸，但是並不是最困難的。每一次內共生事件，內共生者都應該會丟掉基因，宿主細胞則同時變得更大、基因體變得更複雜；這正是明神丘准核細胞現在的樣子。與此同時，宿主細胞跟內共生者之間，應該也會發生激烈的衝突，這則是第二個瓶頸。這兩道障礙，讓複雜生命不可能普遍存在。我們解釋過，第一群真核生物祖先，必定是一小群演化快速的種群：因為真核生物有許多我們從未在細菌身上看過的共同特徵，這代表當時的祖先種群，一定很小且不穩定，並且進行有性生殖。如果明神丘准核細胞確實如我所想，是重複真核生物的演化之路的話，那麼族群規模極小（十五年的搜尋，卻只找到一個樣本）就完全正常。它們未來最可能的命運，就是滅絕。或許是因為它們沒有辦法完全把核糖體排除在細胞核之外；或者是因為還沒「創生出」有性生殖，所以滅絕。當然也有極小的可能性，它們演化成功了，然後為地球上帶來第二種真核生物。

我想，我們可以合理的推測，宇宙中的複雜生命，將不會太常見。天擇本身，並沒有任何要製造人類或是其他複雜生命的動力。事實上，最有可能的演化結果，大概就是卡在細菌那種等級的複雜度而已，但是我並沒有任何統計數據可以證明。發現明神丘准核細胞這件事，或許會激勵許多人，因為如果地球上，有可能出現好幾次複雜的生命，那在宇宙其他地方，應該也不會太罕見才對。或許吧！不過我可以很確定的說，要演化出複雜的生物，基於能量上面的問題，一定要依賴兩種原核生物之間的內共生作用才行，而不巧這是個罕見而隨機的事件，罕見到幾乎可以說是一場詭異的意外了，而接下來，兩個細胞彼此之間親密而激烈的衝突，又讓問題更加惡化。若有辦法度過這一切困難，我們才能再次回到原來遵循天擇演化的道路上。我們之前解釋過，許許多多真核生物共有的特徵，從細胞核到有性生殖，它們的演化過程，都可以根據第一原理去預測。我們甚至可以更進一步推論，其他的特徵，像是兩種性別、體細胞／生殖細胞的區別、計畫性細胞死亡、拼貼式的線粒體，又或者是有氧能力跟生育力之間的取捨、適應性與疾病、老化與死亡等等，這些特徵的出現，也都源於一個細胞住進另一個細胞裡面，而且也完全是可以預測的。再演化一次的話，它們還會重現嗎？我認為會。我們早就該從能量的角度來討論演化了，為天擇跟演化樹立一些，可預測的基本原則。

生物對能量的要求，比對基因要嚴格多了。看看我們周圍的世界，這個美妙的世界所反映的，正是基因的變異性，不管是透過突變還是重組，這也正是天擇作用的基礎。窗外的大樹，跟我們身上的基因，有不少共通的序列；但是我們跟這棵大樹，很早很早以前，大概在十五億年前，就在真核生物的演化道路上分道揚鑣了。我們跟大樹，分別遵循著基因給我們的指示，走上不同的岔路。這個指示，正是基因突變、重組，外加天擇作用的成果。我們會繞著大樹跑著，而我希望今日還有人偶爾會喜歡爬樹。而大樹呢？它們會在微風中輕輕搖曳著，同時把這些空氣，用神奇的把戲，轉換成更多棵大樹，直到用盡它們為止。我們跟樹的不同處，全部都寫在基因裡面；想想看，這些基因，原本都來自一模一樣的共祖，但是現在卻已經分歧，到了幾乎無法看出任何相似性的地步了。在演化的漫長旅程中，天擇允許這些變異，並把它們選擇出來。基因幾乎可以允許無限可能：任何可能發生的，都會發生。

但是回頭看看那棵大樹，它也有線粒體，而這個線粒體運作的方式，跟它的葉綠體差不多；它們日夜無休永不止盡地，讓電子在幾萬億幾萬億條呼吸鏈裡面傳遞著，然後把質子運輸過線粒體內膜，就像它們從盤古開天以來就一直在做的事一樣；而你的線粒體，也做著一模一樣的工作。這種電子跟質子的循環，從母親的子宮裡開始，就一直維繫著我們的生命；我們每秒都要泵出 1021個質子，每一秒每一秒，從不間斷。我們的線粒體來自母親，這是她留給我們最珍貴的禮物，是一份生命之禮。這份禮物，也可以一代又一代的追溯回去，毫不間斷地，直到四十億年以前，到那攪動生命的深海鹼性熱液噴發孔處。線粒體的反應一旦被干擾，就會危及性命。氰化物就是如此，它擋住電子跟質子的流動，也瞬間擋住我們的生命之流。老化也是一樣，不過它步調緩慢、溫柔多了。死亡，就是電子跟質子停止流動，是膜電位消失，也是生命之火熄滅。如果說，生命不過就是一顆電子不斷地尋找棲身之地，那麼死亡就是這顆電子終於可以安息之時。

這種能量的流動讓人震懾，但同時也容不下改變。哪怕是幾分鐘甚或是幾秒鐘的改變，都會讓這場生命的實驗走向終點。生物的孢子，可以成功地走向代謝冬眠，它們有幸有這種機制；但對於其他生物，包括我們來說，恐怕就不妙了。我們依賴這些代謝反應，如同史上第一個細胞一般。在根本上，這些程序自古以來，就幾乎不曾改變過。它們怎麼可能被改變呢？要活著才有生命，要活著，就需要這種毫不停歇的能量流動。因此，若說這種能量流，是演化之路上最主要的限制，也是由它來決定什麼可能、什麼不可能，恐怕一點也不讓人驚訝。無怪，細菌自始至終，就一直只能做著細菌的工作，它們對這盞讓它們生長、分裂、征服世界的生命之火，完全無力做些許更動。同時也難怪，在演化歷程中偶爾出現的一場意外，在原核生物之間發生的一次內共生事件，雖然找到了出路，但卻完全不是去觸碰這盞生命之火；反而是在每一個真核生物細胞內，四處點燃它，最終讓複雜的生命形態演化出來。讓這盞生命之火繼續燃燒，對我們的生理跟演化來說，都是生死交關的事，而這個條件，可以解釋許多過往與今日生物的怪僻。非常幸運的，我們的「心智」，同時也是宇宙中最珍貴的生物機器，現在也被這道永無停歇的能量流驅動，讓我們可以思考，為何生命會是今日這樣的型態。願質子力與你同在！

62　明神丘准核細胞的內共生者，位於作者宣稱的「吞噬體」裡面（吞噬體是細胞裡面的一種液泡），但是仍保有完整的細胞壁。作者認為這個宿主細胞，原本應該是一顆吞噬細胞，但是後來失去了吞噬能力。不過事情未必一定如此。你可以再參考一下圖25。圖25中許多細菌體內的細菌，也是被包在非常類似的「液泡」裡面，而這些宿主細胞則很明顯是藍綠菌，因此絕對不會吞噬作用。微生物學家吳耶克（Daniel E. Wujek）曾說過，當他在處理這些細菌，準備使用電子顯微鏡時，這些被包著細菌的液泡會縮水；所以我猜那些所謂明神丘准核細胞體內的「吞噬體」，應該也是類似的縮水現象，跟真正的吞噬作用並沒有關係。果真如此的話，那這些宿主細胞的祖先，就不太可能是複雜的吞噬細胞。

63　根據克卜勒望遠鏡所觀察到的資料，銀河中每五個類日恆星中，就有一個會有一顆「類地行星」，同時又位於「可居住帶」（habitable zone）中。這樣算起來，在銀河裡面應該有四百億顆可能的行星。

術語表

有氧呼吸（aerobic respiration）：就是我們的呼吸方式。透過它，可以讓食物跟氧氣發生反應，產生能量來作功。細菌也可以用氧氣「燃燒」礦物或其他氣體。請參考無氧呼吸跟呼吸條目。

鹼性溫泉（alkaline hydrothermal vent）：溫泉的一種，通常都位於海底，會噴發出富含氫氣的溫暖鹼性液體。在生命誕生的過程裡面，可能扮演了舉足輕重的角色。

等位基因（allele）：在生物的族群裡面，某一個基因的眾多型之一（譯注：比如常說某個基因有顯性跟隱性之別，它們就是兩種等位基因）。

胺基酸（amino acid）：二十種特殊的分子，是生命的建築材料，可以連在一起，形成蛋白質分子（一條蛋白質通常都由數百個胺基酸分子連成）。

無氧呼吸（anaerobic respiration）：另類的呼吸型態，有許多種不同形式，在細菌世界裡非常常見。這種呼吸型態，使用別的分子（像是硝酸鹽或是硫酸鹽）取代氧氣，來「燃燒」（氧化）食物、礦物或是氣體。而所謂的厭氧菌（anaerobe）呢，則是指那些不靠氧氣就能生存的細菌。請參考有氧呼吸跟呼吸條目。

埃（ångström）：一種長度單位，大概是原子大小的尺度，精確地來說，一埃等於一百億分之一（10-10）公尺；一奈米則是十埃，也就是十億分之一（10-9）公尺。

反向運輸蛋白（antiporter）：是一種旋轉門蛋白質，通常嵌在細胞膜上，用一個離子進入交換另一個離子出去，比如用質子（H+）交換鈉離子（Na+）。

細胞凋亡（apoptosis）：是一種「計畫性」的細胞死亡過程，由細胞自己把自己拆解掉。它的程序被寫在基因裡面，並且在執行時需要消耗能量。

古菌（archaea）：分類學中生物三大域之一的生物，其他另外兩域的生物，則是細菌跟真核生物（包括人類）。古菌是一種原核生物，也就是說沒有細胞核來儲存它們的DNA，也沒有其他真核生物所有、各種精巧複雜的構造。

古原蟲（archezoa）：千萬不要把它們跟古菌搞混了！古原蟲是一些簡單、單細胞的真核生物。過去曾經一度誤以為，它們是細菌與複雜真核生物之間的「失落的環節」。

ATP：是腺苷三磷酸（adenosine triphosphate）的縮寫。這個分子，是所有已知細胞都在使用的能量「貨幣」。當ATP被「花掉」時，它會被分解成為ADP（腺苷二膦酸，adenosine diphosphate）。呼吸作用所產生的能量，則會被用來將磷酸鹽（PO43-）加回ADP上面，讓它再度變成ATP。乙醯磷酸鹽（acetyl phosphate）則是一種比較簡單的（因為只有兩個碳原子）能量貨幣，這個分子作用方式，跟ATP有點類似，不過這個分子可以由早期地球的地質作用直接合成。

ATP合成酶（ATP synthase）：這是一台驚人的蛋白質旋轉機器。它是一台嵌在膜上面的奈米渦輪，當質子從渦輪中間流過去時，會推動它去合成ATP。

細菌（bacteria）：分類學中生物三大域之一的生物，另外兩域生物則是古菌以及真核生物（包括人類）。細菌是一種原核生物，也就是說沒有細胞核來儲存它們的DNA，也沒有其他真核生物所有、各種精巧複雜的構造。

化學滲透耦合（chemiosmotic coupling）：利用呼吸作用所產生的能量，把質子打到一層生物膜外面，當這些質子從一個蛋白質渦輪機（ATP合成酶）流回來時，會推動它合成ATP，這整套過程稱為化學滲透耦合。在這個過程，呼吸作用跟ATP合成，被質子梯度「耦合」在一起。

葉綠體（chloroplast）：植物跟藻類細胞體內的特殊結構，也是進行光合作用的場所。它們最早的時候，是一些會行光合作用的細菌，也就是藍綠菌。

染色體（chromosome）：是由被蛋白質緊緊包圍著的DNA，所形成的棒狀結構，在細胞分裂的時候可見。人類有二十三對不同的染色體，總共保有兩套我們全部的基因。所謂流動的染色體，指的是基因會重組的染色體。透過重組，讓染色體上的基因（等位基因）可以有不同的排列組合。

細胞質（cytoplasm）：是充滿在細胞內部的膠狀物質，不包含細胞核。細胞質含有水樣的胞質液（cytosol），浸潤著細胞裡面每部分，比如線粒體。細胞骨架則是一些機動性很高的蛋白質，用來支撐細胞，它們可以在細胞改變形狀的時候，重組再重組。

不平衡（disequilibrium）：是分子「想要」但還沒有跟其他分子發生反應時的狀態。像有機物質與氧氣，就處於不平衡狀態。如果有適當的機會（比如擦亮一根火柴），有機物質就會燃燒。

耗散結構（dissipative structure）：是具有特殊形式的物理結構，比如像漩渦、颶風跟噴射流。要維持這些結構，都需要持續地對它們灌注能量。

DNA：去氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid）的簡稱，它是一種遺傳物質，會形成雙股螺旋的結構。寄生DNA（parasitic DNA）是指那些，會自私地不斷自我複製、躲在宿主體內占便宜的DNA。

電子（electron）：電子是一種次原子粒子，它帶有一個負電荷。所謂電子接受者，是得到一個或好幾個電子的原子或是分子；而所謂的電子供應者則是失去電子的原子或是分子。

需能的（endergonic）：需能反應指的是需要從外部輸入自由能（物理上的功，而不是熱）才能夠進行的反應。而另一種叫做吸熱反應（endothermic reaction）的反應，則是指需要輸入熱能才能進行的反應。

內共生作用（endosymbiosis）：兩細胞之間，其中一顆實實在在地住在另一顆細胞體內，所形成的共生關係，它們通常彼此交換所需的代謝物質。

熵（entropy）：是一種分子失序的狀態，而且傾向走向渾沌。

酵素（enzyme）：可以催化特定化學反應的蛋白質。通常有酵素的幫忙，可以讓反應速率增快數百萬倍。

真核生物（eukaryote）：由一個或多個細胞所組成的生物，這些細胞都有細胞核，以及其他像是線粒體之類的特化構造。所有複雜的生命型態，都是由真核細胞所組成，包括了植物、動物、真菌、藻類，以及原生生物（比如像變形蟲）。真核生物屬於生命三大域之一，其他兩域的生物，則是比較簡單的細菌跟古菌。

釋能的（exergonic）：反應時會放出自由能的化學反應，這些自由能可以拿來作功。而所謂放熱反應（exothermic reaction）則是會放出熱量的反應。

脂肪酸（fatty acid）：一種長鏈狀的碳氫化合物，通常都有約十五到二十個碳原子連在一起，長鏈的其中一端會是一個酸基。它們是組成細菌跟真核生物脂質膜的成分。

發酵（fermentation）：發酵不是無氧呼吸。發酵作用是純粹的化學反應，會直接合成ATP，完全跟橫跨細胞膜的質子梯度、或是ATP合成酶沒有關係。不同的生物體內，發酵反應的路徑也略有不同。我們人類會產生乳酸作為代謝廢物，酵母菌則是產生酒精。

鐵硫簇（FeS cluster）：這是一種像礦物質的小型結晶，它的晶格由鐵跟硫原子所組成，通常都是 Fe2S2 或是 Fe4S4。很多重要的蛋白質，包括某些呼吸蛋白的中心，都有這種結晶。

穩固（fixation）：當某一型的基因（等位基因之一）已經遍布到族群中每個個體身上時。

自由能（free energy）：可以用來作功的能量（不是熱能）。

自由基（free radical）：帶有一個不成對電子的原子或是分子。因為它有一個不成對的電子，所以會非常不穩定，也容易起反應。從呼吸作用中溢出的氧自由基，有可能在生物疾病及老化上，扮演重要的角色。

基因（gene）：是一段負責編碼出蛋白質（或是其他分子，像是調節RNA）的DNA序列。而基因體（genome），則是指一個生物體內所有的基因總和。

生殖細胞（germline）：動物體內特化出來，專門從事有性生殖的細胞（像是精子跟卵子）。它們負責把基因傳給新生的下一代。

內含子（intron）：內含子是基因序列中間的一段「空白鍵」，它們通常不負責編碼出任何東西，而且常常在基因被讀取成蛋白質之前，就會被移除。移動式內含子則是基因的寄生蟲，它們會在基因體裡面，重複地自我複製。真核生物體內的內含子，很明顯地，是在真核生物演化早期，因為細菌的移動式內含子經過不斷繁殖，最後突變然後退化所留下來的。

水平基因轉移（lateral gene transfer）：把少量的基因（通常數量都不大）從一隻細菌傳到另一隻細菌體內，或是直接吞掉環境中裸露出來的DNA。所謂水平基因轉移，是同一代細菌之間彼此交換基因；相對的，垂直基因轉移則是在細胞分裂的時候，由親代細胞將整套基因體複製後，傳給子代細胞。

露卡（LUCA）：是萬物最近共祖（the last universal common ancestor）的縮寫，也是今日世上所有生物的祖先。我們可以透過比較現代細胞的方式，來猜測並重建露卡當初的特徵。

減數分裂（meiosis）：細胞在行有性生殖時，所進行的縮減式細胞分裂。透過這種分裂，會形成所謂的配子。配子只帶有單套染色體（因此叫做單倍體），而不像親代細胞一樣有兩套染色體（因此叫做二倍體）。真核生物一般的細胞分裂叫做有絲分裂，這種分裂時，細胞會先將染色體複製，然後透過微管構成的紡錘體，把染色體平均分配給兩個子細胞。

膜（membrane）：是指由脂質構成，非常薄的薄膜；有的圍繞在細胞周圍，有的存在細胞內部。這些膜的構造叫做「脂雙層」，因為它其實是兩層貼在一起，每一層疏水性（不喜歡水）的那一面朝內，親水性（喜歡水）的那一面朝外。所謂的膜電位，則是在膜的兩側因為電荷不同，因而產生的電位差。

代謝（metabolism）：是在活細胞體內所產生，一系列維持生命運作的化學反應。

線粒體（mitochondria）：真核生物細胞裡面的祕密發電廠。它們是由α變形菌演化而來，同時現在還保有一份微小但卻極為重要的基因體。線粒體基因指的是那些實質上位於線粒體裡面的基因。線粒體生合成做用指的是新線粒體的複製、生長等作用，而這些作用都需要細胞核裡的基因參與。

單系輻射演化（monophyletic radiation）：許多不同種的生物，從一個共同祖先（或是從單一分類「門」）分化出來的現象。這種演化現象，就像是腳踏車輪的輪輻，從輪軸中心發散開來的樣子。

突變（mutation）：通常是指基因中特定的序列發生改變，不過有時也可以指其他的遺傳變異，像是DNA隨機的缺失或是隨機複製。

細胞核（nucleus）：這裡是複雜細胞（也就是真核細胞）的「指揮中心」。大部分細胞的基因都放在這裡（少部分放在線粒體中）。

核苷酸（nucleotide）：是組成DNA或是RNA的材料，可以連在一起形成長鏈。有一些跟核苷酸相關的分子，同時也扮演酵素輔因子的角色，可以催化特定的反應。

異種同源基因（ortholog）：它們是在不同種的生物體內的相同基因，同時也執行一模一樣的功能。這些基因都來自同一個相同的共祖。

氧化（oxidation）：從物質身上拿走一個或多個電子，我們這時候稱這物質被氧化了。

同種同源基因（paralog）：在同一個基因體裡面的某個基因，因為不斷自我複製，結果形成一個基因家族。這樣的基因家族也有可能在不同種的生物體內被發現，而它們都是從同一個共祖身上繼承而來。

酸鹼值 pH：是用來測量酸度的單位，精確地來說，是測量質子濃度：酸就是高濃度的質子（同時也是 pH 小於七的時候）。而鹼則是低濃度的質子（同時也是高 pH，pH 介於七跟十四之間）。純水是中性的 pH 7。

吞噬作用（phagocytosis）：一顆細胞吞掉另一顆細胞的過程，吞噬細胞會把吃進去的東西送入「食物」液泡中，然後在體內消化。滲透營養作用（osmotrophy）則是在體外先消化食物，再把分解好的小分子吸收進體內，真菌就是如此消化食物。

光合作用（photosynthesis）：利用太陽能把電子從水分子（或是其他物質）中拔出來，然後將它黏到二氧化碳分子上，藉此把二氧化碳分子轉換成有機分子的作用。

質體（plasmid）：是一小段環形的寄生型DNA，它會自私地從一個細胞跑到另一個細胞裡。質體有時候也會為它的宿主細胞帶來有用的基因，比如帶來抗藥性基因。

多系輻射演化（polypheletic radiation）：從不同的祖先（也就是不同的分類門）所各自獨立演化出來的不同物種，就像好幾個車輪的輪輻，各自從許多軸心放射出去。

原核生物（prokaryote）：基本上是所有沒有細胞核的簡單細胞的通稱。「原核」字面上的意思就是：在細胞核出現以前。這些生物包含了細菌跟古菌，也就是生物分類三大域裡面的兩域。

蛋白質（protein）：蛋白質是由胺基酸串起來的長鏈；而胺基酸排列的順序，是嚴格依據基因裡面DNA字母排列順序而定。而所謂多肽（polypeptide），則是比較短的胺基酸鏈，而且它們排列的順序，並不一定被嚴格的規定。

原生生物（protist）：所有單細胞真核生物的通稱。有些原生生物可以非常複雜，複雜到包含了四萬個基因之多，同時平均體型可以是細菌的一萬五千倍大。而原蟲（protozoa），又叫原生動物，則是一個雖然很生動，但是已經停用的詞彙。他的意思是指「最早的動物」，原本是用來形容變形蟲這種行為跟動物很相似的原生生物。

質子（proton）：是一種次原子粒子，帶有一個正電荷。一個氫原子就是由一個質子跟一個電子所組成。當氫原子失去電子時，它就剩下一個帶正電的質子，所以我們用 H+ 來代表。

質子梯度（proton gradient）：所謂質子梯度，是指在一層膜的兩邊，擁有不同濃度的質子。所謂質子驅動力（proton-motive force）所指的，則是因為這層膜兩側電荷不同，以及 H+ 濃度不同，合在一起所形成的電化學力量。

重組（recombination）：在「流動的」染色體中，某個染色體上一小段DNA，跟另一個染色體上相同位置的DNA互相交換。所造成的結果，是重組後的染色體，會帶有位置相同但組合不同的基因（特別是指等位基因）。

氧化還原（redox）：就是指氧化反應跟還原反應的過程結合在一起，所造成的結果是電子從一個供應者跳到一個接受者身上。而氧化還原對所指的，則是指一對特定的電子供應者跟接受者。氧化還原中心則是一個會接受電子，然後再把它傳給下一個中心的化合物，因此，氧化還原中心既是電子供應者，也是接受者。

還原（reduction）：在某個物質身上加上一個或多個電子，這樣我們稱這個物質被還原了。

複製（replication）：指一顆細胞或是一個分子（通常是指DNA分子）一分為二的過程。

呼吸（respiration）：將食物「燃燒」（氧化），然後將釋放出來的能量用來生產ATP分子的過程。在這個過程中，電子會透過一系列我們稱為呼吸鏈的反應步驟，被從食物或是其他供應者（比如說氫氣）中拔出來，然後傳給氧氣或是其他接受者（比如說硝酸鹽）。這過程釋放出來的能量，被用來把質子泵過一層膜，結果產生質子驅動力，這股力量可以推動ATP合成酶。請參考無氧呼吸與有氧呼吸條目。

核糖體（ribosome）：這是製造蛋白質的「工廠」。所有細胞都有這種小工廠，它們可以根據RNA的編碼（從DNA複製而來），把一個一個的胺基酸，用正確的順序連接起來，轉換成蛋白質。

RNA：核糖核酸（ribonucleic acid）的簡寫。它跟近親DNA的分子長得非常像，但是因為有兩處小小的不同，讓兩者結構跟性質都不一樣。RNA最主要有三種不同型，分別是訊息RNA（根據DNA而來的工序指令編碼）、轉送RNA（會根據遺傳密碼運送需要的胺基酸），以及核糖體RNA（在核糖體裡面，也是核糖體的零件）。

RNA世界（RNA world）：是一個假設的早期演化狀態，科學家認為在那個時候，RNA既扮演自我複製的模板角色（如同現在的DNA），同時也扮演催化劑的角色（如同現在的蛋白質），讓複製速度加快。

選擇性剔除（selective sweep）：環境中對於某一種特定的遺傳型（由某個特定的等位基因負責）有特別強烈的天擇喜好，結果讓這一型基因最後取代族群中所有其他的等位基因。

自私衝突（selfish conflict）：兩個個體之間，因互爭利益而出現的隱性衝突，這可能發生在像是內共生者與宿主，或是侵入的質體與宿主細胞之間。

蛇紋岩化作用（serpentinisation）：在某些岩石（特別是富含鎂、鐵的岩石，像是橄欖石）與水之間出現的化學作用，結果產生富含氫氣的極鹼溶液。

性生活，有性生殖（sex）：生物的繁殖循環。這個循環包括細胞先經過減數分裂形成配子，這每個配子都只有正常細胞一半的染色體。接著這些配子會再重新結合，形成一顆完整的受精卵。

性別決定（sex determination）：控制生物發育成雄性或是雌性的過程。

雪球地球事件（snowball earth）：在地球史上，曾經偶爾出現的幾次全球冷化事件，那時氣溫低到冰河都延伸至赤道處的海岸邊。

受質（substrate）：是一些細胞生長所需的分子，藉酵素的作用被轉換成生物可利用的分子。

熱力學（thermodynamics）：物理學的一支，專門處理熱、能量與功的問題。熱力學規範了在特定的條件之下，分子之間發生反應的可能性。而動力學（kinetics）則規範了這些反應若實際發生時的反應速率。

熱泳（thermophoresis）：液體因為產生熱梯度或是對流現象，造成有機分子濃縮的現象。

轉錄（transcription）：根據DNA模板，去製造一小段帶著工序指令編碼的RNA（也就是訊息RNA）。這是製作新蛋白質的第一步。

轉譯（translation）：根據RNA（訊息RNA）所帶來的工序指令編碼，準確地把胺基酸依順序連接起來，形成新的蛋白質。

單親遺傳（uniparental inheritance）：系統性地讓線粒體只能透過雙親其中之一遺傳下去的現象，通常都是卵子而非精子，可以把線粒體傳下去。而雙親遺傳則是指雙親都可以把線粒體遺傳下去的現象。

變異數（variance）：統計學上描述一組數字分散的程度。如果變異數等於零，代表這組數字全部都一樣；如果變異數很小，表示所有數字都很接近平均值；如果變異數很大，代表這組數字彼此差異很大。

致謝

這本書代表了我個人生命中一段漫長旅程的終點，同時也是另一段旅程的起點。第一段旅程，開始於我早先寫作另一本書《能量、性、死亡：線粒體與我們的生命》之時，那本書在二○○五年，由牛津大學出版社出版。那時候，我剛才開始苦思本書中所討論的問題：複雜生命的起源究竟為何？關於這個問題，我深受馬丁的影響，因為他在真核生物的起源上，做了許多傑出的研究；同時他也跟另外一位傑出的地質化學家羅素，在生命的起源、以及細菌與古菌一開始如何分家的問題上，做了許多關鍵研究。那本書（以及這本書）裡所有的內容，都源於、同時也圍繞著這兩個演化生物學中的大哉問。不過本書中有一些想法，則是新發展出來的。寫書讓人有機會去思考，而對我而言，能夠為一般讀者寫書，則有著莫大的樂趣：我必須思慮清晰，用適切的方式表達我的想法，至少，要用自己能理解的方式來表達。這樣做，讓我必須誠實面對許多自己也不知道的問題。有些問題是如此令人興奮，而後來才發現，原來大家都不知道這些問題的答案。因此，《能量、性、死亡》或多或少，讓我不得不提出一些從那時候開始，就一直在思考的想法。

我在許多研討會，以及大學課程裡面提出這些想法，同時也漸漸習慣去面對聽眾所提出的艱澀批評。這過程不斷琢磨我的想法，也讓我對能量在生物演化中的重要性，思考得愈來愈透徹。在思考的過程中，也有一些本來很喜歡的想法，不得不承認它們的錯誤，而必須放棄。不過科學就是如此，理論不只要漂亮，一如所有嚴謹的假設，也要在禁得起檢驗之後，才可能成為真正的科學。本來一切都如遙不可及的夢想，直到二○○八年，倫敦大學學院為了鼓勵有野心的科學家，提出「足以造成典範轉移的新思想」，成立了一個新的獎項：「開創冒險主題校長獎」（Provost’s venture prize）。這個獎項的設立，要歸功於布拉本（Donald W. Braben）教授，他是一位活力十足的學者，且長期以來，一直致力推動科學研究的自由風氣。布拉本認為，科學發展的方向，基本上既難以預料，也無法用規範去限制；然而，大部分的社會，卻都會試著去決定「納稅人的錢」，應該優先花在哪些題目上。但是聰明而可促成典範轉移的科學思想，往往來自出人意料之處，也因此才會獨一無二。而這些想法所促成的思想轉變，不只在科學上，同時在更廣泛的程度上，也會影響經濟，因為經濟同時受惠於科學的進步。因此，整個社會，最好能夠依照科學家思想力道強弱本身（誠然，這難以度量），來決定贊助與否，而不是看這項研究對人類社會有無明顯的利益，來決定經費的給予。後者的策略常常失敗，因為關鍵的新洞見常常來自跟該領域毫無關聯之處：要知道，大自然可是完全無視於人類對學門之間設下的界線1。

我的理論，有幸符合申請倫敦大學學院獎勵的資格。在我的書裡面，充滿了嶄新而亟待證明的想法。更幸運的是，我能夠說服布拉本教授。有他熱情的推動，才有這個獎，對此我銘感五內。此外，於公於私，我也都非常感激倫敦大學學院的研究副校長普萊斯教授（G. David Price），以及校長葛蘭特教授（Malcom J. Grant），他們的慷慨與科學眼光，不但給予本獎，也給我本人眾多支持。我也極為感謝瓊斯教授（J. Stephen Jones）的全力支持，以及讓我在他的系上做研究。他那時候是遺傳、演化與環境系的系主任，對於我那時候想做的研究而言，理所當然是最理想的環境。

自六年前獲獎之後，我就竭盡所能的從各種角度，去研究我所提出的問題。「冒險主題獎」提供三年的研究經費，足以讓我打好基礎，去爭取其他的經費，繼續工作。在經費結束之後，我很幸運地，又獲得利華霍姆信託基金，贊助了另外三年關於生命起源的研究。事實上，很少有機構願意支持科學家，用全新的策略做研究；因為這種策略也意味著將要面臨各種草創時期的難題。幸好，我們設計的小型桌上生命起源反應器，已經開始慢慢生產出許多令人興奮的結果。如果沒有這些研究經費支持的話，夢想將永遠只是夢想。本書就是這些初步結果的精華總結，同時也是一段新旅程的起點。

當然，這些研究成果，都不可能由一人獨立完成。我跟杜塞爾多夫大學的分子演化學教授馬丁，一起激發出許多新點子。他總是不吝於花時間與精力，與我討論、研究；但是如果遇到邏輯不通的推論，他也會毫不猶豫地摒棄或忽視它們。我有幸能跟馬丁共同發表了多篇論文，我認為它們對這個領域，有很重要的貢獻。在生活裡面實在很少有其他經驗，可以帶來與馬丁一起寫論文相匹敵的樂趣。我也從馬丁身上，學到了寶貴的一課：有些議題就只是問題，有些則有可能解答。後者雖在現實世界中尚未知，卻可以靠想像去推測，不要把它們搞混了。他教我要永遠專注於「我們所知的生命」真實的樣貌，以及去問「為什麼」？

我也要感謝波明安可夫斯基，他是倫敦大學學院的遺傳學教授，我們都叫他的小名「波姆」。波姆是個遺傳演化學家，他曾跟這個領域裡面許多重要學者共事過，像是梅納德史密斯，或是漢米爾頓，因此長期浸淫在演化遺傳學界的思辨傳統中。他既有這些學者嚴格治學的傳統，又關注著生物學裡未解的謎題。我成功地說服他，複雜細胞的起源正是這樣一個問題，而他則帶我進入族群遺傳學這個既抽象又威力十足的領域。從這些看法差異甚大的領域，用不同角度去探討複雜生命起源的問題，對我來說既是一個激烈的學習過程，也是極度的樂趣。

我在倫敦大學學院還有另一個好朋友，威爾納教授（Finn Werner），他有著無限的點子，有熱情，同時也有專業能力，可以持續把我們的計畫往前推進。他又從另外一個更不一樣的觀點切入，來探討一樣的問題。威爾納是從結構生物學的角度，特別是RNA聚合酶的分子結構來研究。這種酵素是最古老，也是最壯觀的分子機器，從它身上可以透視到生命演化最初的時光。每一次跟威爾納在午餐時交談，總讓人感到振奮，讓我又可以重新面對各種挑戰。

我也很有幸可以跟許多天資聰穎的博士班學生，以及博士後研究員共事，由於他們的努力，這個工作才能夠持續推進。他們可以大致分成兩群，其中一群親自操作反應器，與化學理論搏鬥；另一群呢，則利用他們的數學天分，來對付各種真核生物特徵的演化問題。在此，我特別要感謝賀許、威徹爾跟坎普比幾位博士，由於他們無私共享的精神，還有高超的實驗技巧，那些艱難的化學反應，才有可能在實驗室裡面重現。我特別還要感謝達特尼爾博士（Lewis R. Dartnell），他在一開始就幫我們設計原型反應器的設計，同時推動這些實驗。說到這裡，我也要感謝倫敦大學學院的材料化學教授艾文斯（Julian R. G. Evans），以及微生物教授瓦德（John M. Ward），他們無償地投入自己的時間、知識、實驗室資源到反應器計畫裡面，同時也共同指導學生。在這段求知的旅程中，他們是與我同舟共濟的好夥伴。

另外一群參與數學模型建構的學生跟博士後研究員，則是自願參與倫敦大學學院裡面一個非常獨特的博士學程。這個學程直到最近，都由英國政府的「工程與物理科學研究委員會」所贊助。這學程有一個很聰明的縮寫，叫做 CoMPLEX，代表的意思是「數學與物理於生命科學暨實驗生物學應用研究中心」（Centre for Mathematics and Physics in the Life Science and Experimental Biology）。CoMPLEX 計畫中的學生，都是跟波姆、我、哈吉瓦西露、蘇活、拉德齊維拉維修、歐文幾位博士一起工作，最近又新加入了凱珀（Bram Kuijper）跟福格蒂（Laurel Fogarty）兩位博士。我們所有的想法，一開始都只是個模糊的概念，但是後來卻都發展成縝密的數學模型，讓我們對於生物世界如何運作，可以有更透徹的理解。這段經驗對我來說，宛如一段令人興奮的旅行，而在過程中，我也漸漸學會不再去預測成果。這些工作，一開始都歸功於西摩爾（Rob Seymour）這位充滿啟發性的教授。他比任何生物學家都要了解生物，同時也是一位優秀的數學家。不幸的是，Seymour 教授在二○一二年死於癌症，享年六十七歲。所有的學生都敬愛懷念他。

本書可以算是我過去六年以來，跟上述各領域學者的研究成果總結，它包含了總共約二十五篇學術論文（詳情請見延伸閱讀）。不過它背後所代表的，卻是從更早以前就在各種學術研討會及專題討論中，透過電子郵件或是在酒吧裡面，所產生的討論與點子。這些討論與想法，都一點一滴塑造了我的想法。我要特別感謝羅素教授，他對於生命起源的革命性看法，啟發了新世代的研究；而他面對逆境不屈不撓的精神，更是我輩的榜樣。同樣的，我也要感謝艾倫教授，他在演化生化學上的各種假設，確實是我們在研究之路上的明燈。艾倫也以捍衛學術自由敢言而著稱，但是這樣的堅持，最近也讓他付出許多代價。我要感謝哈洛德教授，他融合了生物能量學、細胞構造以及演化上面的見解，已經被闡述在許多優秀的著作裡面；而他開明理性的懷疑態度，經常考驗著我，促使我發掘地更深入。華萊士博士所提出「來自線粒體的能量，是驅動老化與疾病的關鍵」這樣的觀念，極有遠見又充滿啟發性。在當前眾人對自由基與老化的關係誤解之深，宛如置身迷霧森林般暈頭轉向，巴哈博士卻能清晰地看穿自由基的本質，這讓我總是毫不猶豫直接採用他的見解。最後，我也同樣要感謝哥達德博士，他在許多年前給我的鼓勵跟直白的建言，徹底改變了我的生活。

上面提到的這些朋友與同事，當然只是冰山一角而已。我無法詳細描述所有給我建議的人，如何改變我的理論，但是我絕對是誠摯地感謝他們每個人。下面我隨機排序列出參與者：德西摩斯（Christophe Dessimoz）、瑞奇（Peter R. Rich）、瑪黑夏爾（Almandine Maréchal）、孟卡達爵士（Sir Salvador Moncada）、柯林斯（Mary K.L. Collins）、鮑姆（Buzz Baum）、密特沃克（Ursula Mittwoch）、杜貞（Michael R. Duchen）、薩巴凱（Gyorgy Szabadkai）、希爾德斯（Graham A. Shields）、巴皮諾（Dominic Papineau）、桑提妮（Joanne M. Santini）、貝勒（Jürg Bähler）、傑費爾斯（Daniel C. Jaffares）、柯文尼（Peter V. Coveney）、彭納（Matthew W. Powner）、史考特（Ian Scott）、高絲娃米（Anjali Goswami）、溫格勒（Astrid Wingler）、湯瑪斯（Mark G. Thomas）、喬達特（Razan Jawdat）以及森古普塔（Sioban SenGupta），他們全都是倫敦大學學院的朋友。還有英國劍橋的沃克爵士（Sir John E. Walker）、墨菲（Michael P. Murphy）跟布朗（Guy C. Brown）；奧地利因斯布魯克的葛奈格（Erich Gnaiger）；德國杜塞爾多夫的蘇莎（Filipa L. Sousa）、妲根（Tal Dagan）與伯格（Fritz Boege）；美國羅格斯大學的佛高斯基（Paul G. Falkowski）；美國國家衛生研究院的庫寧（Eugene V. Koonin）；美國加州理工學院的紐曼（Dianne K. Newman）跟多伊爾（John C. Doyle）；愛爾蘭梅努斯的麥金納尼（James O. McInerney）；加拿大戴爾豪西的杜立德（W. Ford Doolittle）與阿奇博爾德（John M. Archibald）；法國馬賽的尼奇科（Wolfgang Nitschke）；英國新堡的恩布利（T. Martin Embley）；英國艾克斯特的凡得紀森（Mark van der Giezen）跟理查斯（Thomas A. Richards）；美國北伊利諾大學的布萊克史東（Neil B. Blackstone）；美國斯克里普斯海洋學研究所的波頓（Ronald S. Burton）；德國馬堡的陶爾（Rudolf K. Thauer）；德國慕尼黑的布勞恩（Dieter Braun）；西班牙馬德里的安立奎斯（José Antonio Enríquez）；英國里茲的齊（Terry P. Kee）；日本東京的田中雅嗣（Masashi Tanaka）；日本千葉的山口正視（Masashi Yamaguchi）；美國奧本的希爾（Geoffrey E. Hill）；美國南加州大學的尼爾森（Kenneth H. Nealson）跟阿門德（Jan P. Amend）；美國科羅拉多大學的麥考倫（Thomas McCollom）；英國牛津的利佛（Chris J. Leaver）跟施維特勒夫（Lee J. Sweetlove）；德國波昂的史瓦茲蘭德（Markus Schwarzländer）；英國渥維克的艾利斯（R. John Ellis）；以色列本古里安大學的密許馬爾（Dan Mishmar）；英國曼徹斯特的科布（Matthew Cobb）跟考克斯（Brian E. Cox）；法國巴黎的墨特里尼們（Roberto and Roberta Motterlini）；加拿大皇后大學的伊斯科（Steve Iscoe）；我感謝你們全體。

同時，我也要謝謝幫我試讀部分（或全部），並給予意見的朋友與家人。特別要感謝我父親，湯瑪士．連恩，他在忙於撰寫自己的歷史著作同時，還要撥冗閱讀本書，同時幫我從頭到尾美化文字。科學作家特尼（Jon Turney）也是一樣，在忙著應付自己的寫作計畫時，仍慷慨地花時間給我許多建議。我要感謝史瓦茲蘭德，在寫作最艱困的時期，是他的熱情救了我。還有卡特（Mike Carter），在眾多朋友中，他是唯一閱讀過我所寫的每一本書的每一章，並且總是給我最犀利的評論，有時甚至說服我改變寫作策略。而其他有些朋友雖（尚）未閱讀過本書，我仍要感謝他們：阿克蘭德史諾（Ian Ackland-Snow）、拉塞福（Adam Rutherford）以及馮（Kevin Fong），謝謝你們跟我在酒吧一起用餐，同時相談甚歡，對於維持心理健康而言，這太重要了。

至於我的出版社，多虧了他們的專業，讓本書能順利出版，這點自是無須贅言。我非常感謝聯合經紀公司的經紀人道尼（Caroline Dawnay），謝謝她從一開始就給予我信任；感謝 profile books 出版社的編輯富蘭克林（Andrew Franklin），他的評論總能切中要點，讓本書更加無懈可擊。感謝 W. W. Norton 出版社的克里（Brendan Curry），靠他的精明，幫助我釐清許多模糊的段落；還有米契，他敏銳的編輯能力，反映在他優秀的判斷力跟廣泛的學習力上。我不得不承認，他適時地介入，真的讓我免於許多犯錯的機會。此外還要感謝 profile books 出版社的編輯群：丹尼爾（Penny Daniel）、赫爾（Sarah Hull）、蔵卡（Valentina Zanca）等人，從安排本書出版到完成以及之後所有工作。

最後，我要謝謝我的家人。我的妻子，阿娜．海妲格博士，跟我一起賦予這本書生命。她每一章至少都讀過兩次以上，而且總能在前面帶領著我。我相信她的判斷與知識，更甚於自己的。最好的是，我的寫作技巧在她的「天擇作用」下，演化的更好了。我覺得，去了解生命，不如去活出生命；而我從阿娜，以及我們的兩個小孩，愛奈克跟雨果身上，還有在西班牙、英國以及義大利的家族中，了解這就是我生命的意義以及樂趣的來源。本書，寫於我最快樂的時光中。

延伸閱讀

延伸閱讀這一部分僅僅只包含所有參考資料的一小部分，只能算得上是文獻的入門版。這裡所列出的書本跟論文，都是過去十年中對我的思想影響最大的幾份。雖然我未必完全同意裡面所有的論點，但是它們都深具啟發性，所以值得一讀。在每一章中，我也放入許多自己的論文，這些都是經過嚴格同儕審查的科學文獻，它們能夠更詳細廣泛地解釋我在本書中的論點。這些科學論文裡面，也都列出許多參考資料，如果你想確認我的論據從何而來，可以參考它們。對其他比較一般的讀者來說，這裡所列出來的書籍跟論文應該夠消磨了。我將每一章的參考資料，依照主題分門別類，而在每個主題下，則依照作者姓氏的字母順序排列。有幾篇特別重要的論文，則因為跟許多主題都相關，因此會出現數次。

序論

雷文霍克及早期微生物學的發展

Dobell C. Antony van Leeuwenhoek and his Little Animals. Russell and Russell, New York (1958).

Kluyver AJ. Three decades of progress in microbiology. Antonie van Leeuwenhoek 13: 1-20 (1947).

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Leewenhoeck A. Observation, communicated to the publisher by Mr. Antony van Leewenhoeck, in a Dutch letter of the 9 Octob. 1676 here English’d: concerning little animals by him observed in rain-well-sea and snow water; as also in water wherein pepper had lain infused. Philosophical Transactions Royal Society B 12: 821-31 (1677).

Stanier RY, van Niel CB. The concept of a bacterium. Archiv fur Microbiologie 42: 17-35 (1961).

馬古利斯與連續內共生學說

Archibald J. One Plus One Equals One. Oxford University Press, Oxford (2014).

Margulis, Chapman M, Guerrero R, Hall J. The last eukaryotic common ancestor (LECA): Acquisition of cytoskeletal motility from aerotolerant spirochetes in the Proterozoic Eon. Proceedings National Academy Science USA 103, 13080-85 (2006).

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渥易斯跟生物分類三大域

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米契爾與化學滲透耦合作用

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第一章　什麼是生命？

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基因體的大小跟結構

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氧氣出現

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連續內共生學說的預測

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古菌興衰錄

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真核生物的超群

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最後真核生物共同祖先

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與「細微改變累積成複雜」不合的矛盾

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第二章　什麼是活著？

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呼吸作用的機制與ATP的合成

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米契爾與化學滲透耦合作用

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碳元素以及對氧化還原化學反應的需求

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古菌跟細菌最根本上的不同

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第三章　生命最初的能源

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催化劑的誕生

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作用於水中的脫水反應

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發現深海熱液噴發孔

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熱泳作用

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發生在海底鹼性熱液噴發孔的有機物合成與其熱力學

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還原 CO2 的能量障壁以及還原潛能

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天然質子濃度梯度，可能驅動 CO2 還原反應嗎？

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在銀河系裡面，出現蛇紋岩化作用的機率
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第四章　細胞的崛起

水平基因轉移的問題跟種化

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「通用的」生命樹，卻只根據僅僅少於百分之一的基因繪製

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保存在古菌跟細菌體內的基因

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露卡自相矛盾的特質

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脂質膜的問題

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用來泵出 Na+ 與 H+ 的膜蛋白具有混雜性

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電子分歧

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第五章　複雜細胞的誕生

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真核生物透過嵌合而形成

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後期才出現的發酵作用

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用亞化學劑量法來儲存能量

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病毒感染與細胞死亡

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度量細菌的表面積與體積

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巨大細菌

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內共生者的小基因體對能量的影響

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細菌的內共生者

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為何線粒體要保存一部分基因

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多倍體的藍綠菌

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為何質體無法克服細菌的能量限制問題

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天擇上出現的衝突，靠內共生作用來解決

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細菌的能量外溢現象

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第六章　性，與死亡的起源

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有性生殖跟種群結構

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內含子的起源

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內含子與細胞核的起源

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核內線粒體序列

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反內含子的天擇強度

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剪接跟轉錄的速度

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核膜、核孔複合體跟核仁的起源

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有性生殖的演化

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細胞融合跟染色體分離的可能起源

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第七章　力量與榮耀

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線粒體控制細胞凋亡

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演化快速的動物線粒體基因，以及對環境的適應

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霍爾登法則

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線粒體以及代謝速率對性別決定的影響

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體溫與代謝速率

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在鳥類族群中的霍爾登法則

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飛行的條件

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引發細胞凋亡的門檻

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人類的早期潛藏性流產
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Zinaman MJ, O’Connor J, Clegg ED, Selevan SG, Brown CC. Estimates of human fertility and pregnancy loss. Fertility and Sterility 65: 503–509 (1996).

自由基老化假說

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自由基老化理論的問題

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自由基訊號在老化裡面的角色

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自由基跟生命率學說的關係

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有氧能力與壽命長短

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跋文：來自深海

真核生物還是原核生物？

Wujek DE. Intracellular bacteria in the blue-green-alga Pleurocapsa minor. Transactions American Microscopical Society 98: 143–45 (1979).

Yamaguchi M, Mori Y, Kozuka Y, et al. Prokaryote or eukaryote? A unique organism from the deep sea. Journal of Electron Microscopy 61: 423–31 (2012).

圖說列表

圖1： 一棵生命樹，顯示出複雜的生命起源於嵌合。經允許由Martin W. Mosaic bacterial chromosomes: a challenge en route to a tree of genomes. BioEssays 21: 99–104（1999）重製。

圖2： 生命的地質時間表。

圖3： 真核細胞的複雜度。小圖A經允許，由Fawcett D. The Cell. WB Saunders, Philadelphia（1981）重製。小圖B由美國喬治亞大學的Mark Farmer提供。小圖C由英國新堡大學Biomedicine Scientific Facilities提供。小圖D由美國阿拉巴馬大學的Peter Letcher提供。

圖4： 古原蟲界（Archezoa），一個假想的（卻是錯的）「失落的環節」。小圖A經允許由Katz LA. Changing perspectives on the origin of eukaryotes. Trends in Ecology and Evolution 13: 493–497（1998）重製。小圖B由Adam RD, Biology of Giardia lamblia. Clinical Reviews in Microbiology 14: 447–75（2001）重製。

圖5： 真核細胞的五個「超群」。來源：The incredible expanding ancestor of eukaryotes. Cell 140: 606-608（2010）.

圖6： 生物學核心的未知黑洞。顯微鏡照片經允許由Soh EY, Shin HJ, Im K. The protective effects of monoclonal antibodies in mice from Naegleria fowleri infection. Korean Journal of Parasitology. 30: 113–123（1992）重製。

圖7： 脂質膜的構造。經允許由Singer SJ, Nicolson GL. The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science 175: 720–31（1972）重製。

圖8： 呼吸鏈中的複合物I。小圖A經允許由Sazanov LA, Hinchliffe P. Structure of the hydrophilic domain of respiratory complex I from Thermus thermophiles. Science 311: 1430–1436（2006）重製。小圖B由Baradaran R, Berrisford JM, Minhas GS, Sazanov LA. Crystal structure of the entire respiratory complex I. Nature 494: 443–48（2013）重製。小圖C由Vinothkumar KR, Zhu J, Hirst J. Architecture of mammalian respiratory complex I. Nature 515: 80–84（2014）重製。

圖9： 線粒體如何運作？顯微鏡照片經允許由Fawcett D. The Cell. WB Saunders, Philadelphia（1981）重製。

圖10： ATP合成酶的構造。經允許由David S Goodsell. The Machinery of Life. Springer, New York（2009）重製。

圖11： 硫化鐵礦物跟鐵硫簇。經允許由Russell MJ, Martin W. The rocky roots of the acetyl CoA pathway. Trends in Biochemical Sciences 29: 358063（2004）改製。

圖12： 深海熱液噴發孔。經允許由Deborah S Kelley and the Oceanography Society; from Oceanography 18 September 2005重製。

圖13： 有機分子透過熱泳效應濃縮。小圖A～C經允許由Baaske P, Weinert FM, Duhr S, et al. Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems. Proceedings National Academy Sciences USA 104: 9346–9351（2007）重製。小圖D由Herschy B, Whicher A, Camprubi E, Watson C, Dartnell L, Ward J, Evans JRG, Lane N. An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents. Journal of Molecular Evolution 79: 213–27（2014）重製。

圖14： 怎樣從H2跟CO2去合成有機分子？經同意由Herschy B, Whicher A, Camprubi E, Watson C, Dartnell L, Ward J, Evans JRG, Lane N. An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents. Journal of Molecular Evolution 79: 213–27（2014）重製。

圖15： 著名，卻誤導人的「三域」似生命樹。經同意由Woese CR, Kandler O, Wheelis ML. Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya. Proceedings National Academy Sciences USA 87: 4576–4579（1990）重製。

圖16： 神奇的消失生命樹。經同意由Sousa FL, Thiergart T, Landan G, Nelson-Sathi S, Pereira IAC, Allen JF, Lane N, Martin WF. Early bioenergetic evolution. Philosophical Transactions Royal Society B 368: 20130088（2013）重製。

圖17： 被天然質子梯度加持的細胞。經同意由Sojo V, Pomiankowski A, Lane N. A bioenergetic basis for membrane divergence in archaea and bacteria. PLOS Biology 12（8）: e1001926（2014）重製。

圖18： 藉著製造甲烷獲得能量。

圖19： 細菌與古菌的起源。經同意由Sojo V, Pomiankowski A, Lane N. A bioenergetic basis for membrane divergence in archaea and bacteria. PLOS Biology 12（8）: e1001926（2014）重製。

圖20： 主動泵浦可能的演化方式。

圖21： 驚人的真核生物嵌合體。經同意由Thiergart T, Landan G, Schrenk M, Dagan T, Martin WF. An evolutionary network of genes present in the eukaryote common ancestor polls genomes on eukaryotic and mitochondrial origin. Genome Biology and Evolution 4: 466–485（2012）重製。

圖22： 生物只有兩域，而非三域。經同意由Williams TA, Foster PG, Cox CJ, Embley TM. An archaeal origin of eukaryotes supports only two primary domains of life. Nature 504: 231–236（2013）重製。

圖23： 帶有「極度多倍體」的巨大細菌。小圖A和B由美國康乃爾大學的Esther Angert同意後重製。小圖C和D由萊布尼茲波羅的海研究所的Heide Schulz-Vogt提供。這些圖都發表在Lane N, Martin W. The energetics of genome complexity. Nature 467: 929–934（2010）; and Schulz HN. The genus Thiomargarita. Prokaryotes 6: 1156–1163（2006）

圖24： 細菌跟真核生物，對每個基因的能量分配圖。原始資料來自Lane N, Martin W. The energetics of genome complexity. Nature 467: 929–934（2010）。經改變後用於Lane N. Bioenergetic constraints on the evolution of complex life. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology doi: 10.1101/cshperspect.a015982 CSHP（2014）

圖25： 住在其他細菌身體裡的細菌。經同意後由下列論文重製：（上圖）Wujek DE. Intracellular bacteria in the blue-green-alga Pleurocapsa minor. Transactions of the American Microscopical Society 98: 143–145（1979）.（下圖）Gatehouse LN, Sutherland P, Forgie SA, Kaji R, Christellera JT. Molecular and histological characterization of primary（beta-proteobacteria）and secondary（gamma- proteobacteria）endosymbionts of three mealybug species. Applied Environmental Microbiology 78: 1187（2012）.

圖26： 核孔。顯微鏡照片經允許由Fawcett D. The Cell. WB Saunders, Philadelphia（1981）重製。

圖27： 移動式自我剪接內含子（第二型內含子）與剪接體。經同意由Alberts B, Bray D, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Garland Science, New York（2002）重製。

圖28： 真核生物的有性生殖及基因重組。

圖29： 線粒體遺傳時，有利的適應性會漸漸「外漏」。經同意由Hadjivasiliou Z, Lane N, Seymour R, Pomiankowski A. Dynamics of mitochondrial inheritance in the evolution of binary mating types and two sexes. Proceedings Royal Society B 280: 20131920（2013）重製。

圖30： 隨機分裂會增加細胞間的歧異度。

圖31： 拼貼式的呼吸鏈。經同意後由Schindeldecker M, Stark M, Behl C, Moosmann B. Differential cysteine depletion in respiratory chain complexes enables the distinction of longevity from aerobicity. Mechanisms of Ageing and Development 132: 171–197（2011）重製。

圖32： 線粒體在細胞死亡中的角色。

圖33： 細胞的命運，端視需求能否被滿足。

圖34： 死亡的門檻。圖片來源：Lane N. Bioenergetic constraints on the evolution of complex life. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology doi: 10.1101/ cshperspect.a015982 CSHP（2014）.

圖35： 抗氧化劑可能有害。資料來源：Moreno-Loshuertos R, Acin-Perez R, Fernandez-Silva P, Movilla N, Perez-Martos A, Rodriguez de Cordoba S, Gallardo ME, Enriquez JA. Differences in reactive oxygen species production explain the phenotypes associated with common mouse mitochondrial DNA variants. Nature Genetics 38: 1261–1268（2006）.

圖36： 為什麼休息對你有害？

圖37： 在深海現身的特殊微生物體。經同意後由Yamaguchi M, Mori Y, Kozuka Y, et al. Prokaryote or eukaryote? A unique organism from the deep sea. Journal of Electron Microscopy 61: 423–31（2012）重製。

中英對照表

人名

三畫

凡尼爾　Cornelis van Niel　33

凡得紀森　Mark van der Giezen　436

四畫

丹尼爾　Penny Daniel　437

孔恩　Thomas S. Kuhn　127

尤瑞，美國化學家，一九三四年諾貝爾化學獎得主　Harold C. Urey　147, 455

巴皮諾　Dominic Papineau　435

巴哈，西班牙生理學家　Gustavo Barja　383, 385, 435

巴特利　Edwin H. Battley　102

巴頓，英國遺傳生物學家　Nicholas H. Barton　316

巴羅希，美國海洋學家　John A. Baross　165

五畫

加州理工學院　California Institute of Technology, Caltech　436

加納　C. David Garner　204

卡瓦里爾史密斯，牛津大學生物學家　Thomas Cavalier-Smith　76, 78, 237

古特雷基　John M. C. Gutteridge　386

史瓦茲蘭德　Markus Schwarzländer　436, 437

史考特　Ian Scott　435

史坦尼爾　Roger Stanier　33

史密斯　D. Eric Smith　208

尼克森　Garth L. Nicolson　103, 499

尼奇科　Wolfgang Nitschke　135, 181, 436

尼爾森　Kenneth H. Nealson　436

布拉本　Donald W. Braben　430, 431

布朗　Guy C. Brown　435

布勞恩　Dieter Braun　436

布斯　Leo W. Buss　333

布萊克史東　Neil B. Blackstone　436

瓦赫特紹澤，德國化學家兼專利律師　Günter Wächtershäuser　171, 180, 182, 206

瓦德　John M. Ward　433

六畫

伊斯科　Steve Iscoe　436

吉布斯　J. Willard Gibbs　108

多伊爾　John C. Doyle　436

安立奎斯　José Antonio Enríquez　436

米列史科夫斯基　Konstantin Mereschkowski　73

米契　Eddie Mizzi　437

米契爾，英國生化學家，一九七八年諾貝爾化學獎得主　Peter D. Mitchell　44, 125-128, 136, 442, 451

米勒，美國化學家　Stanley L. Miller　147, 148, 167, 455

考克斯　Brian E. Cox　436

艾文斯　Julian R. G. Evans　433

艾利斯　R. John Ellis　436

艾倫　John F. Allen　275, 337, 434

西摩爾　Robert M. Seymour　434

七畫

伯格　Fritz Boege　435

佛高斯基　Paul G. Falkowski　435

佛瑟特　Don W. Fawcett　287

克里　Brendan Curry　437

克里克　Francis H. C. Crick　35, 36, 55, 125, 147-148, 153

克萊佛　Albert Jan Kluyver　32, 33

克勞James F. Crow　336

利佛　Chris J. Leaver　371, 436

吳耶克　Daniel E. Wujek　407

坎普比　Eloi Camprubi　184, 433

希爾　Geoffrey E. Hill　374, 375, 436

希爾德斯　Graham A. Shields　435

杜布贊斯基，俄國演化學家　Theodosius G. Dobzhansky　357

杜立德，加拿大分子生物學家　W. Ford Doolittle　294, 295, 436

杜貞　Michael R. Duchen　435

沃克　John E. Walker　127, 435

哈烈煒　Barry Halliwell　386

貝勒　Jürg Bähler　435

辛格　Seymour J. Singer　103, 499

里德　John Reid　277

八畫

妲根　Tal Dagan　435

孟卡達爵士　Sir Salvador Moncada　435

拉德齊維拉維修　Arunas Radzvilavicius　331, 332

林奈　Carl Linnaeus　32

波明安可夫斯基　Andrew Pomiankowski　46, 213, 317, 325, 432

波提耶　Paul Portier　73-75

波頓　Ronald S. Burton　358, 359, 361

波爾　Raymond Pearl　391, 396

虎克　Robert Hooke　31

阿門德　Jan P. Amend　178, 436

九畫

勇愛德　Ed Yong　76

哈吉瓦西露　Zena Hadjivasiliou　325, 433

哈洛德　Franklin M. Harold　256, 434

哈曼，美國的老化生物學家　Danham Harman　384

威徹爾　Alexandra Whicher　184, 433

威爾納　Finn Werner　432, 433

威爾斯　G. Orson Welles　235

施維特勒夫　Lee J. Sweetlove　436

柯文尼　Peter V. Coveney　435

柯林斯　Mary K.L. Collins　435

柯普莉，美國分子生物學家　Shelley D. Copley　208

洛夫洛克　James E. Lovelock　9, 35

科布　Matthew Cobb　436

美國國家衛生研究院　National Institute of Health, NIH　435

胡伯　Claudia Huber　206

哥達德　Graham Goddard　435

埃靈頓　Jeffery Errington　307

夏柯　Everett Shock　202

庫寧　Eugene V. Koonin　81, 300, 302, 303, 306, 435

恩布利　T. Martin Embley　248, 249, 436

桑提妮　Joanne M. Santini　435

海森堡　Werner K. Heisenberg　44

特尼，著有《誰怕科學怪人》，新新聞出版　Jon Turney　437

紐曼　Dianne K. Newman　436

十畫

馬丁　William F. Martin　41, 442

馬古利斯　Lynn Margulis　34, 35, 39, 66, 72, 73, 75, 76, 78, 79, 440

高絲娃米　Anjali Goswami　435

十一畫

密特沃克　Ursula Mittwoch　365-367, 374, 393

密許馬爾　Dan Mishmar　436

梅納德史密斯，英國演化學家　John Maynard Smith|239, 432

梅達瓦爵士，英國免疫學家，一九六○年諾貝爾生理醫學獎得主　Peter B. Medawar, Sir　46, 98

理查斯　Thomas A. Richards　436

莫洛維茲，美國生化學家　Harold Morowitz　208

莫諾　Jacques Monod　52

陶爾　Rudolf K. Thauer　226, 227, 436

麥考倫　Thomas McCollom　436

麥金納尼　James O. McInerney　244

麥柯倫　Thomas T. McCollom　178

傑費爾斯　Daniel C. Jeffares　435

十二畫

凱珀　Bram Kuijper　433

凱恩斯史密斯，英國物理化學家　A. Graham Cairns-Smith　156

喬達特　Razan Jawdat　435

富蘭克林　Andrew Franklin　437

彭納　Matthew W. Powner　435

惠勒　John A. Wheeler　187

普立高金　Ilya Prigogine　152

普萊斯　G. David Price　431

森古普塔　Sioban SenGupta　435

渥易斯　Carl R. Woese　36-39, 190-192, 441

湯瑪士．連恩　Thomas Lane　436

湯瑪斯　Mark G. Thomas　435

華林　Ivan Wallin　75

道格拉斯‧華萊士　Douglas C. Wallace　361, 362, 379, 434

費雪爵士，英國統計遺傳學家　Ronald A. Fisher, Sir322

賀許　Barry Herschy　184, 433

十三畫

奧托，加拿大遺傳生物學家　Sarah P. Otto　316

奧特曼　Richard Altmann　73

溫格勒　Astrid Wingler　435

瑞奇　Peter R. Rich　127, 435

瑞德利，英國動物學家　Mark Ridley　318

聖哲爾吉，匈牙利生理學家，一九三七年諾貝爾生理及醫學獎得主　Albert Szent-Györgyi　63

葛希曼　Rebeca Gerschman　384

葛蘭特　Malcom J. Grant　431

賈柯　François Jacob　324

道尼　Caroline Dawnay　437

達特尼爾　Lewis R. Dartnell　433

雷文霍克，十七世紀荷蘭貿易商，發明顯微鏡 Antony van Leeuwenhoek　31, 32, 35, 440

十四畫

漢米爾頓，英國演化生物學家　William D. Hamilton324, 432

瑪黑夏爾　Almandine Maréchal　435

福格蒂　Laurel Fogarty　433

福特　Henry Ford　396

赫拉克利特　Heraclitus　152

海克爾　Ernst Haeckel　32

赫斯特　Judy Hirst　116

赫爾　Sarah Hull　437

齊　Terry P. Kee　436

墨特里尼　Roberto Motterlini　436

墨菲　Michael P. Murphy　435

德西摩斯　Christophe Dessimoz　435

德杜維　Christian de Duve　204

歐戈，英國化學家　Leslie E. Orgel　114

歐文　Jez Owen　317, 433

潘尼　David Penny　293

蔵卡　Valentina Zanca　437

十六畫

穆爾基德加尼安　Armen Mulkidjanian　221

霍伊爾爵士，英國天文學與數學家　Fred Hoyle, Sir153

霍爾登　J. B. S. Haldane　362

鮑林　Linus C. Pauling　386

十七畫

薛丁格　Erwin Schrödinger　44, 55, 96, 106, 108

薩巴凱　Gyorgy Szabadkai　435

薩札諾夫　Leo Sazanov　116

薩瑟蘭　John D. Sutherland　150

十八畫

謬勒　Miklós Müller　41, 279

瓊斯　J. Stephen Jones　431

羅格斯大學　University of Rutgers　435

羅素，美國太空總署資深研究員　Machael J. Russell8, 168, 169, 171-173, 175, 181, 429

二十畫

蘇活　Victor Sojo　213, 433

蘇莎　Filipa L. Sousa　435

二十一畫

顧賽爾　David S. Goodsell　124

古國名

十五畫

黎凡特　Levant　239

地名

四畫

巴黎　Paris　436

五畫

史特列坦　Strytan　176

六畫

伊蘇阿　Isua　60

因斯布魯克　Innsbruck　435

艾克斯特　Exeter　436

八畫

明神丘　Myojin knoll　401, 403

波昂　Bonn　436

波德民鎮　Bodmin　126

阿基里亞　Akilia　60

十畫

馬堡　Marburg　436

馬德里　Madrid　387, 436

馬賽　Marseilles　436

十一畫

康沃爾郡　Cornwall　126

梅努斯　Maynooth　436

十二畫

渥維克　Warwick　436

十四畫

劍橋　Cambridge　125, 435

慕尼黑　Munich　436

政治學

十四畫

銅級控制　bronze control　279

科學

一畫

L型細菌　L-form bacteria　159, 237, 320

RNA聚合酶　RNA polymerase　432
α變形菌　α-proteobacteria　75, 244, 272, 297

一氧化氮　nitric oxide　181, 377

一氧化碳去氫酶　CODH, CO dehydrogenase　168

乙醯基　acetyl group　203-205

乙醯輔酶A　acetyl CoA　131, 204-206, 215, 216, 225, 226

乙醯輔酶A合成酶　ACS, acetyl-CoA synthase　168

乙醯輔酶A路徑　Acetyl CoA pathway　201-203, 206, 209, 226, 230, 467, 469

乙醯磷酸鹽　acetyl phosphate　158, 162, 163, 204, 206, 207, 417, 468

二畫

二核苷酸　dimucleotide　208

三畫

三染色體　trisomy　381-383

大猩猩　gorilla　352, 398

大腸菌　E. coli　37, 112, 193, 194, 262-264, 267, 268, 292, 293, 316, 403, 406

大變形蟲　Amoeba proteus　264

小囊泡　bleb　308, 356

不等鞭毛類　stramenopiles　77

四畫

互相適應　coadaptation　325-327, 352, 357, 362, 375, 376, 380

粉介殼蟲　mealybug　270

內共生作用　endosymbiosis　7, 33, 39, 40-42, 69, 72, 73, 75, 76, 80, 92, 245, 247, 248, 266, 268-271, 278, 281, 284-286, 293, 297, 303, 307, 339, 351, 406, 410, 411, 419, 478

內含子　intron　82, 293-308, 317-319, 339, 406, 407, 420, 421, 480, 481, 503

內含子先天存在說　introns early hyphthesis　294

內溫性　endothermy　87, 109

內溫動物　endotherm　398

內質網　endoplasmic reticulum　74, 77, 83, 86, 290, 403

內變形蟲　Entamoebae　77

化學滲透假說　chemiosmotic hypothesis　126, 128

化學滲透耦合　chemiosmotic coupling　136, 137, 139, 140, 250-253, 273, 275, 277, 280, 281, 409, 417, 442, 451

反向工程　reverse engineering　247

反向運輸蛋白　antiporter　217-231, 409, 416

反轉錄酶　reverse transcriptase　296-299

反轉錄轉位子　retrotransposon　99, 100

巴金森氏症　Parkinson’s disease　370

心磷脂　cardiolipin　353, 354

木蝨　jumping plant lice　268

水平基因轉移　lateral gene transfer　88, 89, 135, 136, 190-200, 238, 245-247, 267, 291, 292, 304, 311, 316-319, 409, 421, 464

水解作用　hydrolysis　158

五畫

以太　aether　283

北大西洋噴射氣流　North Atlantic jet stream　152

半胱天冬酶，全名是半胱胺酸天冬胺鹽酶　caspase, cysteine aspartate protease　356

半胱胺酸　cysteine　389

卡氏循環　Calvin cycle　201

去氧核糖　deoxyribose　186

去氧核糖核酸　DNA, deoxyribonucleic acid　418

去極化　depolarization　276

古原蟲界　Archezoa　77

古細菌　archaebacteria　92, 93

古菌，古細菌　archaea, archaeon（單數）　40-45, 65, 77, 91-95, 123, 132-141, 176, 182, 192-232, 236-254, 265-268, 281, 291-308, 318, 320, 339, 406-409, 416

古菌域　Archaea　40, 43, 77, 192, 236, 242

古蟲　Excavates　80, 81

四十度哮風帶　Roaring Forties　152

四方硫鐵鎳礦　mackinawite　167

外顯子　exon　298

布克納氏體　Buchnera　373

弗氏擬穀盜　Tribolium freemani　371

瓦薩號，瑞典戰艦　Vasa (ship)　107

甘油磷酸　glycerol phosphate　103

生命率學說　rate-of-living theory　391, 495

生物能量學　bioenergetics　125-127, 227, 232, 256, 295, 434

生物量　biomass　146

生物標記　biomarker　60

生殖細胞　germ cell　45, 71, 84, 285, 292, 331-340, 357, 369, 380, 411, 420, 486, 489

生酮飲食　ketogenic diet　397

甲基轉移酶　methyl transferase, Mtr　230

甲烷八疊球菌屬　Methanosarcina　192

甲烷球菌屬　Methanococcus　192

甲殼類　crustacean　358

甲酸鹽　formate　179, 182-186

甲醇　methanol　179, 181

甲醛　formaldehyde　179-186

立克次體，立克次體屬　Rickettsia　268

立體異構物　stereoisomer　139, 231

六畫

交換點　cross-over point　311

先天與後天　nature and nurture　69

共生作用　symbiosis　34, 75

同型配子　isogamete　323

同型配子的　homogametic　363, 374

同型組合的　homozygous　363

同源的　homologous　242

同種同源基因　paralog　301-303, 423

向量化學　vectorial chemistry　128

地球系統科學　earth systems science　35

地質化學　Geochemistry　167, 169, 178, 200-203, 224, 225

多毛類　polychaete　401, 405

多系輻射演化　polyphyletic radiation　71-73, 289, 423

多肽　polypeptide　154, 162, 163, 209

多倍體　polyploidy　264, 478

宇宙學　cosmology　30

早期潛藏性流產　early occult miscarriage　381, 383, 493

有孔蟲　Foraminifera　81, 273

有孔蟲超群　Rhizaria　81

有效族群　effective population　315

有氧能力　aerobic capacity　377-399, 411, 496

有絲分裂　mitosis　83, 270, 320, 421

灰胞藻　glaucophytes　81

老化　senescence　27, 54, 84, 94, 140, 275, 339, 370, 382-396, 411, 413, 434, 494

老年學　gerontology　387

肌原纖維　myofibril　375, 376

肌動蛋白　actin　271

自由能　free energy　96, 108-111, 129, 132, 153-155, 214, 420

自由基　free radical　276-280, 321, 351-356, 369-398, 420, 495

艾倫望遠鏡陣列　Allen Telescope Array　51

血基質　heme, haem　134

七畫

伽馬體　gamma body　74

克氏循環　Krebs cycle　198

冷凍電子顯微鏡　cryomicroscopy　116

卵菌　Oomycetes　81

吞噬作用　phagocytosis　40-42, 70, 88, 95, 237, 247, 268-270, 288, 407, 410, 423

吞噬泡　phagocytic vacuole　270

吞噬體　phagosome　86, 407

吸積盤　accretion disc　188

抗氧化劑　antioxidant　321, 385-395

沃爾巴克氏體　Wolbachia　373

身體質量　body mass　383

八畫

並系群的　paraphyletic　249

乳酸　lactic acid　395

乳酸鹽　lactate　250

事件視界　event horizon　239

亞硫酸鹽　sulphite　132

亞硝酸鹽　nitrite　70, 134, 135

初古菌門　Korarchaeota　246, 249

刺尾鯛　surgeonfish　261

刺骨魚菌屬　Epulopiscium　261-264

受精卵　zygote, fertilized egg　310, 326, 328, 334, 357, 358, 380

奇古菌門　Thaumarchaeota　246, 249

奈米　nanometer　28, 37, 119, 122, 123, 209, 276, 294, 297, 305, 403

姊妹染色體　sister chromosome　309-311

始祖鳥　Archaeopteryx　90

定鞭藻　Haptophytes　81

拓墣異構酶I　topoisomerase-I　389

明神丘准核細胞　Parakaryon myojinensis　8, 405-411

果蠅屬　Drosophila　361

泛醌　ubiquinone　116

矽酸鋯　zirconium silicate　58

矽藻　Diatoms　81

肽鍵　peptide bond　256, 271

虎皮鸚鵡　budgerigar　385

表觀遺傳學　epigenetics　366

九畫

前生化學　prebiotic chemistry　151

動物界　Metazoa　81, 485

後鞭毛生物　Opisthokonts　81

泉古菌門　Crenarchaeota, Eocyta　246, 249

活性含氧物　ROS, reactive oxygen species　390

流體鑲嵌模型　fluid mosaic model　103

突觸　synapse　369, 396

紅色岩層　red beds　64

紅藻　red algae　67, 77, 81

胚種論　panspermia　153, 164

胞質液　cytosol　418

胞器　organelle　75, 76, 99, 239, 269, 277

計畫性細胞死亡　programmed cell death　253, 276, 356, 411, 416

革蘭氏陽性菌　Gram positives　192

冥古宙　Hadean　59, 151, 176, 177, 461

原生生物　protist　28, 31, 67, 71, 73, 79, 81, 87, 132, 193, 262, 337, 424

原核生物　prokaryote　39-40, 65, 85, 91-95, 137, 195, 199, 226, 232, 235-257, 266-271, 278, 281-293, 302-339, 402-413, 424, 497

原基因體　metagenome　267, 292

原蟲　protozoa　424

埃，埃格斯特朗　ångströms　116

埃迪卡拉動物群　the Ediacarans　68

核仁　nucleolus　82, 286, 308, 403, 482

核內線粒體序列　nuclear mitochondrial sequence　304, 481

核孔複合體　nuclear pore complex　286, 308, 482

核苷酸　nucleotide　108, 126, 150, 155-162, 174-178, 186, 203, 216, 422

核蛋白片層　nuclear lamina　286, 308, 403

核糖　ribose　186

核糖核酸　RNA, ribonuclec acid　148, 426

核糖核酸酵素　ribozyme　298

核糖體　ribosome　37, 38, 74, 77, 137, 138, 140, 191-200, 207, 225, 226, 256, 258, 294, 305-307, 403, 406, 411, 425

核糖體RNA　ribosome RNA, rRNA　241, 286, 292, 299, 403, 404

氧化還原對　redox couple　132, 134, 425

氨氣　ammonia　59, 93, 134, 148, 173

浮黴菌　Planctomycetes　86, 192

海洋水蚤　Tigriopus californicus　358

海洋充氧事件　ocean oxygenation　62

真性陰陽人　true hermaphrodite　367

真核生物　eukaryote　8, 38-67, 76-95, 103, 125, 132, 139-140, 192, 236-310, 315-340, 352, 360, 398, 401-413, 419, 442, 447, 448, 472, 497

真核生物域　Eukaryota　43, 77, 132, 192, 236, 249

真核細胞　eukaryotic cell　34-42, 62-91, 136, 140, 235, 245, 256, 260, 265, 305, 320, 402

真細菌　eubacteria　43, 92

真菌界，真菌　Fungi　77, 79, 81, 98, 132, 192, 246, 268, 322, 401

破囊壺菌　Thraustochytrids　81

祖細胞　progenitor cell　334

納古菌門　Nanoarchaeota　246

紡錘體　spindle　83, 277, 320

十畫

耗散結構　dissipative structure　152-154, 206, 418

胺基酸　amino acid　36, 37, 105-108, 118, 138, 139, 148, 154-178, 198, 204, 216, 256, 258, 269-271, 305, 344-348, 353, 389, 415

能量轉換氫化酶　Energy converting hydrogenase, Ech 209, 215

脂質　lipid　97, 102, 103, 119, 138, 139, 158, 159, 199, 258, 306-308, 353, 369, 385

草履蟲屬　Paramecium　257

配子　gamete　83, 88, 309-338

針胞藻　Raphidophytes　81

高加索鼴形田鼠　Ellobius lutescens, transcaucasian mole vole　312

高基氏體　Golgi apparatus　83, 86, 290, 403

高通量基因定序　high-throughput gene sequencing　83

十一畫

剪接體　spliceosome　294-299, 305-307

動物界　Animalia　77

動基體蟲　kinetoplastids　77, 81

域（分類學）　domain　38

基因座　locus　313

基質　matrix　82, 115, 123

基礎代謝率　basal metabolic rate　383

梨形鞭毛蟲屬的動物　Giardia　292

梯度　gradient　8, 44-48, 114, 115, 120, 123, 126, 129, 134, 136-141, 166, 182-188, 198, 202, 206-232, 248, 252, 253, 408, 410

氫化酶　hydrogenase, Hdr　168, 215, 277

氫化酶體　hydrogenosome　79, 402, 403

氫氣假說　hydrogen hypothesis　41

混雜的　promiscuous　470

產乙酸菌　acetogens　202, 203, 226-231

產甲烷菌　methanogen, methanogenic bacteria　65, 180, 195, 202-230, 251, 279

產氧光合作用　oxygenic photosynthesis　64, 134, 135

異戊二烯　isoprene　139

異型配子的　heterogametic　362, 363, 374

異型組合的　heterozygous　362

異配結合　anisogamy　334, 336-338

異葉足蟲　Heterolobosea　77, 81

異種同源基因　ortholog　301, 302, 422

疏水性　hydrophobic　103, 105, 139, 274

眼蟲　Euglenoids　77, 264

眼蟲屬　Euglena　74

硫代乙酸甲酯　methyl thioacetate　205-207, 225

硫酯　thioester　131, 204-206, 225

硫酸鹽　sulphate　70, 132, 252

硫複鐵礦　greigite　167, 168

第一原理　first principle　54, 57, 95, 232, 285, 357, 379, 406, 410, 411

第二型自我剪接內含子　mobile group II self-splicing introns　298

線粒體　mitochodria　7, 34, 40-47, 74-86, 115, 118, 119, 121-123, 141, 205, 210, 211, 239, 243-245, 265-290, 304, 308, 317, 319-340, 344-398, 401-413, 422, 477, 484, 485, 488-491

線粒體生合成作用　mitochondrial biogenesis　387, 389

線粒體核　mitonuclear　361, 362, 375, 376, 383

細胞分裂　segregation　159, 191, 238, 292, 308, 309, 319, 331-334, 421

細胞色素c　cytochrome c　127, 353-356, 369, 372, 378

細胞色素氧化酶　cytochrome oxidase　377

細胞凋亡　apoptosis　123, 340, 354-358, 369, 371, 376-397, 416, 488, 492

細胞骨架　cytoskeleton　83, 84, 89, 271, 284, 403

細胞質雄性不孕　cytoplasmic male sterility　371, 491

細胞質融合細胞　cybrid　373, 390, 487

組織蛋白　histone　82

脫水反應　dehydration　157, 158, 204, 456

蛇紋岩　serpentinite　171

速生熱球菌　T. celer　192

連續內共生學說　serial endosymbiosis theory　35, 42, 72, 75, 76, 84, 440, 446

雪球地球事件　snowball earth　62, 68, 93, 236, 427

頂複合器蟲　Apicomplexa　81

十二畫

單系輻射演化　monophyletic radiation　71, 80, 92, 94, 422

單孢子蟲　Haplosporidia　81

單胞藻屬　Chlamydomonas　323

單倍體　hapoid　309, 311

單鞭毛生物　unikont　80

單鞭毛生物超群　Unikonts　81

單體　monomer　271, 273

壺菌　Chytrids　81

壺菌類真菌　chytrid fungus　74

寒武紀大爆發　Cambrian explosion　62, 69, 71, 288, 289, 338

嵌合體　chimera　193, 242, 244, 246, 308

提塔利克魚，提塔利克屬的魚　Tiktaalik　90

普里昂蛋白，傳染性蛋白顆粒　prion　105

萬物最近共祖，露卡　Last Universal Common Ancestor, LUCA　192, 195-200, 208, 225, 228, 287, 409, 421, 465

最後真核生物共同祖先，莉卡　the Last Eukaryotic Common Ancestor, LECA　81

棘皮動物　echinoderm　71

植物界，植物超群　Plantae　77

克隆，殖株，選殖　cloning　291, 292, 311, 314, 316, 323, 325, 326, 357

殘留紡錘體　mitosome　79, 277

氰化物　cyanide　131, 150, 151, 210, 211

氰胺　cyanamide　156

減數分裂　meiosis　83, 292, 309, 310, 320, 380, 421

渦鞭藻　Dinoflageliates　81

游離輻射　ionizing radiation　384

變形蟲-屬　genus Chaos　32

焦磷酸鹽　pyrophosphate　163

發酵作用　fermentation　41, 67, 125, 161, 250, 251, 395, 397, 420, 474

短吻鱷，鱷目短吻鱷科的動物，現有美洲種與中國種兩種　alligator　365

硝酸鹽　nitrate　67, 70, 99, 132-135, 261, 263

絨泡黏菌屬　Physarum　77

絲足蟲　Cercomonads　81

腔棘魚　coelacanth　405

視網膜　retina　87, 367

費洛蒙　pheromone　329

超氧化物歧化酶　superoxide dismutase　353

超氧自由基　superoxide radical　353, 354, 384, 389, 394

超距作用　action at a distance　119

超微真核生物　picoeukaryote　84

超群　supergroup　80-84, 447

超複雜體　supercomplex　344

量子穿隧　quantum tunelling　346, 348, 355

鈉氫離子反向運輸蛋白　sodium proton antiporter (SPAP)　224

雅各巴蟲　Jakobids　81

黃鐵礦　iron pyrite　162, 166, 167

黑猩猩　chimpanzee　194, 352, 373, 398

十三畫

嗜高溫菌屬　Aquifex　192

嗜硫珠菌　Thiomargarita　261-264

嗜極端細菌　extremophile bacteria　199

嗜鹽菌屬　Halophiles　192

奧坎簡剃刀　Occam’s razor　248

微孢子蟲　Microsporidia　77, 192

微管　microtubule　83, 319

搜尋地外文明計畫　Search for Extra Terrestrial Intelligence, SETI　51

新達爾文主義綜論　neo-Darwinian synthesis　69

極度嗜熱　hyperthermophile　138

溶體　lysosome　83

節肢動物　arthropod　71

群體性鞭毛蟲？副基蟲？　Parabasalids　81

腺苷二膦酸　adenosine diphosphate, ADP　111-113, 121, 124, 280, 351, 416

腺苷三磷酸　adenosine triphosphate, ATP　110-112, 121, 124, 214, 215, 224, 230, 280, 347, 351, 354, 390, 394, 416

葉足類變形蟲　Lobosea　81

葉綠素　chlorophyll　133, 134

葉綠體　chloroplast　7, 34, 40, 43, 74, 75, 80, 269, 274, 401, 412, 417

過氧小體　peroxisome　290

過氧化體　peroxisome　75, 83, 86

雷伯氏遺傳性視神經萎縮症　Leber's hereditary optic neuropathy　370

電子分歧　electron bifurcation　226-229, 471

十四畫

厭氧菌　anaerobe　90

對偶基因　allele　312-315, 328

對掌性　chirality　139

滲透營養作用　osmotrophy　70, 72, 423

滴蟲　trichomonads　77, 192

種化　speciation　94, 361, 362, 398, 464

譜系發生學　phylogenetics　30, 35, 76, 79, 81, 84, 89, 94, 196, 201, 202, 222, 239-244, 248, 265, 295, 338

綠絲狀菌　Green filamentous bacteria　192

綠藻　Green algae　81

維生素　vitamin　99, 386-389

網柱黏菌　Dictyostelids　81

蓋婭　Gaia　35

輔因子　cofactor　161, 215

輔助酶A，輔酶A　coenzyme A　203

輔酶Q　coenzyme Q　116

遠系雜交　outcross　360, 370

遠親繁殖　outbreed　320, 329

遠離平衡態　far-from-equilibrium　153, 164, 169, 455

雌雄同體　hermaphrodite　322, 371, 373

需能反應　endergonic reaction　227, 419

墨西哥灣流　Gulf stream　152

層流　laminar flow　211, 212

廣古菌門　Euryarchaeota　246, 249

標籤蛋白質　signature protein　85

熱孢菌屬　Thermotoga　192

熱泳法　thermophoresis　175, 427

熱量限制　calorie restriction　396

熱網菌屬　Pyrodictium　192

熱變形菌屬　Thermoproteus　192

熵　entropy　55, 96, 102-113, 133, 154, 158, 178-179, 419, 449

皺摺　crista, cristae　209

緩步動物　tardigrade　101

緩步動物門　Tardigrata　101

蓮花　Nelumbo nucifera　87

複合物　complex　116-122, 127, 140, 200, 344, 347, 354, 377, 387, 388, 392, 394

複製子　replicon　156, 231, 238

質子　proton　8, 44-48, 113-124, 126-129, 136-140, 181-188, 200, 206-232, 248, 252-258, 344, 354, 355, 376, 394, 408-414, 424, 463

質子力　proticity　44

質子驅動力　proton motive force　122-127, 253, 276, 424

質體　plasmid　100, 278-280, 319, 320, 423, 478

銳滴蟲　Oxymonads　81

十五畫

鋯石　zircon　58, 59, 131, 149

十六畫

導向序列　targeting sequence　350

樹懶　sloth　381

橈足類　copepod　358-361

澱粉鞭毛藻　Cryptomonads　81

螢光紅　fluorescein　174, 186

輻骨蟲　Acantharia　81

選擇干擾　selective interference　314, 317

選擇性剔除　selective sweep　313-317, 426

遺傳距離　genetic distance　242, 373

錯誤大災難　error catastrophe　385, 386, 395

十七畫

擬桿菌門噬胞菌屬　Bacteroides Cytophaga　192

擬穀盜　flour beetle, Tribolium castaneum　371, 373

曙古菌門　Aigarchaeota　249

磷脂質　phospholipid　231, 409

縮減式演化　reductive evolution　79

翼龍　pterosaurs　87

螺旋體　spirochete　192, 246

趨化性　chemotaxis　329

還原電位　reduction potential　182-184, 209, 348, 355

黏菌　slime molds　77

檸檬酸合成酶　citrate synthase　300, 302

藍綠菌　Cyanobacteria　75, 99, 192, 238, 270, 273, 277, 407, 478

十八畫

蠕蟲門　plylum Vermes　32

轉錄因子　transcription factor　299, 389

雙倍體　diploid　309

雙核亞界　Dikarya　81

雙滴蟲　diplomonads　77, 81, 192

雜種衰退　hybrid breakdown　359-363, 370-374, 380, 487

雜種優勢　hybrid vigour　360

鞭毛蟲　Flagellate 　192

類木行星　jovian planet　147

類囊體膜　thylakoid membrane　270

二十畫

釋能反應　exergonic reaction　179, 227

霰石　aragonite　176, 177

二十一畫

辯證唯物論　dialectical materialism　69

鐵氧化還原蛋白　ferredoxin, Fd　168, 177, 209, 215, 228, 229

鐵硫簇　iron sulphur cluster, FeS cluster　114-116, 162, 166-168, 205, 355, 420

鐵氰化物　ferricyanide　151

顧氏內格里變形蟲　Naegleria gruberi　81

二十二畫

囊泡蟲　alveolates　77

囊泡藻超群　Chromalveolates　80, 81

二十三畫

纖毛　cilia　31, 35, 75

纖毛蟲　ciliate　71, 81, 192

變形菌　Proteobacteria　193

變形蟲　amoeba　28, 40, 56, 67, 73, 78, 261, 264, 272, 292, 300

變形蟲門　Amoebozoa　81

變形體黏菌門　Myxomycota　192

變異數　variance　428

體細胞　somatic cell　45, 71, 332, 337-340, 369, 411, 486 Candidatus Carsonella ruddii　268

書名

五畫

生命的躍升　Life ascending　5, 10, 208, 277, 399

生命是什麼？　what is life?　55

六畫

自由基生物學與醫學　Free radicals in biology and medicine　386

自然期刊　nature　55, 125, 171, 249, 404

八畫

孟德爾的魔鬼　Mendel’s demon　318

物種起源　the origin of species　46, 189, 352

九畫

氧氣：建構世界的分子　oxygen: the molecule that made the world　173, 387

十畫

能量、性、死亡：線粒體與我們的生命　Power, sex, suicide: mitochondria and the meaning of life　9, 399, 429, 430

十一畫

偶然與必然　Chance and Necessity　52

細胞分子生物學　molecular biology of the cell　274

十三畫

新科學人　new scientist　189

電子顯微鏡期刊　journal of electron microscopy　404

電影

十一畫

第三人　The third man　235

機構

一畫
profile books出版社　Profile books　437

W. W. Norton出版社　W. W, Norton and company　437

三畫

工程與物理科學研究委員會　Engineering and Physical Sciences Research Council, EPSRC　433

四畫

切法魯大教堂　Cefalu Cathedral　345

五畫

北伊利諾大學　Northern Illinois university　436

本古里安大學　Ben-Gurion university　436

七畫

利華休姆信託基金　Leverhulme trust　184

杜塞爾多夫大學，德國　University of Dusseldorf　431

八畫

阿拉巴馬大學　university of Alabama　498

九畫

皇后大學　Queen’s university　436

倫敦大學學院　Univerisity College London, UCL　6, 47, 127, 174, 365, 430-435

格林研究所　Glynn Institute　126, 127

十一畫

康乃爾大學　Cornell university　502

莫斯科大劇院　Boshoi theatre　356

十二畫

喬治亞大學　university of Georgia　498

萊布尼茲波羅的海研究所　Leibniz institute for Baltic sea research　502

斯克里普斯海洋學研究所　Scripps institute of oceanography　436

十三畫

愛丁堡大學　Edinburgh university　125

新堡大學　Newcastle university　307

十六畫

諾曼西西里宮殿　Palace of Norman Sicily, Palazzo dei Normanni　345

十七畫

聯合經紀公司　United agent　437

Table of Contents

- ■審定序 生命為何物？大哉問！
- ■審定序 生命演化的開源舞台
- ■推薦序 生命之源的大躍升
- 推薦短語 （按姓氏筆畫序）
- 序論 為何生命會是這樣地存在？

- 第一部 提問

- 第一章 什麼是生命？

- 第二章 什麼是活著？

- 第二部 生命的起源

- 第三章 生命最初的能源

- 第四章 細胞的崛起

- 第三部 複雜性

- 第五章 複雜細胞的誕生

- 第六章 性，與死亡的起源

- 第四部 預測

- 第七章 力量與榮耀

- 跋文 來自深海
- 術語表
- 致謝
- 延伸閱讀
- 序論
- 圖說列表
- 中英對照表