真理總沾著灰塵。——劉慈欣
1969年,也就是林恩發表《有絲分裂細胞的起源》兩年後,魏泰克提出五界分類系統:原核生物界,包括細菌和其他原核生物;原生生物界,原生生物是簡單的真核生物,多為單細胞生物,亦有部份是多細胞的,但不具組織分化,也就是能在一個細胞內完成全部生命活動,如營養、呼吸、排泄、生殖、運動和感應等,如原生動物和多數藻類;餘下的多細胞真核生物分為植物界、真菌界和動物界。這個分類基本上反映了地球細胞生物的進化歷程。在結構上,從原核生物界進化到原生生物界,再進化到多細胞的、組織分化的真核生物。
健客:感覺上,從四界分類到五界分類,魏泰克多少受了林恩的影響,真核細胞是原核細胞內共生的進化産物。
雲飛:也許吧,更大的突破已經在路上。
20世紀60年代早期“分子進化鐘”的發現與60年代末期“中性理論”的提出是上世紀進化生物學的重大事件,它們相繼問世極大地推動了分子進化研究。
健客:什麼是分子進化鐘?
雲飛:直到20世紀20年代,最精確的時鐘還是依賴於鐘擺的有規則擺動。取代它們的更為精確的時鐘是基於石英晶體有規則振動而製造的,這種時鐘的誤差每天不大於千分之一秒。即使如此精確,但它仍不能滿足研究愛因斯坦引力論的需要。根據愛因斯坦的理論,在引力場內,空間和時間都會彎曲。因此,在珠穆朗瑪峰頂部的一個時鐘,比海平面處完全相同的一個時鐘平均每天快三千萬分之一秒。所以精確測定時間的唯一辦法只能是通過原子本身的微小振動來控制計時鐘。到了1967年,關於原子鐘的研究如此富有成效,以至於人們依據銫原子的振動而對秒做出了重新定義。
那麼有沒有測量生物進化的時鐘呢?在分子水準,進化速率是近似恒定的,例如人與猿分化的時間肯定短於人與魚分化的時間。因此,人與猿之間的脫氧核糖核酸分子差異肯定比人與魚之間的脫氧核糖核酸分子差異要小。
健客:真的嗎?
雲飛:哈哈。子非魚,安知魚之樂?子非我,安知我不知魚之樂?不是我們感覺長得相像的物種親緣關係就一定近。
健客:哎,不是我不明白,而是這世界發展快。中性理論又是什麼意思呢?
雲飛:中性理論説的是物種內的大多數遺傳變異是中性的,這意味著大多數遺傳變異是隨機的,不會對生物體産生正面或負面影響。中性理論可以推導出分子進化鐘,同時,還表明物種之間和物種內部的差異是通過中性機制進化而來的,而不是自然選擇的結果。1967年,分子進化鐘的支援者通過度量人、黑猩猩和大猩猩等靈長類的血清白蛋白的免疫雜交反應強弱,證明人和黑猩猩的分化時間只有4-5百萬年。而此前一直以來,基於考古化石證據的研究認為,人和黑猩猩至少相差了1-3千萬年。後來的一系列化石發現均説明黑猩猩和人是在很晚的時候才分道揚鑣。試想一下,抽點血,通過簡單的計算,就可以獲得人和黑猩猩的歷史分化時間,這是多麼神奇的發現啊!當人們僅僅依靠現代生物的遺傳數據,就可以估計進化史上物種的分化時間,而不是依賴稀缺的化石資料,這難道不是偉大的創舉嗎?當然,對分子進化鐘和中性理論的爭議也很大。子非魚,安知魚之樂?爭論還將繼續,進步永無止境。
為了確定覆蓋現存生命系統的親緣關係,需要找到一種分佈廣泛的分子作為分子進化鐘。沒找到符合這一要求的蛋白質,然而,核糖體核糖核酸可以。它是所有自我複製系統的組成部分,並且它的序列隨著時間的推移而緩慢地變化,因此允許檢測非常遠的物種之間的相關性。
1976年,美國微生物學家和生物物理學家烏斯做了一個勇敢的決定:重新劃分生物世界。因為他找到了可以作為分子進化鐘的神奇分子。
健客:烏斯找到的是什麼分子?
雲飛:16S rRNA
健客:這是什麼啊?
雲飛:這是一種核糖體核糖核酸。如果把細胞比作化學工廠,那麼核糖體就是工程師,負責合成蛋白質。原核細胞的核糖體核糖核酸有5S、16S、23S三種。S為沉降系數,當用超速離心測定粒子的沉澱速度時,實測速度與粒子的直徑成比例。5S含有120個核苷酸,16S含有1540個核苷酸,而23S含有2900個核苷酸。16S rRNA可以理解為16倍速的核糖體核糖核酸。
健客:好複雜啊!為什麼要選16S rRNA呢?
雲飛:因為5S rRNA基因序列較短,包含的遺傳資訊較少;23S rRNA基因序列太長,且其鹼基的突變率較高,都不適於鑒定親緣關係。16S rRNA的優勢可以概括為 “一定要含守適”。
1.普遍存在於一切原核生物細胞中。
2.具有高度穩定性。
3.生理功能重要。
4.在細胞中的含量較高,易提取。
5.某些鹼基順序非常保守,以致在30多億年的進化中仍保持著原初的狀態,因此可用作探索自古至今生物的主要進化歷程。
6.分子量適中,且資訊量較大,易於分析。
同理,在真核生物中選擇18S rRNA。
生物學家習慣性地根據某些基本的二分法來構建世界。傳統上,不是植物的就是動物。最初被認為是植物的細菌,它分別與植物和動物的相似性低於植物和動物之間的相似性,這一發現導致真核生物與原核生物,更基本的二分法。真核細胞和原核細胞之間的顯著差異無處不在。因此,人們普遍認為所有現存的生命都必須屬於這兩種基本類型。生物學家似乎已經解決了主要系統發育分組的問題。然而,情況並非如此。試想一下,將生物世界劃分為原核生物和真核生物,是否忽視了現存物種來自共同祖先的各種原始分支的可能性。
健客:有點燒腦啊!
雲飛:真核細胞的組織方式與原核細胞不同,而且更複雜。這可能反映了前者作為各種簡單生物的共生集合的複合起源。無論多麼引人注目,這些組織差異並不能保證真核生物和原核生物代表系統發育的路徑,因為長得像不像和親緣關係遠近是兩碼事,要看分子像不像。分類要體現親緣關係,這才是進化論的啟示。
健客:好像明白了一點兒,又好像什麼都不明白。是不是有點像親子鑒定啊?
雲飛:哈哈,有點兒像。現代親子鑒定利用的就是分子生物學技術。據説,古代是這樣做親子鑒定的。
一是外貌對比,這個就不多説了;二是滴骨驗親,就是將生者的血液滴在死人的骨骸上,若血液能滲透入骨則斷定生者與死者有血源關係,否則就沒有。三是滴血驗親,就是將小孩的血與大人的血放在一起,如果能融在一起,就是父母親生的,否則就不是親生的。總之,都不靠譜。
後來出現了血型測試;20世紀70年代,發現可以用白細胞的抗原來進行親子鑒定,準確性可達80%。再結合血型檢驗,能達到較高的準確程度。20世紀80年代,開創了使用染色體多態性鑒定親子關係的技術,這種多態是可以遺傳的。這項技術就是利用其形態來鑒定親子關係,這要靠技術人員的主觀判斷,其準確率也不盡如人意。目前用得最多的是脫氧核糖核酸分型鑒定。人的血液、毛髮、唾液、口腔細胞及骨頭等都可以用於親子鑒定,十分方便。一個人有23對染色體,同一對染色體同一位置上的一對基因稱為等位基因,一般一個來自父親,一個來自母親。如果檢測到某個脫氧核糖核酸位點的等位基因,一個與母親相同,另一個就應與父親相同,否則就存在疑問了。利用脫氧核糖核酸進行親子鑒定,只要作十幾至幾十個脫氧核糖核酸位點作檢測,如果全部一樣,就可以確定親子關係,如果有3個以上的位點不同,則可排除親子關係,有一兩個位點不同,則應考慮基因突變的可能,加做一些位點的檢測進行辨別。脫氧核糖核酸親子鑒定,否定親子關係的準確率幾近100%,肯定親子關係的準確率可達到99.99%。
健客:什麼是系統發育呢?
雲飛:系統發育是與個體發育相對而言,它是指某一個類群的形成和發展過程。大類群有大類群的發展史,小類群有小類群的發展史。系統發育樹又稱進化樹。如果研究整個靈長目的發生與發展,便稱之為靈長目的系統發育。如果研究全部細菌界的發生與發展,便稱之為細菌界的系統發育。因此烏斯要研究的是現存的整個生命系統。當時,在系統發育意義上,使用細菌和真核生物時,它們大致對應“原核生物”和“真核生物”。有沒有遺漏呢?這難道不可疑嗎?有棗沒棗,打一竿再説。
梳理清楚了實驗思路,烏斯等人忙碌起來。很快,他們發現存在第三個生命王國,雖然當時僅有産甲烷細菌作為代表。這是一種相對未知的厭氧菌,具有獨特的新陳代謝方式,將二氧化碳還原為甲烷。這些長得像“細菌”的傢夥,似乎與典型細菌的關係並不比它們與真核細胞質的關係更密切。産甲烷的能力顯示它們的古老性,厭氧的特性也似乎非常適合存在於30-40億年前的地球。因此,烏斯將它命名為古細菌。經過仔細研究,沒有表明它們與真細菌有特定的系統發育相似性。例如,産甲烷菌確實有細胞壁,但它們不含肽聚糖。甲烷形成的生物化學似乎涉及完全獨特的輔酶。必須承認,人們對産甲烷菌的生物化學知之甚少,而關於它們的分子生物學幾乎一無所知。因為這大概是人類第一次將分子生物學技術應用於微生物領域。總之,沒有理由認為産甲烷菌更接近真細菌,而不是真核生物的細胞質成分。就rRNA序列測量和生物化學上的差異而言,似乎存在三個不同的領域。原核界的細菌在形態上儘管很相似,但根據分子水準上的差異可明顯分成兩大類:古細菌和真細菌。在16S rRNA的同源性上,古細菌和真細菌有明顯不同;這個不同甚至要超過它們各自與真核生物的不同。
開始,可能古細菌在地球上佔優勢,因為它們的代謝很好地適應了原始地球條件,富有二氧化碳,缺氧、高溫。往後,當氧成為大氣的主要成分和地球溫度逐漸變冷時,適合於需氧和較低溫度的真細菌又可能佔優勢。關於真核細胞的起源一直是個謎。根據分析,真核生物葉綠體的核糖核酸和藍綠藻的核糖核酸極為相似,而有些真核細胞的基因又與古細菌的極為相似,所以最簡單的真核生物可能有複雜的起源,即原始生命、古細菌和真細菌都可能參與了這一過程。
1977年,烏斯建議將原核生物分為真細菌和古細菌。最初認為古細菌主要生活在一些極端環境中,例如極端溫度、 pH值和輻射,但此後發現古細菌生活在所有類型的生態環境。真細菌界的細菌為常見類型,有共生的,如遺傳研究的重要細菌大腸桿菌;有寄生和致病的,如沙門氏菌和葡萄球菌。真細菌界還包括藍綠藻。同年,我國生物學家陳世驤在《昆蟲學報》上,發表了《進化論與分類學》一文。從辯證唯物主義的角度,提出了物種又變又不變、又連續又間斷等觀點。從方法論的角度,對魏泰克的五界分類系統做了精彩的詮釋。在文章最後,他提出進化論是生物分類的理論基礎,分類學是生物進化的歷史總結。可惜,文章沒能囊括利用分子生物學技術開展分類學研究的最新成果。
1990年,烏斯提出了三域分類學説:生物分為真核生物、真細菌和古細菌三域,域被定義為高於界的分類單位。之後,為突出古細菌與真細菌的區別,烏斯將古細菌更名為古菌。真細菌改稱細菌。自誕生之日起,烏斯的三域學説便遭到反對,特別是來自微生物學領域之外的反對。反對者堅持認為:原核與真核的區分是生物界最根本的、具有進化意義的分類法則;與具有豐富多樣性的真核生物相比,古菌與細菌的差異遠沒有大到需要改變二分法則的程度。但在詹氏甲烷球菌基因組序列測定完成前的近20年中,採用多種分子進化鐘進行的系統發育學研究一再證明,古菌是一種獨特的生命形式。
儘管對古菌已有了上述認識,當人們第一次面對詹氏甲烷球菌的全基因組序列時,還是大吃了一驚。詹氏甲烷球菌共有1738個基因,其中人們從未見過的基因竟佔了56%。相比之下,在這之前完成測序的流感嗜血桿菌和生殖道支原體基因組中未知基因僅佔20%左右。於是人們終於在基因組水準上認識到,古菌是一種嶄新的生命形式。更有趣的是,似乎勾勒出了古菌與另兩類生物之間的進化關係:古菌在産能、代謝和細胞分裂等方面與細菌相近,而在脫氧核糖核酸轉錄、翻譯和複製方面與真核生物類似。換言之,一個生活在大洋底部熱溢口處的、習性古怪的微生物,在遺傳資訊傳遞方面竟有著與人相似的基因,而不是與人的消化道中的細菌相似!在讚嘆生命奇妙的同時,許多人開始歡呼三域學説的最終確立。美國《科學》週刊在把詹氏甲烷球菌基因組序列測定工作列為1996年度重大科學突破之一時宣稱,這一成果使圍繞三域學説的爭論差不多可以結束了。
就在古菌的懸念似乎行將消失時,接踵而來的新發現卻使人們重新陷入困惑之中。在18種生物基因組序列中,古菌佔了4個。採用更靈敏的方法對這些基因組進行分析,得到了令人吃驚的結果:詹氏甲烷球菌基因組與細菌基因組相近。古菌的神秘性和獨特性減少了許多。對三域學説更為不利的是,在詹氏甲烷球菌的那些可以推測功能的蛋白質中,44%具有細菌蛋白特徵,只有13%像真核生物的蛋白質。在另一個古菌,嗜熱鹼甲烷桿菌的基因組中也有類似情況。因此,從基因組比較的數字上看,古菌與細菌間的差異遠小于古菌與真核生物間的差異,不足以説服三域學説的反對者。
更令人難以理解的是,利用同一生物中不同基因對物種進行系統發育學定位常常會得到不同的結果。最近,一種能在接近沸點溫度下生長的微生物的基因組序列測定完成。對該菌的幾個基因進行的系統發育學研究表明:該菌與烏斯進化樹上位於細菌分枝的一個土壤細菌——枯草芽孢桿菌相近。如果以一種參與色氨酸合成的酶為準,該菌應屬於古菌,而當比較另一種酶時,竟發現古菌不再是獨立的。看來不同的基因似乎在訴説不同的進化故事。
屬於真核生物的啤酒酵母基因組序列測定完成後,三域學説遇到了更大危機。酵母細胞核基因中,與細菌基因有親緣關係的數量比與古菌有親緣關係的多一倍。要知道,1977年,烏斯曾推測可以將古菌看作從細菌到酵母的一種過渡類型。有人還對在三域生命中都存在的34個蛋白質家族進行了分析,發現其中17個家族來源於細菌,只有8個顯示出古菌與真核生物的親緣關係。如果烏斯進化樹正確,古菌與真核生物在進化歷程中的分歧晚于兩者與細菌的分歧,那麼怎樣解釋上面這些結果呢?就像劉慈欣在《三體》一書中寫的,“真理總沾著灰塵”。
2002年,烏斯提出了一種新的假説,認為生命伊始之際,至少存在三種結構簡單而鬆散的細胞組織形式,它們在同一個環境中生存與進化,通過基因交流,共用進化發明,從這三種獨立的原始生命形式演化出了細菌、古菌和真核細胞。他認為,這三種生命形式是獨立進化而來的,但進行了基因交流,現代細胞的組織形式代表了一種嵌合關係,某些情況下三種細胞類型的兩者高度相似,而另一些情況下又差異很大,而這正是它們以截然不同的組織形式開始的證據,在隨後的進化過程中,它們進行了頻繁的遺傳“交流”與“互換”,終於合而為一。
烏斯説:“隨著細胞的結構越來越趨於錯綜複雜,終於到達一個完整細胞結構出現的關鍵點。”他稱這個關鍵點為“達爾文開端”,即自這一時間開始有了係譜的線索,也就是物種起源的開端,在此之後,所有特定類型細胞類型的組織結構進化過程中只有微小的變化發生。烏斯説:“如果我們禁錮于達爾文的思維模式,就不能指望對細胞進化作出真正正確的解釋……生物學超越達爾文共同起源假説的時代已經到來……共同起源學説以及任何共同起源學説的‘變種’都沒有抓住要旨,即細胞産生的進化過程的本質——動力學。”他甚至宣稱,地球上細胞進化的驅動力來自基因的水準轉移,即獲得外來細胞的組成成分,包括基因和蛋白質等,來促進自身細胞實體的進化。
不難看出,為了維護他所創立的三域理論之完美性,烏斯真可謂煞費苦心。地球早期的原始生命形態在其起源之後能夠一直會保留至今嗎?你能相信那些微小的細菌或古菌能夠在地球環境的巨變以及漫長的時間長河中能夠保持不變嗎?有人估計,現存物種的總數,只不過是地球上曾經存在過的物種總數的1%,微小的原核生物又會如何呢?
爭論還將繼續,進步永無止境。當你用手指月亮的時候,聰明的人會看向月亮,而愚者只會盯著你的手看。
欲知後事如何,且聽下回分解。