Nick Lane: 尼克·莱恩:我们所知的生命在化学上是必然的
Nick Lane – Life as we know it is chemically inevitable
嘉宾：Nick Lane
全文文稿 · 按对话顺序保留完整内容，深入理解上下文。
§01尼克·莱恩:我们所知的生命在化学上是必然的
尼克·莱恩对生命的演化有一些相当大胆的想法。
他认为,早期生命与海底热液喷口的自发化学过程是连续的。
尼克的故事也许是错的,但我觉得很了不起的是,仅凭这样一个起点,你就能解释生命为何是如今这个样子的诸多问题,而这些恰恰是生物课上让你直接当作既定事实接受的东西:
- 为什么有两种性别?为什么要有性?
- 为什么细菌存在了 40 亿年,却依然如此简单?为什么动物、植物、真菌和原生生物的形态差异巨大,所有真核细胞之间却共有如此多的结构?
- 为什么导致真核生物出现的内共生事件只发生过一次,而且是以那样特定的方式发生的?
- 为什么所有生命都由质子梯度驱动?为什么地球上所有生命不仅共有克雷布斯循环,甚至连乙酰辅酶 A 这样的中间分子也都相同?
他的理论意味着,早期生命在化学上几乎是必然的(仅银河系中就可能在数亿颗行星上涌现),而真正的瓶颈是复杂的真核细胞。
§02开启复杂生命的那次奇点事件
今天我要对话的是尼克·莱恩,他是伦敦大学学院的演化生物化学家。他有许多著作和论文,帮助我们从能量流动的角度重新理解生命长达 40 亿年的历程,并解释了从生命最初如何诞生、到真核生物的起源,再到我们今天在生命运作方式中看到的许多偶然性等一系列问题。
尼克,也许我们可以从这里开始。在你看来,为什么真核生物对于解释生命为何是现在这个样子如此重要?
首先,谢谢你邀请我。这很有意思,我很喜欢聊这类话题。
真核生物。什么是真核生物?基本上,它就是构成我们的细胞,也构成植物,以及阿米巴、真菌、藻类之类的生物。凡是你能看到的大型而复杂的东西,都是由这种叫作真核细胞的单一细胞类型构成的。我们有一个细胞核,所有的 DNA、所有的基因都在里面,然后还有各种机器般的结构,比如细胞膜等等。这些细胞里有大量的“装备”。
奇怪的是,如果你在电子显微镜下观察植物细胞或真菌细胞的内部,它看起来和我们的细胞一模一样。但它们的生活方式完全不同。如果它们演化成了生活在海洋里、进行光合作用的单细胞藻类,为什么还会拥有同样的一整套装备呢?它仍然有着和我们的细胞一样的装备。
我们知道,正因为它们共有所有这些东西,所以它们在地球生命的整个历史中只起源过一次。也许曾有过多次起源,但没有证据支持这一点。就算有过,也已经消失得无影无踪。我们面对的是这样一个奇点:它大约发生在 20 亿年前,也就是地球生命历史开始大约 20 亿年之后。这件事只发生了一次,却产生了地球上所有的复杂生命。
由此你可以得出的一个结论是:就遗传库而言,细菌和古菌实际上拥有比真核生物多得多的基因,也有多得多的多样性。只是单个细菌细胞里的东西少得多。但细菌细胞的种类实在太多,所以总体上它们已经探索了基因序列空间。它们有 40 亿年的时间去尝试,却从未想出一个办法,这说明关键不在基因,不在信息,而是另有某种东西在起控制作用。这种东西就是获得了我们细胞里被称为线粒体的这些“动力包”。
现在我们来谈谈生命的起源。你有一个非常有说服力的故事,你设想最早的生命形式与地球的地球化学是连续的。你能稍微复述一下这个故事吗?
我先讲讲我是怎么走到这一步的。我最初研究的是线粒体。这把我带入了真核生物演化的研究。真核生物获得了这些后来成为线粒体的内共生体,它们改变了演化的潜力。它并不会立刻改变一切,但改变了演化终点的可能范围。它使得这些大型、复杂的细胞得以演化出来,并最终产生了多细胞生物,也就是我们。
线粒体究竟在做什么?它们实际做的是呼吸作用,也就是为细胞产生能量。它们还做很多别的事情,但我们可以想到的主要功能是,它们是能量的生产者。它们源自细菌,而细菌产生能量的方式与之完全相同。它们是通过在膜上产生电荷来产生能量的。
这个电荷很小,但膜非常薄。电荷大约是 150 到 200 毫伏,而膜的厚度是 5 纳米,也就是千分之五毫米的千分之一。如果你把自己缩小到一个分子那么大,站在这层膜旁边,你会感受到每米 3000 万伏的电场强度,相当于一道闪电。这就是膜两侧电压所产生的力的强度,非常巨大。
它是由非常精密的蛋白质把质子泵过膜而产生的。接着是 ATP 合酶,它几乎是普遍存在的,是一个嵌在膜里的旋转纳米马达。这是极其复杂而有趣的机器,并且在所有生命中普遍保守。它的保守程度就像核糖体,也就是制造蛋白质的工厂一样。它几乎遍布整个生命界。你不禁会想,生命究竟是怎么变成这样的?如果它在所有生命中都普遍保守,看起来就应该一直追溯到所有细胞的共同祖先。于是问题来了:它最初是怎么产生的?
对我来说,这非常令人兴奋,因为作为研究者,这是切入生命起源的一条途径。这些产生能量的系统最初是如何出现的?我的切入点是,比尔·马丁和迈克·拉塞尔打开了大门,他们在 2000 年代初前后一起发表了一些很精彩的论文。他们提出,在这种深海热液喷口中,它并不像黑烟囱那样,烟囱顶上滚滚冒烟,而是像一块矿化的海绵,布满孔隙,这些孔隙的结构与细胞相似。
早期海洋是酸性的。而从这些喷口里流出来的是碱性流体。整个系统中存在着混合。你至少可以想象,这里有一个孔隙,它的大小和形状有点像一个细胞。在外面,酸性的海水渗入;在里面,是这些热液流体。所以你有了一道屏障,有了内部和外部,而且外面有更多的质子涌入,有可能驱动做功。这与细胞的结构非常相似。
另一点是,这些矿物是什么?你有这些含有矿物的矿化孔隙。我们认为,早期地球上的这些矿物中含有大量金属,比如硫化铁、硫化镍之类的东西。这一点之所以重要,是因为植物细胞,以及自养细菌所做的事情,就是把 CO2 和氢气放在一起让它们反应,制造出生命的所有基本构件。植物从水(H2O)中获取氢,它们把 H2 从水里取出,把氧气丢弃,氧气于是积聚在大气中。但细菌常常是这样:热液喷口里有氢气冒着泡涌出来。它们直接取用气体形态的氢,让它和 CO2 反应,制造出生命的所有基本构件。
它们用来做这件事的是哪些酶?它们常常使用的正是你在早期海洋里会发现的那些金属,镍和铁等等。它们是如何驱动氢与 CO2 之间的反应的?它们利用的是这种膜电位,即电势,也就是外侧与内侧之间的质子差异,来驱动这项工作,实际上就是为氢与 CO2 之间的反应提供动力,从而生成有机物并推动生长。
这一切在我出现之前就已经有了。它来自迈克·拉塞尔和比尔·马丁。细节还非常不确定。你究竟能不能真的以这种方式驱动任何生物化学反应,也非常不确定。但这是个令人兴奋的想法,因为它让地质环境与我们所知的细胞之间有了连续性。如果它真的是这样出现的,那它就能说明:“这就是细菌的膜上为什么带有这种电荷”,因为从一开始,它在热液喷口中就存在了。它从最初就一直在驱动做功。这也是为什么到最后,导致真核生物出现的那次内共生能让你摆脱在膜上产生电荷的限制。现在你在真核生物中把它内部化了,于是你就可以自由地变得更大、更复杂。
你已经从思考一个关于真核生物为什么特殊的谜题,走到了思考行星系统和生命起源。什么样的力量会产生生命,这会如何约束生命,我们在其他行星上会看到同样的东西还是不同的东西?这样运作的根本原因是什么?这真的就变成了天体生物学。从我自己的背景出发走到这一步,是一种令人兴奋的视角转变,我的背景曾经是线粒体生物学,还有器官移植,在针尖上打转,到头来却在研究生命起源。这太棒了。
§03早期生命与地球地球化学的连续性
太有意思了。为了我自己和听众的理解,让我们复述一下,把这里的内容拆解开来。在这些孔隙中,你有了细胞的类似物。有某种东西能让这些有机物聚集积累,使它们不会全部扩散到某个巨大的原始汤里。这就是你认为这件事不是发生在某个原始湖泊的原因。它必须集中在某种实体之中。然后你有了化学渗透梯度,也就是质子梯度,它驱动做功。具体来说,它有利于固定二氧化碳,以推动它与氢气的反应来制造有机物。然后,沿着这层膜,你有催化剂,基本上就是早期的酶。你有酶,有细胞,有质子梯度。
这个故事是说,你先用 CO2 和 H2 制造出非常简单的有机物,然后这些简单的有机物再被催化,生成越来越复杂的有机物,长话短说,就是代谢、脂肪酸、核苷酸,以及其他一切。
基本就是这样。让氢气和 CO2 反应,你会得到什么?你会得到所谓的克雷布斯循环中间产物。也就是羧酸,这些小分子只由碳、氢、氧构成,末端带有这种有机酸基团,碳链可以是 2、3、4、5 个碳单位。这就是你的基本构件。给它加上氨,你就得到氨基酸。再加上更多的氢,你就会得到糖。让氨基酸与糖反应,你就会得到核苷酸。这中间有很多步骤,但这是生物化学中一切生物合成的基本起点。
然后,如果你制造出脂肪酸,由于它们不同两端具有亲水性上的差异,它们就会自发地形成一层膜。
正如我说的,克雷布斯循环中间产物是短链羧酸。脂肪酸则是长链,链上有 10、12、15 个碳,而不是四五个。它们会自发地……通常不是单独存在,而是如果与它们混在一起的还有其他长链烃,那么你就会自发地形成双层膜。我们在实验室里做过这件事,而且相当稳健。你可以在 70 到 90 摄氏度、pH 值从大约 7 到大约 12 的范围内,并且在钙、镁等离子和其他盐存在的情况下制造出这些东西。
你得到一个周围包着双层膜的囊泡,它和细胞膜是一样的。它们是动态性惊人的东西。它们总是在彼此融合,又分裂开来,裂殖成两个或三个。在显微镜下,它们非常有动态。
你本来可能会设想,生命是一个类似弗兰肯斯坦的时刻,东西被电击之后活了过来,于是你就有了生命。
我很讨厌这种想法,不过你继续说。
是啊,但那就是另一种说法,闪电的一击制造出这些有机物,等等。而在这里,你有这样一个故事:你看到的每一种生命形式,都与某种东西连续,而那种东西又与另一种东西连续,最终与完全自发的化学反应连续。这是思考生命演化的一种非常有趣的方式。
一个细胞内部实际上是还原性的,也就是说它里面有电子。外部则相对是氧化性的。你把所有这些质子泵出去,所以外面是酸性的,里面是碱性的,而且里面是还原性的。这就像地球一样。所有的电子都在地核和地幔的铁里。地球内部相对是碱性的。这就是为什么这些喷口中会有碱性流体。外部则相对是氧化性的。海洋里有着所有的 CO2。
细胞是一块小电池,与地球有着相同的结构。如果你看一个热液系统,看地球周围的细胞膜,地球的地壳就像是那层膜。内外之间有物质往来的地方,就是热液系统。这些热液系统中的孔隙,同样是小小的类细胞实体。你会在多个尺度上不断看到同样的这种……地球是一块巨大的电池,它产生出一个个小小的、活的、类似细胞的微型电池,这个想法相当美。你不能让自己过分执着于一个比喻,但这是一幅美丽的图景。
是的,百分之百同意。基本上就是把地球看作一个巨大的细胞,然后从热液喷口那里,有一个小气泡冒了出来。
冒出了许多个地球的副本。
这个理论太迷人了。我想弄明白的是,生命如今的运作方式中,哪些部分是偶然的,而哪些即使在另一颗行星上发现生命,你也预期是共有的?听起来你的意思是,碳这种化学特性,就是构建生命的显而易见的候选者。质子梯度呢?有没有别的办法来建立这些驱动做功的化学渗透梯度?我们还有其他的化学体系。
原则上可以,你可以用钠离子代替质子,但那非常不同。如果你从二氧化碳出发,首先要认识到的一点是,碳极其擅长它所做的那种化学反应。它能与各种分子形成非常强的键,所以你可以形成复杂而有趣的分子。我把 CO2 看作一块乐高积木,你从空气中取下它,把它接到某个东西上。这样你就可以一块积木一块积木地搭建东西。然后,通过这样做,你就能搭建出像 DNA 和 RNA 这样真正有趣而复杂的分子。
用硅你做不到这一点。有了智能设计,你可以做出非常复杂的 AI 机器人,不管是什么,但整件事都需要人类来完成。可如果你在思考生命如何在一颗没有智能设计者把一切拼装起来的行星上起步,你就需要能够进行这种化学反应的分子,而 CO2 是其中最突出的例子。
水无处不在。氢、氧,这些都是宇宙中非常常见的元素。所以你会在各处不断得到同样的化学反应。我们知道,根据近年来对系外行星的发现,如果你外推我们尚未观测到的数量,仅银河系中潮湿的岩质行星或卫星的数量,大概就在 200 亿、300 亿、400 亿这个量级。
你觉得其中有多大比例会存在非真核生命?
我来冒险猜一下。我预计,如果一颗潮湿的岩质行星上具备这些相同的条件,你就会产生同样的喷口,因为发生的是同样的化学过程。
所以在你看来,连这些喷口也不是偶然的?
不是。这些喷口是由一种叫橄榄石的矿物产生的,橄榄石在星际尘埃中非常常见。地球的地幔就是由这种叫橄榄石的矿物构成的。它会与水发生反应。它与水反应的速度很慢,如果你把一块橄榄石放进一桶水里,你看不到什么变化。但如果面对的是海底的压力和较高的温度,你就会在碱性流体中产生大量的氢气。
这就是这些热液喷口。任何潮湿的岩质行星都会产生这样的喷口。在火星早期有海洋的时候,有证据表明火星上存在这样的喷口。现在在一些卫星上也有证据,比如冰卫星土卫二和木卫二。这些现在就在我们自己的太阳系里发生着。
如果有 200 亿到 300 亿颗类地行星,而且假设只要它们都有这些岩石构造,其中很大一部分就有这些喷口,那么你的看法是,其中相当比例的行星上有生命,而且这些生命也以……
我的看法是肯定的。任何潮湿的岩质行星都会有相当……
用同样的代谢方式?
是的。如果你从 CO2 和氢出发,我想说的是,这种代谢是热力学上有利的化学过程。这同样的化学反应会继续发生,因为如果你让氢与 CO2 反应,再与另一个 CO2 分子反应,分子上哪些部分会发生反应是相当可以预测的。
这可能是个天真的问题,但有什么理由认为不存在能导向不同代谢方式的其他化学体系呢?
也许在非常不同的条件下,你最终可能得到……但如果你面对的是本质上相似的条件……另一点是,我们知道,即使化学过程非常不同,你最终得到的仍是一组相似的分子。你在陨石上看到的那类有机物,其中发生的是截然不同的化学过程。你面对的是氦自由基,但你仍然看到氨基酸,仍然看到核碱基等等。这些分子基本上是稳定的,往往在很宽的条件范围内都能形成。
所以是 200 亿颗有水和这些岩石的类地行星。
不一定是类地行星,而是潮湿的岩质行星。
如果你必须凭空报出一个数字,说“有这个比例的行星拥有核苷酸”,你会说是多少?
我会说是相当大的一部分。
比如超过 1%?
是的。我想大概是 50% 左右。
真的吗?
你说凭空报个数字。我正是照你说的在做,凭空报一个数字。我认为这种化学过程会一再地给你同样的核苷酸。
再说一次,我知道我们只是在闲聊。但按照这个故事,相当复杂的有机物在整个宇宙中极其丰富。
这并不是说它们会以高浓度汇集在海洋里。热液喷口里有的是持续不断的贯通流动。在这个喷口内部的小袋腔之中,在这个喷口的孔隙之中,附着在孔壁上,基本上就在类似细胞的结构里。所以在一个喷口系统内部,最终可能会有很高浓度的物质,但不一定存在于海洋、大气或其他任何地方。
那我猜你可能会有原核生物直接接管一切。我们确实有过这样的情况,它们在海洋中大量繁殖,改变了大气的成分。
不只是大气,还有整个地质。数以百计的矿物基本上都是生命的产物。
所以你的看法是,如果真核生物是根本性的瓶颈,那么从地球化学到早期生命,这一步很容易。通过早期的原核生物改变地球的整个成分,这一步也很容易。如果这两件事都很容易,而银河系中有 100 亿颗行星走到了中间这一步,那是否意味着有大约 100 亿颗行星……
从核苷酸出发,你接着还得走到 RNA、DNA、核糖体和分子机器。所以这里还有很长的一段差距。因此,仅仅有核苷酸,只是想要再往前走的一个必要条件。
明白了。同样地,如果你必须凭空报个数字,有多大比例的行星完成了这一步?
嗯,显然是更低的比例。
超过十亿颗吗?
我愿意保持乐观。我愿意认为,这些过程会在相当大比例的这类行星或卫星上推动生命产生。我预计遗传密码会有相似之处。我预计许多代谢看起来会很相似。我预计它们会有驱动做功的膜电位。因为只要你面对的是 CO2 和氢,你就面临同样的根本问题:你如何让它们发生反应?
那么银河系中有数亿颗行星,大概拥有类似核糖体、DNA 和 RNA 的东西?
是的,这是我自己的想法。我们谈论的是强大的行星驱动力在推动相当确定性的化学过程,它会给你同样种类的中间产物,这些中间产物会有同样种类的化学反应、同样种类的反馈。它们会把事物推向相似的方向。当然,从 CO2 固定走向遗传学的距离越远,相似性就会越低。
这不是我的倾向,但如果我是个敬畏上帝的人,我听到这些会想:“哇,这是对智能设计的证明。”宇宙的法则就是如此强烈地偏向这种导向生命的化学过程,至少按照这个故事来看是这样,以至于很难抗拒这种构想。我很好奇你对此的解读。
我同意你的说法。我觉得这几乎有点令人不安。我得说,我自己也不是一个有宗教信仰的人,但我并不反对宗教。我完全不是什么激进的无神论者。我喜欢宗教曾寻求意义、曾追溯起源这一点。我对这种探索,以及某种意义上的真理(就我自己而言,是小写的真理),有一种同道之感。
但就这与上帝的观念相一致而言,这个上帝会是一位自然神论的上帝,他实际上只是让宇宙的法则运转起来,然后任其自行展开。这是爱因斯坦的上帝。就大多数人所理解的上帝而言,大多数人是在上帝那里寻求慰藉,是在寻找对他们有意义的、并且曾介入人类事务的存在。而这是一种非常冷冰冰的“作为热力学的上帝”,他让宇宙法则运转起来,可重复地产生同样种类的事物。是的,你可以用一种自然有神论的方式来解读它,但我不认为有多少人能从这种看待世界的方式中获得那么多慰藉或意义。
§04真核生物是智慧生命的大过滤器
一个很基本的问题:如果生命在所有这些岩质行星上不仅丰富,而且几乎是必然的,那么我们之所以没有到处看到外星人,瓶颈大概就在于通往复杂性的真核生物。
瓶颈不止一个,但在我自己看来,真核生物是最大的那一个。
那就必然是这样:在数十亿颗有可能产生真核生物的行星中,只有地球上发生了这一偶然事件。
我不会这么主张。只有地球?不,我不这么认为。我要稍微坚持的一点是,有一种卡尔·萨根式的宇宙学观点。我们谈论的是,按照这些化学和热力学定律,生命几乎必然会出现,于是你就有了生命。那么,它接下来是否就会一路发展下去,必然产生复杂生命、人类和智能?
这是一个美好的想法。如果宇宙就是这样运作的,那会很可爱。但我们在地球上所知道的是,先有 20 亿年的停滞,然后是这个明显独一无二的事件,真核生物出现了,接着又是一段漫长的间隔,才出现动物。如果你把时钟倒拨 200 万年,那时也还没有人类。我们只是锦上添花的糖霜。
为什么要成功完成这样的内共生事件据说如此困难?
原因有多个。其中之一是,原核生物,我们应该说古菌和细菌,是相当小的东西。在自己体内容纳另一个细胞,本身就已经很难做到。细菌中偶尔有能吞噬其他细胞的吞噬细胞,但这相当罕见。一旦这些细胞进入了你体内,这种情况可能已经发生过很多次。有一些初步的证据表明,古菌身上就发生过这种事。有一个很好的例子:嗜盐古菌似乎从同一来源获得了一千多个细菌基因,这意味着它们也许曾获得过一个内共生体,后来又失去了。
问题是,这种情况有多常出问题,让你失去你的内共生体?我猜那会是更可能的结果,也就是你拿到了一批基因,却失去了内共生体。它就是行不通。
很难确切知道这里所有的瓶颈是什么。但已经有一些建模工作,来研究如果你获得了一个内共生体,你在没有内共生体时会长得更快,还是有内共生体时会长得更快?而如果你是那个内共生体,你在外面会长得更快,还是在里面会长得更快?在这些人于圣塔菲研究过的大多数条件下,答案是,不成为共生关系的一部分,你的表现更好。只有在某些特定条件下,你才会表现得更好。所以可以预见,最终的结果就是行不通。
考虑到细菌和古菌的数量如此之多,在地球的整个历史上,有数万亿、数万亿、数万亿个这样的生物在到处跑,有很多情况下发生过内共生,却只有一次成功。这个概率一定低得惊人。它一定极其、极其困难。
这是一种生动的看待方式。我们知道细菌和古菌是什么样子,人们一直在研究这些东西,并不断发现新的例子。十年前发现了一个类群,叫作阿斯加德古菌,它们相对来说比较像真核生物,也就是说,它们体内有一些蛋白质和基因,与真核生物的相当相似。它们是有意思的细胞。它们有长长的突起,可能还能在细胞内部移动囊泡。所以它们在做一些真核生物式的事情。但如果你看它们的内部结构,并不是很复杂。完全不像真核细胞。如果你看它们的基因组大小,那是标准的原核生物基因组大小。大约是四五千个基因。所以无论怎么想象,这些都不算是真核生物。
然后你再看真核细胞。我一开始就说过,你在显微镜下看植物细胞、动物细胞、真菌细胞,或者藻类、阿米巴,它们都有同样的东西,这很奇怪。为什么一个生活在海洋里的单细胞藻类,会拥有和我的一个肾细胞一模一样的全套装备?理解这一点最简单的方式是说,它不是对外部环境、对某种生活方式的适应。它是对内部选择压力的适应
如果你把它看作宿主细胞与内共生体之间为了找到共同生活的方式而展开的一场较量,你可以论证细胞核的出现,是因为有各种各样的遗传寄生体从线粒体中冒出来,迫使你采取措施保护自己的基因组。所以你可以构建出这段所谓真核生物起源的历史中的很大一部分。你从内部带有一个细胞的简单细胞开始,最后到处都得到了同样的细胞结构,所有这些内膜系统以及其他一切。
我们想要理解的更宏观的问题是,如果这个故事是真的,那么生命就无处不在。但真核生物进而产生了即将去探索宇宙的智慧生命,而据我们所知,这只发生在我们光锥内的一个地方。那这是为什么呢?你可以说:“瓶颈在于真核生物,要获得一次能够长期延续的成功内共生是非常困难的。”但这解决的根本问题究竟是什么?
是大基因组。要拥有一个多细胞生物,让它实际上源自单个细胞,这就限制了所有细胞之间互相争斗的可能。比如,有很多多细胞黏菌的例子,细胞会聚集在一起。它们可以形成比如柄状的结构,把孢子散布到环境中,但它们会互相争斗,因为彼此的基因不同。所以,你从单个细胞开始发育,细胞之间的基因冲突就比它们聚合在一起时要少。
但这就意味着,如果你想要有复杂的功能,比如让肝脏做一件事,肾脏做另一件事,大脑又做别的事,那么所有细胞都必须拥有相同的基因。你在肝脏里表达这一批,在大脑里表达那一批。所以你必须有一个大基因组。而拥有大基因组的唯一办法,就是拥有线粒体,拥有真核细胞。多细胞细菌还没有任何一个例子达到这种复杂程度。
这很有意思。你需要大基因组的原因,就是把所有鸡蛋放进同一个篮子里,这样身体里的每个细胞都有动力让生殖系延续下去。
你是在限制争斗的程度。
我想说的是,真核生物解决的是大基因组的问题。它让细胞能够变得大得多。为什么我们如此确信,这是解决这个问题的唯一办法?看起来,如果有数十亿颗行星已经走到了这里的前一阶段,难道它们当中就没有一颗能找到线粒体之外的另一种方案,让自己变大吗?
这简直令人难以置信。我明白你的想法。
这让我有点怀疑,是不是因为我们只观察到了一种解决方式,就假定解决这个问题只有一种办法。这个问题本身似乎并不……你只是想要一份更小的基因组副本,放在呼吸作用发生的位置旁边。这就是基本的问题。就没有别的办法来解决吗?
也许有,但我认为我们必须看某些事情发生的概率。如果你想要一个巨型细菌,地球上其实有一批巨型细菌。至少有六七个彼此相当无关的不同物种演化出了巨大的体型。它们的共同点是都具有所谓的极端多倍体性,也就是说,它们字面意义上拥有数以万计份完整基因组的拷贝。所以基因组本身可能很小,我们说的是 300 万碱基对的基因组,也就是大约 3000 个基因。而你有数以万计份拷贝。有时最大的那些有 70 万到 80 万份完整基因组的拷贝。复制所有这些基因组并表达它们所需的能量是巨大的。
在内共生中,我们仍然有极端多倍体性,但我们已经把所有不需要的基因都削减掉了。共生在本质上是建立在互补性之上的。有一个共生体为宿主细胞做某件事,而宿主细胞向内共生体索取或回馈某些东西。所以这是一种建立在相互需求之上的关系。其中一方变得小得多,这就让另一方得以变得大得多。
所以共生是可以做到的。当然,建立共生也许有多种方式,但目前没有这样的例子。所有这些非常大的细菌的例子,它们都具有极端多倍体性。没有一个演化出了复杂的运输网络,即你把东西摄入进来,再运送到那边去。它们就是没有足够的遗传空间。
不过为了确认我是否正确理解了这个“功能需求”,基本上就是:你想要一份更小的、只与呼吸作用相关的基因组副本,分布在整个膜上,而且是许多份副本分布在整个膜上。我只是觉得,我很难……
你觉得同样的事情会重复发生,这让你难以置信。是的。
在数十亿颗行星上,就没有别的办法来解决这个问题吗?因为如果还有别的办法,那么你会预期,一旦走到原核生物的阶段,只要它们能朝着复杂性的方向推进就还有其他生态位可以占据,这个问题总会以某种方式被解决,然后你就会有真核生物,再然后是智慧……
我想说几点。第一,有一条叫作奥格尔第二定律的说法,即演化比你聪明。当然,我不能说它不可能有别的发生方式。但如果只说“哦,演化那么聪明,宇宙那么大,总会有另一种办法”,这也是在含糊其辞。你得动动脑子,告诉我它会怎么运作。
我不能说这是唯一可能的发生方式。但我所说的是,潮湿的岩质行星很常见。它们无处不在。你会有同样的蛇纹石化过程。你会有 CO2。你会有相似的生物化学。你会产生膜上带有电荷的细菌细胞。这就约束了它们,而在地球上我们所知道的每一个看似变大了的例子中,每次都有一个概率上会发生的约束。它们最终总是具有极端多倍体性,而不会发展出复杂的运输网络。
所以这并不是说每次都必然那样发生。也许有办法绕过去,但那不是一条容易的路,因为它们在地球上没有经常做到。在地球上根本就没有做到过。在地球上唯一成功的一次,就是它们演化出了真核生物。这并不是说这是唯一可能的办法。但如果你试着剖析,还有哪些替代方案?我想不出任何一个。好吧,我是有局限的。但如果你认为有一些,那就请你告诉我它们可能是什么,然后去检验它们。
我经常听到这样的质疑,这也无可厚非。因为如果我断言,宇宙中别的地方的生命也会是这个样子……我是看着《星球大战》和《星际迷航》、读着《银河系漫游指南》长大的。和任何人一样,我也喜欢宇宙中充满各种各样东西的想法。所以我并不喜欢自己所处的立场,去说“其实非常有限,你在别处会看到同样的那些东西”。
这不是我梦想拥有的立场。这只是我从对地球生命的所有了解中被迫走到的立场。当然,也许我就是错了。但如果你只是说,你受限于想象力,你错了,因为你想不出来,那就不再是科学了。那就只是想象和含糊其辞,而不是科学。
所以我是在给出理由,说明为什么从概率上看事情会是这样。我想说的是,如果你有一千颗存在生命的行星,也许其中有 999 次,生命都会是同样的样子,因为它会以碳为基础,会有水,会有细胞,会有电荷,会有氢和 CO2,你会面对同样的约束。但也许另有一次,是某种我从没想到过的、完全不同的东西,出现在非常不同的条件下。但从概率上说,碳如此常见,水如此常见,你会一次又一次地看到同样的约束。
如果相当大比例的岩质行星至少应该有有机物和细胞等等,那么感觉我们应该很快就能知道这个故事是否正确,对吧?如果这一部分最终被证实,而我们同时又没有在别处看到真核生物,那么整个图景就会可信得多。那么我们是不是即将前往几颗卫星,看看能不能在那里找到一些有机物之类的东西?
这可能还要一段时间,不过是的,我们已经知道那里有有机物。比如在土卫二,也就是土星的卫星之一,多年前卡西尼号飞掠时,有羽流从冰层的裂缝中喷出,是水,但水中溶解着有机物,还有氢和有机分子。pH 值大约是 8 或 9,这意味着,在那层据说约 5 公里厚的冰冻表面之下,有一片液态海洋。在那之下,有热液系统在产生碱性流体,使海洋变成了碱性。发生的是同样的化学过程。
所以我们知道这些羽流中有有机物。我们不知道冰层之下有什么。我确实认为,前往这些地方、钻入冰层一探究竟的动力,最终会占上风。总会有人说,我们不应该把来自我们自己星球的细菌带到那里去。来自地球的细菌很可能在土卫二这样的地方生存得极好。能知道答案会很美妙,我完全赞成探索。
请帮我理解,在这个世界里复制子是如何出现的。如果你有这些相互独立的孔隙,每个孔隙都通过自发过程各自积累自己的有机物,那么至少最初并没有共享的遗传。并不是说,如果有一个非常成功的孔隙,它就会让出现更多与它一模一样的孔隙。
想一想我所说的这些孔隙内部的原始细胞。你正在制造的有机物是自组织的。脂肪酸双层膜会形成。要产生正反馈,你真正需要的是在这个原始细胞内部制造这些有机物,并让这个原始细胞生长、复制出自己。现在,它会复制出自己,因为如果这种化学过程是确定性的,那它就是在说:这就是你会得到的化学反应。如果你靠系统中氢的压力把这种化学反应推进下去,你就会制造出两倍数量的分子,而它们会一分为二。这样你就有了两个原始细胞。所以这其中有某种形式的遗传,即它们得到相同的分子,因为实际上你只被允许这么做。
所以这个东西萌出芽来,然后落到另一个孔隙里安顿下来?
是的。
明白了。好的,懂了。这发生在这个过程中相对较早的时候?
是的。
所以复制子的兴起发生得相对较早。
我对在这里使用“复制子”这个词会有些犹豫。这些是在生长的原始细胞,我会说它们实际上是在制造更多的自己。你可以把它称为复制子,但我更愿意把“复制子”一词留给更像 RNA 的东西,这是复制子的常规用法,即你确实在复制这段 RNA 的精确序列。
我们在什么时候会走到“基因视角”,即基因是连贯的复制单位?
越早越好。也就是说,如果你有这种确定性的化学过程,它会驱动生长并产生更多的细胞,但它同时也是一条死胡同。你做不了别的任何事。你完全依赖于环境。你无法演化成更复杂的东西。在某种程度上可以,但你总会得到同样的东西。同样的环境总会给你同样的结果。
一旦你开始往其中引入随机的 RNA 片段,你就有了所谓的可演化性,也就是说,你可以开始抵抗环境。你可以开始做一些不只是由环境决定的事情。你可以演化、改变,最终离开喷口,去做别的事情。所以一旦有了基因,你就有了做几乎任何事情的潜力。
如果你有的是裸露的 RNA 片段,往往会发生的情况是,它们按复制速度被选择。它们只是不断复制自己。它们不会变得更复杂,不会开始编码代谢,只是不停地复制自己,这是一条死胡同。如果你把它们困在生长的原始细胞里,那么它们实际上就共享同一个命运。如果其中一些能让这个原始细胞长得更快,那么它们就会得到更多自己的拷贝,因为它们在这个原始细胞里面。原始细胞长得更快,复制出自己,而它们仍然与之相联。于是你就有了我们今天在细胞中所知的那种选择:复制子是基因,但被繁殖的系统是细胞。
§05线粒体是我们有性生殖的原因
你这种“线粒体优先”的观点有助于解释为什么有两种性别。也许你可以复述一下这个论证。但我很好奇,如果有一个世界,原核生物演化出了性,你认为它们大概会只演化出一种性别吗?
我来稍微展开一下,因为线粒体跟性有什么关系呢?它们与性的关系在于,实际上雌性这一性别……这甚至适用于单细胞生物,也就是配子之间没有明显差异的那些,即它们没有卵母细胞和精子之类的东西。它们产生的是小型的、会运动的配子,看起来比任何东西都更像精子。两种性别都会这样做。但根据定义,雌性传递线粒体,而雄性不传递。这是个近似的说法,并不总是成立。这条规则有例外,但在生物学中,雌性传递线粒体 DNA 是一条经验法则。
为什么会这样?有了性,你所做的就是增加核基因组中的变异,并让它接受选择,胜出者由此脱颖而出。凡是比本该有的状态更差的,都会被选择淘汰。所以你是在增加核基因,也就是基因组的变异,然后选出有效的那些。
而线粒体是以无性方式一代代往下传的。它的基因组非常小,但有多个拷贝。问题是,你如何让它保持“干净”?你如何防止它随时间退化和衰变?因为假设你有 100 份线粒体 DNA 拷贝,其中两份获得了突变,但你仍有 98 份在正常工作,那么这两个突变的代价是什么?并不大。你几乎注意不到它们。接着你又获得了另外几个突变,随着时间推移,你就会退化,这个过程叫作穆勒棘轮。基本上就是,这些突变因为被你拥有的其他干净拷贝所补偿,在一定程度上被屏蔽了,躲过了选择。
那么,你如何清除这些随时间累积起来的突变呢?答案是,你需要做的是增加线粒体基因的变异。你需要做的实际上是把所有突变体分到这些细胞里,把所有野生型分到那些细胞里。你可以通过多轮细胞分裂来做到这一点。但如果有两种性别,而实际上只有一种性别传递线粒体,就会更有帮助。你已经在进行抽样,已经在增加变异,也在增加被选择看到的程度。这关乎线粒体基因的质量。
你能帮我理解一下,为什么线粒体的单亲遗传有助于增加变异吗?
我们谈的是细胞之间的变异。假设你有 100 个细胞,它们都来自同一个亲本。如果你把自己拥有的所有线粒体原封不动地、不改变其中任何比例,直接交给单个细胞,那么它就和你完全一样。它是完全克隆的。
但如果你只取其中一小部分,比如随机取 10%,给这个细胞随机的 10%,给那个细胞随机的 10%,再给另一个细胞随机的 10%,那么随机地,这个细胞碰巧拿到了所有的好拷贝,而那个细胞碰巧拿到了所有的坏拷贝。现在你让这 100 个细胞接受选择,问它们:“你们过得怎么样?”拿到所有好拷贝的那个表现良好,它就能继续存活下去。
所以你所做的,是增加这下一代细胞之间的变异。拿到所有突变体的那些细胞会受到打击。拿到所有干净拷贝的那些则表现不错。亲本既有突变,也有干净的拷贝。但你如何把它们区分开?基本上这是抽样问题。而单亲遗传就是一种抽样。你只从两个亲本中的一个那里取线粒体。你没有把双亲都有的突变混在一起。你取的是一个子集。所以你总是在增加子代细胞之间的变异。单亲遗传给你的是一个子集。
然后还有一个问题:为什么是两种性别。我们已经解释了,为什么存在只由一个亲本传递线粒体的这个演化生态位。所以至少有两个生态位:一个是传递线粒体,一个是不传递线粒体。一旦确立了这两个,你就可以问:“为什么不是多于两种性别?”那么你可以说:“嗯,那只是在这两种之一上的重复。这两种才是根本性的。”
我的意思是,实际情况更复杂,但关于两种性别,你可以说它是所有可能世界中最糟糕的。我们先把人类抛开,以便冷静地看待它。你有这些游来游去的单细胞小生物,它们都在产生配子。这些配子彼此看起来一样,它们会像有性生殖那样融合,并把染色体排列整齐。它们在单细胞的尺度上做的事情和我们完全一样。
但有两种性别意味着,你只能和 50% 的种群交配。另外那 50% 与你是同一种性别,不会接受你的配子。如果有三种或四种性别,那你就能与更大比例的种群交配。在一些真菌中,它们仍然有两种性别,但还有交配型。有些真菌可以有 27,000 种交配型,这完全是为了异系交配。所以你几乎可以和任何个体交配。
如果你去过今天的一些大学校园,它们就在复刻其中的一部分。
变成真菌了,没错。那么从这个意义上说,两种性别是所有可能世界中最糟糕的。如果只有一种性别,如果每个人都是雌雄同体,你就可以和所有人交配。如果有三种性别,你就可以和三分之二的种群交配,以此类推。
那为什么是两种?嗯,有一个根本的区别,就是一方传递线粒体,另一方不传递。除此之外,如果你有多种交配型,仍然是一种传递线粒体,而另一种不传递。所以在这些具有所有这些交配型的真菌中,存在某种等级秩序,占主导地位的那种传递线粒体,而不那么占主导地位的那种不传递线粒体。
所以你最终得到的是非常复杂的系统。你可以想象,要强制执行这一点相当困难。事情可能出错。系统越复杂,出错的可能就越大。所以我想,从这个意义上说,为什么你最终会有两种性别?部分原因是对错误的最小化。
你有一段非常有意思的论述,说这不仅解释了为什么有两种性别,还解释了卵子和精子为什么以它们各自的方式发育,为什么它们在成熟之前经历的复制次数不同,等等。不知道我们能否复述一下。
一旦你有了这种根本的差异,即使在单细胞小生物中,也是一种性别传递线粒体而另一种不传递……雄性不传递它们的线粒体。这开始解释多细胞生物中两种性别之间的差异,以及生殖系性质的差异。
在某种意义上,男性并不真正拥有像女性那样的生殖系。在女性的生殖系中,你制造这些卵母细胞,并实际上把它们“冷冻保存”起来。你照看它们,尽可能让它们处于休眠状态,尽量保护它们免受突变,实际上就是对它们呵护备至。而男性则是大量生产充满突变的精子。遗传学家詹姆斯·克罗有一句很妙的话:“种群中没有比具有生育能力的老年男性更大的遗传健康隐患了。”
那么,为什么要一直大量生产精子呢?部分原因是你不必传递线粒体,所以你就从中解放出来,可以大量生产精子。其中有些充满突变,但很多并没有。你大量生产它们,很可能结果还不错,因为比如游得最好的那些,更有可能……这并不严格成立,但你可以沿着这个思路去想象。
但对于卵母细胞,对于卵细胞来说,你传递的是那些线粒体。你不希望在那份线粒体 DNA 中积累突变。你想尽可能让它们处于休眠,尽可能把它们“冷冻”起来。两种性别最终彼此不同的方式,很大程度上归结为你的生殖系统受到哪些约束。
我们来谈谈 Y 染色体,它同样不发生重组。正如雌性的卵细胞为了保持线粒体 DNA 的质量、防止出错,会尽量减少复制的次数,为什么 Y 染色体上没有发生同样的事情呢?精子的所有这些复制,难道不应该导致 Y 染色体上出现各种各样的错误吗?
嗯,确实如此。Y 染色体是退化的。
我要把这句话当作标题。
但有些生物已经完全丢失了 Y 染色体。它们仍然有性别,因为性别并不严格依赖于 Y 染色体。如果你看整个演化画卷中是什么决定了性别,会发现很奇怪。比如两栖动物,是由温度决定性别的。所以雄性会在比雌性更高的温度下发育,或者有时正好相反。比如鸟类的性染色体就与哺乳动物不同。所以性染色体在多个不同的场合独立演化出来。
Y 染色体在做什么?Y 染色体编码一种生长因子,这种生长因子会开启其他生长因子。在胚胎发育中,你能分辨出两种性别的最早差异,并不是 Y 染色体上 SRY 基因的激活,而是生长速率。我所在的伦敦大学学院曾有一位名叫厄休拉·米特沃赫的女士,她把整个职业生涯都用在……她在 20 世纪 60 年代发表了大约 15 篇《自然》论文。她研究的就是这类问题。她把生长速率视为共同的分母,即 Y 染色体在说:“快快长。”
为什么要快快长?嗯,部分原因是,你可以长得快。你在破坏自己的线粒体这件事上没有任何约束,因为你不会把它们传下去。所以你可以长得快。长得快可能是一种优势。如果你是雄性,你就能获得资源。你长得更快。如果你是雌性,你就不想长得那么快,因为你需要实际上把你的生殖系隔离保护起来,为下一代保存卵母细胞。在做到这一点之前,你不想破坏自己的线粒体。所以你在开始快速生长之前,有一个延迟阶段。
有意思。这就是女性寿命更长的原因吗?
厄休拉·米特沃赫认为情况正是如此。我们并不能确知这是事实。但雌性比雄性寿命更长是相当常见的,不仅在人类中如此,果蝇通常也是这样。
假设人类的演化在接下来的十亿年里继续自然地进行。没有通用人工智能,也没有人类基因编辑等等。你预期的平衡状态是不是 Y 染色体最终会完全消失,而有其他某种方式来决定性别以及与性别相关的特征?
确实存在这种情况,在一些物种中它已经完全消失了。通常保留下来的是一个导致生长速率不同的基因。Y 染色体是退化的。它丢失了大部分基因。关于穆勒棘轮,也就是在你没有性或没有任何重组时发生的退化,有两个因素会影响它。其一是种群大小。在细菌中,如果种群很小,而且它们不进行有性生殖,那么这个种群中就会积累突变。但如果种群大得多,越接近无限大的种群,它们就不会全都积累相同的突变。所以整个种群会没事。这可以追溯到几十年前的群体遗传学。
另一个在群体遗传学中较少被探讨的因素是基因组的大小。就细菌而言,如果你把它们的基因组增大到真核生物那么大,你是无法维持更大的基因组的。你会在这个基因组中积累突变,然后它又会缩小。就 Y 染色体而言,是的,它缩小了。与所有其他染色体相比,它是一条很小的染色体。关键其实在于,你能让多少个基因保持良好状态?
对于 Y 染色体,你只需要里面有几个基因。就是那个说“长得更快”的 SRY 基因,你只需要它保持功能正常。在有生育能力和不育的男性这个层面上的选择,会淘汰那些 SRY 基因失去功能的个体。这不像你有一大堆拼凑起来的突变。你完全可以让你的 Y 染色体退化到几乎什么都不剩,而你仍然能正常发挥功能。
这很有意思,因为你之前说过,同样的事情也发生在线粒体 DNA 上,它是一个很小的基因组,而且从最初被吞入的那个细菌开始,随时间不断缩小。
它从大约 3000 或 4000 个基因,减少到我们自己身上的 37 个基因。如果你身处细胞内部,就无法维持一个大基因组。正如我说的,种群大小很重要。如果你原本是一个在野外自由生活的细菌,种群有一百万个,而现在你躲进了另一个细胞里,而且那是一个小细胞,那么你的种群就只有五个。你会积累突变,却无法抵抗它们,所以你会丢失基因。因此你的基因组缩小了。这就是线粒体所发生的事。你就是无法维持一个细菌大小的基因组。
也许值得解释一下,为什么在系统性地汇集和跨基因空间并行搜索的意义上,性比水平基因转移更可取。如果性有这种优势,而细菌也有它的某种前身,那它们为什么不干脆把整套都拿到手?是不是仅仅因为它与它们的大小不相容?
我认为它们并不需要。它们做的是水平基因转移。基本上就是从环境中捡起随机的 DNA 片段。有时可能还有点阴险。你可以杀死旁边的细胞,取走它的 DNA 并装载进来。这种情况确实会发生,但大多数时候,你只是从环境中捡起一些 DNA 片段。通常是很小的片段,通常大概只有一个基因的量。只有在你有些压力的时候才会这样做。如果事情对你不太顺利,你就会捡起一些 DNA 片段,把它整合进自己的基因组,然后听天由命。对大多数小生物来说,大多数时候这不会奏效,但对其中一个奏效了,它们就会接管一切。这加快了对变化环境的适应。
它们为什么只用一个基因?这可以有两种看法。你有一个细菌大小的基因组,它相当小。如果你让基因组保持很小,你就会复制得更快。拥有一个庞大笨重的基因组,多少是一种劣势。真核生物就是这样。这是个有意思的问题:为什么你会有这么大而笨重、复制起来耗时更长的基因组?细菌是非常精简的。它们会丢弃不需要的基因,于是就能长得更快。但现在条件变了,现在你需要这个基因了。那怎么办?你把它捡回来。你就随机捡起一些基因,听天由命,捡到对的那个,然后又继续上路。
细菌的基因组很小。可以说它们的基因组很小,但有一个很大的泛基因组,也就是它们能够获取的所有基因。所以一个大肠杆菌细胞,单个细胞中可能有 3000 到 4000 个基因,但可以获取 30,000 到 40,000 个基因。
是什么让这个元基因组得以保留?为什么不是所有个体都趋同于当前环境所需的那种精简状态?
让这个元基因组得以保留的原因是,不同品系的大肠杆菌,或者其他无论什么细菌,生活在不同的环境中。你可以有生活在你肠道里的共生细菌。你可以有生活在你皮肤上的大肠杆菌,那是非常不同的环境。然后还可以有非共生的致病性大肠杆菌,它们的行为又不一样。它们的基因组可以有 50% 的差异。
所有这些事情在并行发生,它们都可以互相借用基因。这是在同一个物种之内,不管“物种”对细菌来说究竟意味着什么,它其实没有太确切的含义。这就是细菌演化的动态。它们保持着小的基因组,同时能够获取大的泛基因组,并且一直在借用、匹配等等。它们通过保持自己的基因组相当小,实际上维持了竞争力。
真核生物把这一切都抛弃了,拥有了更大的基因组。那么问题就是,如果你试图用一个大的基因组,一个真核生物大小的基因组去这样做,然后继续从环境中捡起一小段一小段的 DNA,那么你替换到正确基因的机会就会降低。
基因组越大,这种方式就越来越低效。到了真核生物这里,它们有一个大基因组。为什么它们有大基因组?我会说,是因为你获得了这个内共生体,它们变成了线粒体。现在你有了多得多的可用能量。真核生物能够容忍更大基因组的原因有很多种。但归根结底,你有了能量去用它做点什么,而这是细菌从未真正拥有过的。
现在,水平基因转移已经不足以维持这个更大的基因组了。你必须做点更系统的事情。于是你把一整个基因组拉过来,把一切对齐,在它们之间进行交换。现在它是系统性的、相互的,你就能在一个大得多的基因组中维持基因的质量。细菌从来不需要这样做。
在读你的书时,为了消除我自己的无知,我试着想出了一个类比。请告诉我它在哪些方面是幼稚的。也谢谢你今天包容我所有其他幼稚的问题。在硅谷这里,也许对我们行得通的类比,是想一想 GitHub 代码仓库。
我现在已经力不从心了。
基本上你有这样一个代码库,你有各种做版本控制的方式。通常的做法,也许可以类比于有性重组,是有人新建一个所谓的分支。在这个分支里,他们可能会对自己想修改的函数旁边的内容做一些改动。当维护者查看代码时,他们可以看到这一处原本的代码是什么。这是对这一处代码的修改,你看到差异对比,然后如果看起来合理,就可以把它合并回去。这里的类比可能就是沿着相关基因组织起来的有性重组。你看到这个等位基因,看到那个等位基因。演化在这里就是维护者,它推动其中一个走向固定。
无性繁殖,即带突变的克隆,其类比则是:你复刻(fork)了这个仓库,然后做一个随机的改动。你只是改了某个随机变量,改了一个词,改了一个比特。几乎每一次这都是有害的。而且即使它没有害处,也没有合并的功能。你有数百万个仓库,它们又衍生出数百万个别的仓库。即使其中某一个做出了某种改进,也没有任何系统性的办法把这些改进合并到一起。
听起来相当相似,是的。
最后是水平基因转移。这里的类比可能是,你有一个用来编辑网页的仓库,和另一个用来控制航空公司软件的仓库。你所做的就是,从这个网页编辑软件中随机取一段 500 行的代码,然后把它放进飞机管理软件里的某个随机位置。没有任何系统性的组织来表明“相关的功能在这里”。
有一点组织,也就是说,在水平基因转移中,你通常会把两端与你已有的某个东西相匹配。我对编程了解得不够多,给不出一个可比的例子,但实际上你捡起的会是一个在某种程度上有相似之处的模块,比如“好,它适合放进代码的这一部分”。所以你只会把它放进那里。它在那里可能有用,也可能没用,但并不是完全随机的。它被插入到一个你知道曾经有过或可能有过类似东西的位置。所以不是纯粹随机的,但你并不知道自己放进去的是什么。
那么我还是没有一个很好的直觉,来理解为什么水平基因转移不能产生与重组类似的益处。
这其实就是个规模的问题。如果你捡起一段随机的 DNA,而你的基因组大了 10 倍,那么你从环境中捡起 DNA 的速度需要多快?你得捡起 10 倍的量才行。你有能力捡起 10 倍的量吗?
这样做也有代价,就是说,和突变一样,你并不知道自己插入的是什么。它几乎可能是任何东西。你知道把它插在哪里,你把它插在了正确的位置,但那个盒子里装的是什么,你其实不知道。所以你这样做得越多,也会让自己退化得越多。这样做有成本,也有收益。
也许作为收尾,什么实验或探究方法,能给我们提供关于这个故事最多的信息?
这个故事有那么多方面,我可以给出的答案有很多种。就真核生物、巨型细菌、生命出现的可能性而言,很大程度上取决于观测。我们对外面有什么了解得还不够多。所以未必是实验。如果我断言巨型细菌总是会具有极端多倍体性,拥有多份基因组拷贝,而你发现了一个不是这样的例子,那么我的想法就已经开始站不住脚了。所以知道这一点是有用的。
对于生命起源,我真希望能想出一个令人信服的理由,让我乘潜水器下到像失落之城那样的深海热液系统去。我很想去失落之城。但问题在于,现在的海洋化学与 40 亿年前完全不同。现在海洋里充满了氧气。里面也充满了细菌之类的东西。但海洋的化学成分因为有氧气而不同。海洋里没有铁,没有镍。你可以去失落之城那样的喷口,但那里的壁已经不再是由催化性矿物构成的了。它们是由文石和水镁石构成的,也就是碳酸钙和氢氧化镁之类的东西。所以它能进行的化学反应非常不同,而且那里生活着很多细菌。除了亲眼目睹的纯粹惊叹之外,它能告诉我的东西并不多。
我们实际在做的,是在实验室里的厌氧手套箱中做实验,把氧气排除在外。这样你就可以做这些让氢与 CO2 反应的实验。我们能通过这种方式制造出生物化学中的多少种分子?这个过程缓慢而费力,得到的量很少,有时还会有污染。有时你不得不从头再来。这是缓慢的工作,但在向前推进。
也不只是我们。世界各地还有其他团队。比如约瑟夫·莫兰的团队,就沿着这些思路做了很多非常漂亮的生物化学工作。这在向前推进,但我们说的是还需要几十年,才能达到这样的水平:我们可以说,“好,我们可以推动整个代谢中的通量,而这就是能做到这一点的一组条件。”肯定还要若干年。
有一些大的关键难点,比如制造嘌呤核苷酸,这条合成途径有 12 个步骤,而所有的中间产物都不稳定,很容易分解。人们已经在甲醇之类的溶剂中做到了,也就是不是在水里。在水里,东西会分解。我们在尝试做到。这很难。我相信我们会成功,这也是我们在尝试的原因,但也许我们做不到,若是那样,那就再一次说明这个假说是错的。你每天早上醒来都得想着这个假说可能是错的。它很美,它合乎道理,但有太多美丽的想法被丑陋的事实扼杀。相信自己是对的没有任何好处。你得相信自己很可能是错的,然后仍然继续前行。
§06生物电场与意识有关吗?
我目前感到兴奋的另一件事,是关于麻醉剂和线粒体的工作。事情是这样的,我几年前从一个叫卢卡·图林的人那里听说,他向我指出,麻醉剂会影响线粒体。我之前完全不知道麻醉剂会影响线粒体。它们确实会。我们一直在对此做实验,虽然还没有完全确立,但看起来它们的主要作用确实在于线粒体。麻醉剂对各种各样的东西起作用,包括阿米巴之类的生物。这并不能证明什么,但它开始提出一个问题:如果你能让一只阿米巴失去意识,那么它在此之前是有意识的吗?
不是按我们理解意识的那种方式。我们理解意识的方式,实际上是关于神经网络、神经系统,以及人类意识的全部复杂性。那是我们主要想到的东西。但有一个可以追溯得更远的深层问题。这就是身心问题,但被戴维·查尔默斯表述为意识的“困难问题”,据我的理解,它归结起来大致是,我们不知道感受在物理意义上到底是什么。你可以理解神经网络的信息处理。但如果你感到痛苦,或者感到疼痛,或者感到爱,不管是什么,那在这个系统的化学中究竟是什么?
问题在于,你有所有这些神经网络在放电,其中一些是有意识的。我们意识到自己在想什么。而另一些,就神经元而言看起来具有所有相同的特性,它们有突触,有神经递质,会去极化,会传递动作电位,但我们对此是没有意识的。那是无意识的信息处理。所以就出现了这样一个问题:如果麻醉剂会影响没有神经网络的东西,而感受又是我们无法用神经网络来定义的东西,那么有没有可能感受以某种方式与生命有着更广泛的联系?
那么它们为什么会有联系?我思考这个问题的方式是作为一名演化生物学家。第一个问题是,我们是否认为感受是真实的?我会说是的。我们是否认为它们是演化出来的?我会说是的。我认为任何演化生物学家对这些问题都会回答是。如果它是真实的并且是演化出来的,那么自然选择就一定能以某种方式看到它并对它起作用。换句话说,它有某种物理上的东西,可以被选择。我不认为这个说法有什么争议。但如果它是物理的、真实的,并且被选择过,那么其含义就是我们应该能够测量它。它必须提供某种优势,让选择得以起作用,而如果它是物理过程,它就应该是可测量的。但我们其实并不清楚我们要测量的是什么。
然后我又回到思考:一个细菌细胞需要做什么?这只是粗略的估算式思考。我立刻想到的是代谢。细菌细胞的内部与外部世界有什么区别?内部在代谢上是活着的。它的化学过程一直在运转,而且速率是巨大的。一个细菌细胞在这种代谢中每秒大约有十亿次反应。我立刻不禁想知道,这一切是如何被控制的?你怎么让这个细胞产生连贯的行为,从而它决定“我要爬到那边去”?你甚至怎么知道自己处于什么状态?你如何让所有这些生物化学过程同步?
大多数人对此的回答很可能是某种形式的代谢调节。但那并不是真正的驱动力。归根结底,驱动力是热力学驱动力。你有多少电子?它们以食物或 NADH 或其他任何形式存在。你有多少以 ATP 形式存在的能量?正是这些东西会让反应在同一相位上同步。那里的问题是,当你处理的是分子时,你面对的是数以万计的分子,所以你有一个庞大的统计抽样,要想弄清楚是很耗时的。
但有一种更好的方式,也就是说,如果你从食物中的 NADH 取得电子,再把它们传给氧气,同时产生膜电位,并由此驱动 ATP 合成,那么你就可以测量变化速率、膜电位,以及所产生的场,即静电场和电磁场。这会让你有一个抓手,来把握自己的状态,即你相对于外部世界的代谢状态。那里的食物够不够?那里的氧气够不够?是不是太热了?有没有病毒?我有没有足够的铁来完成所有这些反应?你有所有这些潜在相互冲突的反馈回路,而你必须做出决定。
只要宽泛地想一想细菌细胞会如何行动,你就会发现自己已经在这样界定它:作为一个实体,作为一个细胞,它必须就该做什么做出某种决定。它必须整合所有这些信息,并作为一个自我、一个实体做出连贯的决定。那是自由意志吗?很可能不是我们所认识的那种意义上的自由意志,但它确实相对于其环境做出了决定,而结果是生存与否。
所以我认为,感受实际上就是由膜电位产生的电磁场,它告诉你,相对于你所处的环境,你自身的物理代谢状态是怎样的。
这引出了一个问题。如果意识在某种程度上与线粒体有关,那么线粒体在这个意义上是不是只是一个单纯的 ATP 生成引擎,而你干扰了它们制造 ATP 的方式,所以麻醉剂的作用实际上是给你造成能量亏缺,使大脑关闭?如果真是这样,那会很乏味,但如果它是真的,知道这一点会很有用。
更令人兴奋的则是:线粒体是否会产生我在谈细菌时所说的那类场,这些场在某些线粒体、某些神经元中给出关于你状态的某种指示,而麻醉剂干扰了这一点?如果这是真的,那就太神奇了。那将是一个全新的研究方向,会非常棒。场是很难测量的。而很容易测到的是一些人为假象,让你不知道自己究竟在做什么。我们需要更多物理学家来研究这个领域,做艰难的计算,我们也需要更多数据。它真的只存在于这些呼吸复合体之一,即复合体 I 中吗?我们可以做很多标准的分子生物学研究。它开始指向这样一个想法:没错,复合体 I 的工作方式中有些东西可能与产生场有关,而这又可能与麻醉剂如何起作用有关。
这只是很有趣。科学的伟大之处在于它真的很有趣。这是我一直试图传达给我实验室里的人的一点。你不能忘记乐趣。如果它变成了苦差事,那你最好离开,因为你在别处会赚到多得多的钱。你在别处会有更好的生活。但如果你真正在乎的是科学和实验,那它就必须是有趣的。你必须真心喜欢,想去做这件事。我得说,对我来说,最棒的事情之一就是它一直都很有趣。
通过读你的书,我能间接地感受到这种感觉,真的很棒。
谢谢。
对听众来说,这场对话与尼克的书《生命的跃升》(The Vital Question)关联最紧密。如果你想更好地跟上这里的论证,我推荐你读一读。那本书里有多得多的细节,会很有帮助。
其一,这是我之前对你说过的,它填补了一类书的空白,而这类书不幸地非常少。有教科书,你可以花 2000 页去学习分子生物学。但一个有好奇心的普通读者实际上不太有机会这么做。而在另一端,则基本上只是关于科学家的轶事,或关于科学史的轶事。某位发现者是多么多变无常,他是怎么经营实验室的,他的父母是什么样的。但它从不真正谈论真正相关的科学。像这样的书确实填补了解释性的中间地带。
谢谢。物理学家非常擅长写关于宇宙重大问题的书。有很多读者喜欢读一本让自己大开眼界的书,哪怕你不会全部读懂,因为你知道它很难。
我们是怎么知道大爆炸,或黑洞如何运作,或背景辐射,或者不管是什么的?对于生命,对于生命的起源,或一颗行星上生命的轨迹,以及我们是必然会得到复杂生命,还是在大多数地方都会停留在细菌阶段,这些都是宇宙尺度的大问题。很少有人写这些问题,并像物理学家经常做的那样,把你带到我们所知的边缘,然后就说:“好,这是我的看法。这是透过我的眼睛看到的问题。”你得尽量诚实,并说:“好,我是这样看的,别人看法不同。”
顺便说一句,大语言模型的存在,让阅读这样一本书的过程变得可行得多,也有成效得多。我和几个朋友组织过一个读书会。我们不是生物学家。对这个听众群体来说,我们是外行。我确实鼓励大家,对于这样的书,看看能不能组织一个读书会之类的,然后多和大语言模型聊聊,因为有一大堆极其基础的补习性化学和生物学知识,我们借助大语言模型的帮助得以梳理清楚。比如这整件事:“为什么在这种早期环境中,当一侧是碱性、另一侧是酸性时,CO2 和 H2 的反应会受到推动?”你就跟着大语言模型把补习性的化学过一遍。
是的,我在书里尽力解释了,但似乎我没有解释得很好。细节太多了,而这是无法避免的,因为问题本身就在那里。这是生物学的一个问题,它极其复杂。物理学家看着生物学,觉得它太难解释;而生物学家则有一大堆术语,常常迷失在术语里。
我发现自己天性上就爱寻找简单的共同分母。这就自然适合用来写作。我可能总是过度简化,或者也许我失败了,简化得还不够。但你得与它搏斗,努力让它行得通。能和你以及读书会里的其他人聊聊,看看你们在哪些地方读得吃力,对我来说确实很有意思。下次写书时,我会把这些考虑进去,并设法做得更好。
尼克,今天太棒了。谢谢你带我们走过补习性的生物学和化学,也带我们走过关于生命你能提出的许多最有意思的问题。
非常有趣。非常感谢。