真核細胞是如何從細菌進化而來的？主流觀點假設它是由一系列微小的進步一步步而來的，通過這種微小的進步，細菌逐步變成了一個初等的真核細胞，然后獲得了除了線粒體之外每一個現代真核生物所擁有的特征。但是這些微小的進步是什么樣的？還有，它們是如何開始這條征程并最終找到了跨越真核生物與細菌之間這最深的斷層之路的？
湯姆.卡瓦利耶-史密斯聲稱，迫使真核生物進化的關鍵步驟是細胞壁的丟失這一災難。根據牛津英語詞典，“災難”的意思是“悲慘的命運”或者“一個顛覆了事物規律的事件”。對于任何失去了它們細胞壁的細菌來說，哪個定義都是對的。大部分失去細胞壁的細菌是脆弱的，不太可能在舒適的實驗室環境以外存活太久。盡管如此，這并不意味著這種災難是罕見事件。在野外，細胞壁可能經常由于突變或者被破壞而丟失。例如，一些抗生素（例如青霉素）就是靠阻礙細胞壁的形成而起作用的。細菌為了在沖突中自保，可能會生產這些抗生素。這并不是完全不可能的——大部分新抗生素確實都是從這種沖突中的細菌和和真菌中提取的。所以，第一步，細胞壁的丟失這一災難，很可能并不是一個問題。那第二步，即存活下來并顛覆事物的規律呢？
就像我們在前述章節中提到的，擺脫掉笨重的細胞壁可能帶來很大的優勢，尤其是可以改變外形并且利用吞噬作用囫圇攝取食物。根據卡瓦利耶-史密斯所說，吞噬作用是將真核生物與細菌區分開來的典型特征。任何解決了結構支撐與運動問題的細菌，都肯定能顛覆事物的規律。但是，很長一段時間以來，在沒有細胞壁的情況下生存，看上去就像從帽子中提出一只兔子那樣的戲法一樣，（讓人難以相信）。細菌被認為是缺少內部細胞骨架的，如果是這樣的話，真核細胞必須在僅僅一代中進化出它們復雜的細胞骨架，要不就面臨滅絕。實際上，這一假說最終證明是缺少基礎的。在2001年分別發表在《細胞》和《自然》雜志上的兩篇文章中，牛津大學的勞拉.瓊斯和她的同事、劍橋大學的福斯尼塔.范德恩特和她的同事們發現，一些細菌確實同時擁有細胞壁和細胞骨架——它們就像亨利.豐達在《西部往事》中提到的那樣，系著腰帶，又穿著吊帶（永遠不要相信一個連自己褲子都不信任的人）。可是，不像豐達筆下那不愿承擔風險的牛仔，細菌確實需要兩者來保持它們的形態。
很多細菌是球形的（球菌），還有一些是桿狀的（桿菌），絲狀的，或者螺旋形的。一些奇怪的家伙甚至是三角形或者方的。這些不同的形狀擁有什么樣的優勢是一個有趣的問題。但是看上去圓形是缺省設置，任何其他的形狀都需要內部支撐。非球形細菌擁有和在像酵母、人類和植物等真核細胞中發現的微管結構相似的蛋白纖維。在每個例子中，細胞骨架的纖維都是由類似于肌動蛋白的蛋白組成的，肌動蛋白由其在肌肉收縮中的作用而為人所熟知。在非球形細菌中，這些纖維形成了細胞膜下面的螺旋結構，這很顯然是提供了結構支撐。很明顯的是，如果將編碼這些纖維的基因敲除掉，本該是桿狀的細菌（桿菌）將變成球菌。人們在有35億年那么老的巖石中發現過像是桿菌的細菌遺跡，所以，這些細胞骨架是在最早的細胞出現之后不久就進化出來的這一說法，就顯得很可信。因此，問題反過來了。如果細胞骨架一直就存在，那么為什么很少有細菌在細胞壁缺失后存活下來？我們將在第三部分回到這個話題。現在，讓我們先看看失去細胞壁的可能后果。
發現“古細菌”——缺失的一環？
僅有兩類細胞可以在缺失細胞壁的條件下得以興旺——真核細胞，以及古菌，一類不同尋常的原核生物（原核生物的細胞缺少細胞核，例如細菌）。古菌是由伊利諾斯州立大學的卡爾.伍斯和喬治.福克斯于1977年發現的，名字來源于希臘語“古老的”。實際上，大部分古菌確實擁有細胞壁，但是它們的細胞壁在化學組成上跟細菌截然不同，并且，一些類群（例如嗜好沸酸的熱原體屬）確實完全沒有細胞壁。有趣的是，像青霉素這樣的抗生素并不影響古菌細胞壁的合成，這支持了這樣一種觀點：細胞壁很可能是細菌化學武器的靶標。跟細菌一樣，古菌也很小，其典型大小是幾千分之一毫米，并且它們也沒有細胞核。像細菌一樣，它們有一條環狀染色體。另外，古菌呈現出多種外形和樣式，大概擁有某種細胞骨架結構，這一點也和細菌類似。它們被發現的如此之晚的一個原因是，古菌大部分是“極端微生物”，也就是說，它們能在最極端神秘的環境中存活，從熱原體屬所喜好的沸騰的酸浴，到腐臭的沼澤（居住著產沼氣的產甲烷菌），甚至埋在地下的油田。最后這一種古菌引起了商業界的注意，或者稱之為煩惱更確切，因為它們“酸腐”了油井——它們提高了原油中的硫含量，而這腐蝕了油井壁以及金屬管道。連綠色和平組織都想不出比這更加狡猾的破壞方式了。
古菌的“發現”是相對的，因為它們中的一些在幾十年前就被人們所知了（尤其是使原油酸化的古菌，以及產沼氣的產甲烷菌），但是它們小的體型以及缺少細胞核使它們往往被誤認為細菌。也就是說，它們好像并不是被發現了，而是被重新分類了；即使現在，一些研究者依然傾向于將它們和細菌分為一類，看作創意滿滿的原核生物中的獨特一類。但是伍斯和其他人刻苦的遺傳學研究，使大部分正直的觀察者確信，在深遠的層面，古菌確實是和細菌不同的，這種不同遠遠不是細胞壁的組成那么表面的事情。我們現在知道，大概30%的古菌基因是它們這個類群所獨有的。這些獨特的基因編碼能量代謝的方式（例如甲烷的生成），以及細胞結構（例如膜脂），這些基因從未在任何其他細菌里發現過。這些差異是如此的重要，它們足夠使科學家意識到古菌是生命的一個獨立的“域”。這意味著，我們現在應該把所有的生命分到三個大的“域”里面——細菌域，古菌域，和真核域（真核域即我們剛剛提到的，包括所有多細胞的植物、動物，以及真菌的那一類）。細菌和古菌都是原核的（缺少細胞核），而真核生物是擁有細胞核的。
盡管喜歡極端環境并且擁有獨特的個性，古菌也和細菌及真核生物分別共享一些“瓷磚化”的性狀。我故意用”瓷磚化“這個詞，是因為這些特點是是自成一體的模塊，由一簇以單元方式共同起作用的基因編碼（例如蛋白合成的基因，或者能量代謝的基因）。這些獨立的模塊像一片片瓷磚一樣拼接在一起，構建出了這個生命體的整體模式。在古菌這里，一些瓷磚跟真核生物用的那些類似，可另一些和細菌的更像。這些瓷磚看上去就像從一個裝滿細胞特性的抽獎箱里隨機選出來的。所以，雖然古菌是原核生物，但是當從顯微鏡里看過去時，卻很容易被誤認為細菌；而它們中的一些卻以一種跟真核生物非常相似的方式，把自己的染色體與組蛋白纏繞在一起。
古菌和真核生物之間的相似遠不止這些。組蛋白的存在意味著古菌的DNA并不容易接近，因此，像真核生物一樣，古菌也需要復雜的轉錄因子去復制或者轉錄它們的DNA（讀取遺傳密碼以建造蛋白質）。雖然模式更加簡單，但是古菌的基因轉錄機理的細節和真核的很類似。這兩個類群構建蛋白質的方式也有很多共同點。就像我們在簡介中看到的，所有細胞都是用一種叫做核糖體的小型分子工廠來組裝它們的蛋白質的。在生命的所有三個域里，核糖體都是非常相似的，暗示著它們擁有一個共同祖先，但是它們在很多細節方面有所差異。有趣的是，和古菌與真核生物核糖體之間的差異相比，細菌與古菌核糖體之間的差異要更多一些。例如，像白喉毒素這樣的細胞毒素能阻礙古菌和真核細胞核糖體中的蛋白質組裝，但卻不能阻止細菌的。像氯霉素、鏈霉素和卡那霉素這些抗生素能阻礙細菌中的蛋白質合成，但是卻不能阻止古菌和真核生物的。這些模式上的差異可以用它們合成蛋白質的啟動步驟以及核糖體工廠自身結構的差異所解釋。與細菌相比，真核生物和古菌的核糖體擁有更多的共同點。
所有這些意味著古菌很接近我們一直想要尋找的細菌和真核生物之間那缺失的一環。古菌和真核生物很可能擁有一個相對較近的共同祖先，因此更應該被看做“姐妹群”。這好像支持了卡瓦利耶-史密斯的這一觀點，即，古菌和真核生物的共祖失去了細胞壁這一事件，很可能正是稍后驅使真核生物進化的那災難一步。最早的真核生物可能看上去有點像現存的古菌。有趣的是，盡管如此，到現在也沒有任何一種古菌學會了真核生物那種改變外形吞噬食物用來謀生的技能。相反，古菌并沒有像真核生物那樣發展出可變的細胞骨架，而是發展出了非常堅固的膜系統，依然像細菌的那么僵硬。所以，要成為“真核”的話，就要比缺少細胞壁做的更多一些；但是，可能是僅僅改變生活方式就行的嗎？遠古的真核生物僅僅是缺少細胞壁，并將它們已有的細胞骨架修改成一種更加活躍支架，從而使它們可以改變外形以吞噬作用攝取成塊的食物的古菌嗎？這有可能是它們為什么獲得它們的線粒體的唯一原因嗎——它們僅僅是吞掉了線粒體？以及，如果是這樣的話，是否可能存在一些活化石，它們從線粒體時代以前就隱匿在不為人知的角落里？也就是說，存在這樣和古菌擁有更多特征的原真核生物的遺存嗎？
源真核生物——沒有線粒體的真核生物
根據卡瓦利耶遠在1983年提出的理論，一些現存的簡單單細胞真核生物確實像是最早的真核生命。有超過一千種原始真核生物確實沒有線粒體。盡管它們中的大多數很可能僅僅是因為它們不需要線粒體，而在之后丟掉了它們（進化往往快速拋棄不必需的特征），卡瓦利耶提出，至少這些物種中的一小部分可能是“原本就沒有線粒體的”——也就是說，它們從來沒擁有過線粒體，而是在真核融合事件時代之前的遺存。為了生成能量，這些細胞中的大部分依賴于跟酵母一樣的發酵作用。盡管它們中的一些可以耐受氧氣，但大部分在氧氣水平非常低甚至完全無氧的環境中才能生長的最好，它們現在都在低氧環境中生存著。為了表達它們的遠古血統，以及它們和動物類似的清道夫式的生活方式，以及它們和古菌的相似性，卡瓦利耶-史密斯將這一假說中的種群命名為“源真核生物”。我僅能對這一容易引起的混淆表達抱歉。古菌是原核生物（沒有細胞核），生命的三域之一，而源真核生物是從來沒有擁有過線粒體的真核生物（有細胞核）。
譯注：英文中古菌（archaea）跟源真核生物（archezoa）的非常近似，所以作者說很容易引起混淆。archaea翻譯為古菌已經基本確定了，archezoa的翻譯貌似還沒有定論（并且由于其劃分地位幾乎被否定了，所以可能只能作為一個扔進歷史垃圾桶的歷史名詞，而不會有正式翻譯了。）如果為了使該段文字不至于引起讀者困惑，archezoa翻譯成“古真菌”可能比較貼切一點？
跟任何優秀的假說一樣，卡瓦利耶-史密斯的假說也顯然是可以被基因測序技術所檢驗并獲得成果的——這是一種可以精確的獲得基因的遺傳密碼的技術。通過比較不同真核生物的基因序列，是可能確定不同物種各自之間血緣關系的遠近的——或者反過來，它可以確定源真核生物跟大部分“當代”真核生物的關系到底有多遠。這一推理簡單合理：基因序列包含上千個“字母”。對于任何基因來說，這些字母的序列隨著時間的推移因為突變而緩慢變化，從而丟失或者獲得某些字母，或者一個字母替換了另一個。因此，如果兩個不同的物種擁有同一個基因的拷貝，那么這兩個不同物種的這些字母的確切順序看上去就有那么一點不同。這些突變緩慢積累了上百萬年。雖然也需要考慮其他的因素，但是根據字母序列中突變的數目，是可以獲知這兩個版本從一個共祖那里分離后到底經過了多久的。這些數據可以用來構建表達進化關系的分杈的樹叢——即生命之樹。
如果源真核生物真的被確認是屬于最古老的真核生物，那么卡瓦利耶-史密斯就可能已經發現了他的缺失的一環——一種原始真核細胞，從來沒有擁有過線粒體，卻實實在在的擁有細胞核和活動細胞骨架，使它能夠改變外形通過吞噬作用攝食。在卡瓦利耶的假說提出后沒幾年，第一批答案出現了，它們似乎能滿足他的預測。有四群原始形態的真核生物，它們不僅僅缺少線粒體，也缺少其他大部分細胞器，通過遺傳分析確定屬于最古老的真核生物。
伍斯團隊在1987年測序的第一組基因，屬于一個小型寄生者，它不比細菌大，并且生活在其他的細胞里——實際上，它僅能生活在其他細胞里。這是一種微孢子蟲，拉丁學名V.necatrix。作為一個種群，微孢子目是以它們感染性的孢子命名的，它們全部都充滿突出的卷曲微管，通過這些微管，孢子伸出插入到一個宿主細胞中，然后它們復制自身以開始一輪新的生命循環，并最終產生更多的感染性孢子。可能最為人們所熟知的有代表性的微孢子目是小孢子屬，它們因為能引起蜜蜂和蠶的流行病而聲名狼藉。當在宿主細胞中進食時，小孢子屬的行為就像一個微型阿米巴原蟲，四處游動，利用吞噬作用攝取食物。它擁有細胞核，細胞骨架，以及一些細菌模式的小的核糖體，但是沒有線粒體或者其他任何細胞器。作為一個類群，微孢子目能感染真核生命樹的許多分支中多種多樣的細胞，包括脊椎動物、昆蟲、蠕蟲、甚至單細胞的纖毛蟲（以它們小小的毛發狀用來捕食和移動的“纖毛”所命名）。既然所有的微孢子蟲都是寄生者，僅能在其他真核細胞中生存，那它們肯定不能代表最開始那個真核生物（因為他們要是最開始那個的話，它們去感染誰呢？）但是它們能感染的生命的多樣性，暗示著它們的共同祖先能追溯到真核生命樹的根部。這一推論看上去能被遺傳分析所確認，但是我們將要看到，這里另有蹊蹺。
在接下來的幾年，其他三類初始真核生物的古老地位被遺傳分析所確認——變形蟲門，后滴門，以及副基體門。所有這三類都以寄生而聞名，但自由生活的生命形式也依然存在，也許它們比微孢子蟲更加接近最早的真核生物。作為寄生者，這三類生物引起了眾多的痛苦、疾病與死亡；這些令人生厭的威脅生命的細胞竟然可能是我們最早的祖先，這是多么的諷刺。變形蟲門的最佳代表是痢疾變形蟲，它們能引起變形蟲性痢疾，癥狀包括腹瀉、腸出血以及腹膜炎。這些寄生者在小腸壁上挖洞以進入血液循環系統，然后感染其他器官，包括肝臟、肺以及腦。時間長了，它們能在這些器官形成巨大的囊腫，尤其是肝臟，每年在全世界范圍內造成高達十萬例死亡。另外兩類沒那么致死性，但卻同樣臭名昭著。最有名的后滴門生物是蘭博氏賈第蟲，這是另一種腸道寄生蟲。賈第蟲并不侵入小腸壁，也不進入血液系統，但感染了它依然使人完全高興不起來，任何不小心喝了被感染的溪流里的水的游客都知道這種代價：腹瀉以及帶著臭雞蛋氣味的腸脹氣往往會持續數周甚至數月。關于第三類，副基體門中最有名的是陰道毛滴蟲，在能引起性傳染病的微生物中，盡管它危害最輕，卻是最流行的一種（盡管它產生的炎癥可能增加患如艾滋等其他疾病的風險）。陰道毛滴蟲主要靠陰道性交傳播，但也能感染男人的尿道。在女人身上，它能引起陰道炎，并使之流出令人反感的黃綠色液體。總而言之，這些邪惡祖先的檔案正好證明，我們能選擇朋友，卻不能選擇親戚。
真核的演進
盡管引起了這么多的不快，源真核生物卻符合那些在獲得線粒體之前的初始時代的幸存者——原始真核生物的特征。遺傳分析確認，盡管它們整潔的形態與早期簡單的依靠吞噬作用攝取食物的清道夫生活形式相符，但它們確實在進化的很早階段——大概是20億年前——就跟大部分當代真核生物分化了。大概是這樣吧：在20億年前的一個晴朗的早上，這些簡單細胞的一個表親吞噬了一個細菌，卻不知道為什么沒能消化掉它。這個細菌在這個真核體系中生活并分裂繁殖。無論最開始這一事件帶來了什么優勢，它都形成了這種最終取得成功的親密聯系，這一嵌合細胞最終衍生出了當代的擁有線粒體的真核世界——所有的植物、動物以及真菌。
根據這一復盤，這一融合事件帶來的最開始的優勢可能和氧氣有關。這一融合事件發生的時間正是空氣和海洋中氧氣濃度開始升高的時候，可能這并不是一個巧合。一波大氣中氧氣水平的大幅提升確實發生在大約20億年前，這可能源自一次全球冰川期——“冰雪地球”。這一時間線和真核融合事件高度吻合。現代線粒體需要利用氧氣在細胞呼吸作用中消耗糖類和脂類，所以，線粒體是在當氧氣水平正在升高的某個時間點形成的這種說法就完全沒有問題。作為一種能量生成方式，有氧呼吸比其它形式的呼吸作用效率要高得多，其它呼吸作用是在無氧條件下來生成能量的（即無氧呼吸）。那么也就是說，高級能量生成方式不太可能是最開始的優勢。一個生活在另一個細胞中的細菌完全沒有理由會將其能量傳給它的宿主。現代細菌完全將能量用于它們自身，絕不會將能量無私的傳給臨近的細胞。因此，盡管對于線粒體的祖先來說，這里有一個明顯的優勢，即它們能更容易獲得宿主的營養；但對于宿主細胞來說卻沒有顯而易見的好處。
也許最開始的關系就是寄生——這是由林恩.馬古里斯首次提出的一種可能性。一個1998年發表在《自然》雜志上的由瑞典烏普薩拉大學西夫.安德森的實驗室做出重要研究表明，能引起斑疹傷寒的一種寄生細菌普氏立克次體（Rickettsia prowazekii）的基因，跟人類線粒體的基因關系很近，提出了最初的被吞噬的細菌可能是一種跟立克次體差不多的寄生者的可能性。即使最初入侵的細菌是一種寄生者，只要它的不受歡迎的客人沒有使宿主細胞虛弱致死，這種不平衡的“合作”關系也可以存續下去。隨著時間的流逝，現在大部分的感染都變得毒性越來越小，因為寄生者也可以從保證它們的宿主存活中獲益——它們不必在每當宿主死亡的時候去尋找一個新家。像梅毒這樣的疾病在過去幾個世紀里已經變得越來越低毒了，另外，也有線索顯示同樣的衰減已經在艾滋病毒身上發生著。有趣的是，這種隨著世代的衰減也同樣發生在像變形蟲這樣的阿米巴原蟲上。在這里，感染的細菌開始的時候經常殺死宿主阿米巴原蟲，但是最后會變成它們存活的必需品。被感染的阿米巴原蟲的細胞核變的跟原阿米巴原蟲互不相容，最終殺死它們，有效的推動了新種的形成。
在真核細胞這個事件里，宿主擅長“吃”，通過它的掠奪性生活方式，可以為它的客人持續不斷的提供食物。我們總被告知，天下沒有免費的午餐，但是寄生者可以直接消耗掉宿主的代謝廢棄物而不使宿主太過衰弱，這和免費的午餐也差不多。隨著時間的推移，宿主學會通過給它們添加管道口或者“水龍頭”，從它的客人那里獲得產能的能力。關系逆轉了。客人本來是宿主的寄生者，但現在它變成了奴隸，它的能量被汲取以供應給宿主。
這一劇本僅僅是幾種可能性之一，也許時間是其中的關鍵。即使能量并不是這種關系的基礎，氧氣水平的提升也仍然能解釋最開始的優勢。對厭氧生命（討厭氧氣的）來說，氧氣是有毒的——跟腐蝕鐵釘的原理一樣，它也“腐蝕”未經保護的細胞。如果客人是一種好氧菌，利用氧氣來產生自己的能量，而宿主是一種厭氧細胞（利用發酵作用生成能量），那么好氧菌可能會保護它的宿主免受氧氣的毒害——它可以像一種固定在內部的“催化轉化器”一樣，從周圍收集氧氣然后將它轉化成無害的水。西夫.安德森將之稱為“氧氣-毒性”假說。
讓我們對這一理論做個簡要概述。一個細菌失去了它的細胞壁，但是因為擁有內部的細胞骨架而存活下來，這個細胞骨架是它之前用來保持外形的。它現在跟一個當代古菌有點像。通過對細胞骨架的一點修飾，失去細胞壁的古菌學會了利用吞噬作用進食。隨著它越長越大，它將它的基因們用一層膜包裹起來，從而發展出細胞核。現在它變成了一個源真核生物，也許是個類似賈第蟲的細胞。一個這樣的饑餓的源真核生物碰巧吞噬了一個小一點的好氧細菌，但是卻沒能消耗掉它，也就是說這個細菌是一個類似于現代的立克次體的寄生者，已經學會了逃避宿主的防御工事。這兩者形成了一種良性的寄生關系，但是隨著大氣中氧氣水平的提高，這種關系開始給宿主和寄生者都提供好處：寄生者依然能得到它的免費午餐，但是宿主現在得到了更好的待遇——它從它的催化轉化器那里得到了對抗有毒的氧氣的防護措施。然后，最終，通過一個驚人的忘恩負義行為，宿主在它的客人的膜上面安裝了一個“水龍頭”，將它的能量汲取出來。當代意義的真核細胞誕生了，然后從未回頭。
這一長串的推斷是一個好的范例，即科學如何能將一堆碎片拼接成一個可能的故事然后用幾乎在每一個關鍵節點的證據來支持它。對于我來說，這整個過程給我一種必然性的感覺：它可以發生在這里，也可以發生在宇宙中的其他任何地方——任何一步都不是特別不可能的。這里僅僅有一個瓶頸，就如同克里斯汀.德.迪夫所假設的，當周圍沒有太多的氧氣時，真核生物的進化是不太可能的，但是一旦氧氣水平提升了，這就幾乎是必然的。盡管每個人都同意這個故事有非常多的假設成分，但它利用了所有已知的事實，因此被廣泛認為是可信的。接下來，對于1990年代晚期的逆轉，學界還沒有做好任何準備，事實上整個大廈僅僅在5年內就土崩瓦解。現在，幾乎每一個細節都被反駁了。但是，也許這早就有所暗示：如果真核生物僅僅進化了一次，那么一個堆疊了許多證據的故事幾乎一定是一個錯誤的故事。
大逆轉
第一塊崩塌的基石是源真核生物的“初級的無線粒體真核生物”地位。如果你還記得，這一概念意味著源真核生物從來沒有擁有過線粒體。但是當更多不同的源真核生物中的基因被測序時，那些原來被認為是真核細胞的祖先的物種——例如痢疾阿米巴原蟲（引起阿米巴痢疾的元兇）——開始讓人覺得它們好像根本不是它們類群最早的代表。該族群的其他類型的細胞看上去更加古老——但是卻擁有線粒體。不幸的是，基因年代測定法是近似的，有可能出錯，所以結果是有爭議的。但是如果估計的日期是對的，那么這一結果僅能意味著痢疾阿米巴原蟲確實有曾經擁有線粒體的祖先，因此與其說它從未擁有過線粒體，倒不如說它一定失去了它自己的線粒體。如果源真核生物被定義為一群從未擁有過線粒體的原始真核生物，那么痢疾阿米巴原蟲就不可能是是一個源真核生物。
1995年，美國國立衛生研究院的格雷厄姆.克拉克和加拿大達爾豪斯大學的安德魯.羅杰回過頭去更加仔細的調查痢疾阿米巴原蟲以看看是否有任何它曾經擁有線粒體的痕跡。確實有。隱藏在核基因組里面的兩個基因，從它們的DNA序列來看，幾乎可以確定是來自于原始的線粒體融合事件。它們據推測是從早期線粒體轉到核基因組的，然后這個細胞在之后丟掉了它曾經擁有線粒體的所有實體痕跡。我們應該注意到，從線粒體向宿主傳遞基因是很平常的事情，具體原因我們會在第三部分涉及。當代線粒體僅僅保留有一部分基因，其他的不是已經丟失了，就是已經轉移到細胞核中。由這些核基因編碼的蛋白質經常會運回線粒體中。有趣的是，痢疾阿米巴原蟲確實擁有一些橢圓形的細胞器，看上去就像是線粒體的遺骸，它們在大小和形狀方面跟線粒體都很像，而且從它們中分離出的一些蛋白也從其他生物的線粒體中發現過。
毫不吃驚的，燙手的問題傳給了另外那些被推測為原始的無線粒體類群中。它們也曾經擁有線粒體嗎？類似的研究依次進行了，到目前為止，結果是已經被測試過的“源真核生物”都曾經擁有線粒體，而在后來失去了它們。例如，賈第蟲不僅明顯的曾經擁有線粒體，而且它同樣依然留有它的殘骸，這是一種叫做微粒體的小型細胞器，它依然行使著線粒體的某些功能（不過并不是最知名的有氧呼吸）。這也許是關于微孢子蟲目最驚人的結局了。這個本來被推測為不曾擁有線粒體的古老類群，現在卻變成了根本就不是一個古老的類群——它們和高等真菌這種相對晚出現的種群的的關系最近。微孢子蟲屬表面上的古老僅僅是它們在其他細胞內寄生這種生活方式造成的假象。而事實是，它們感染了如此眾多不同的物種，不過是因為它們繁衍的成功。
然而依然有可能存在著真正的源真核生物，等待著被我們發現，現在一致的觀點認為這整個類群是一個海市蜃樓——被檢測過的每一個真核生物都擁有或者曾經擁有線粒體。如果我們相信這一證據，那么就從未存在過初級的源真核生物。如果這是真的，那么線粒體融合事件就發生在真核進化時間線的最開始階段，也許真核的誕生就是由它誘發的：線粒體融合事件是使真核生物誕生的唯一起源事件。
如果真核生物的原型不是一個源真核生物——也就是說，并不是一個利用吞噬作用攝取食物為生的簡單細胞——那么它到底什么樣呢？答案也許就躺在現存真核細胞的DNA序列的細節之中。我們已經看到，可以通過比較基因序列的方法來識別原線粒體基因；也許我們能用同樣的方法來對待從原始宿主中繼承的那些基因。這個思路很簡單。因為我們知道線粒體是和一類特殊的細菌——即α-變形菌近親的，我們可以排除任何看上去是來自它的基因，然后去看看剩下的那些來自哪里。對于剩下的那些基因，我們可以假設有些是真核所特有的——它們是在融合事件之后的20億年里進化出來的——然而有些可能來自其他地方。即使如此，至少有一小部分應該歸屬于最初的宿主。這些基因應該是從這一原始融合體的后代中一代一代傳承下來的，從那時起一點點的積累突變；但是它們應該仍然和最初的宿主細胞擁有一些相似之處。
加利福尼亞大學洛杉磯分校的瑪利亞.里維拉和她的同事就在1998年發表在《自然》雜志的一篇文章及2004年在同一雜志發表的更加詳細的論述中運用了這一策略。這個團隊將生命的三個域的每個代表物種的全基因組序列進行了比較，發現真核生物擁有兩類完全不同的基因，他們稱之為信息基因和操縱基因。信息基因編碼細胞的所有基本遺傳裝置，使它能夠復制和轉錄DNA，增殖，構建蛋白質。操縱基因編碼細胞代謝過程中的日常蛋白質，也就是說，負責能量生成和制造像脂質和氨基酸這樣的基本磚塊的蛋白質。有趣的是，幾乎所有的操縱基因都是來自于α-變形菌，可能是通過線粒體轉移的，唯一真正讓人感到驚訝的是，這些基因要比預期的多得多——看上去線粒體祖先的基因貢獻要比預期的大得多。但是最大的驚喜是信息基因的保真性。跟預計的一樣，這些基因來自古菌，但是它們跟一個意想不到的古菌群體極其相似：它們和產甲烷菌最相似，這群古菌喜歡沼澤，回避氧氣，產生沼氣甲烷。
這并不是將嫌疑指向產甲烷菌的唯一一片證據。位于哥倫布市的俄亥俄州立大學的約翰.里夫和他的同事發現，真核細胞組蛋白的結構（與DNA纏繞的蛋白質），跟產甲烷菌的組蛋白非常相似。這種相似性肯定不是巧合。不僅僅是組蛋白本身的結構高度相似，整個DNA-蛋白組合的三維構象也驚人的相似。在像產甲烷菌和真核生物這種本來認為不相關的生命體內發現完全一致的結構的幾率，和在兩個競爭公司獨立生產的兩種飛機中發現同樣的噴氣引擎是一樣的。當然，我們是有可能發現同樣的引擎的，但是如果被告知它是在完全不知道對手公司版本或者原型的基礎上被“發明”了兩次，我們需要保持懷疑：我們應該推測這個引擎可能是從另一家公司買來或者偷來的。同樣的，產甲烷菌和真核生物中DNA和組蛋白的組裝方式如此相似，以至于最可能的解釋是它們從同一個祖先那里獲得了整個組裝結果——它們都發展自同一個原型。
所有這些聯系在了一起。從同一桿煙槍里盤繞出兩縷細煙。如果這些細煙是可信的，那么看上去我們從產甲烷菌中同時繼承了信息基因和組蛋白。突然之間，我們最可能的祖先不再是之前推斷的邪惡的寄生者，而變成一種更加奇怪的東西，它們現在在污濁的沼澤和動物的腸道中生存。真核融合事件的最初宿主是一個產甲烷菌。
我們現在站在這樣一個位置來思考，第一個真核細胞到底是一種什么樣的有希望的怪物——一個產甲烷菌（利用產生甲烷獲得它的能量）和一個像立克次體那樣的α-變形菌融合在一起的產物。這是一個驚人的矛盾。很少有生命體會像產甲烷菌這么討厭氧氣——它們僅能生活在世界上那些污濁的沒有氧氣的角落。與之相對的，很少有生命像立克次體那么依賴氧氣——它們是生活在其他細胞中的微小寄生者，為了適應特殊的生態位，它們已經拋棄了冗余的基因，僅僅留下那些增殖以及有氧呼吸所需的基因。其他的都沒了。所以矛盾就是：如果認為真核細胞是從一個厭氧的產甲烷菌和一個好氧細菌的結合中誕生的，那么產甲烷菌怎么能從內部的α-變形菌中得到好處呢？另外，α-變形菌又能從里面得到什么好處呢？實際上，前提條件是宿主擁有吞噬作用——而產甲烷菌卻肯定不能改變外形去吞食其他細胞——所以線粒體到底是如何進去的呢？
可能西夫.安德森的“氧氣-毒性”假說依然適用——也就是說，大口吞食氧氣的細菌從有毒的氧氣中保護了它的宿主，使產甲烷菌可以拓展新的生活環境中。但是這個劇本有很大的問題。這樣的關系對于一個以發酵有機廢物的初級源真核生物來說是成立的。如果它能轉移到任何可以發現有機廢物的環境中，那就能繁榮開來。這種清道夫細胞就像是在非洲游蕩的豺狼，搜尋廣闊的空間以發現新鮮的尸體，只不過它們是單細胞版的。但是這種游蕩生活會害死產甲烷菌。產甲烷菌和低氧環境的關系，就跟河馬與水坑的關系一樣緊密。產甲烷菌能忍受氧氣的存在，但是它們不能在氧氣存在的條件下生成能量，因為它們以氫氣作為燃料，然而在氧氣存在的條件下，氫氣是很稀少的。所以，如果產甲烷菌確實離開了它的水坑，那么它一定會挨餓直到重新回去：腐爛的有機廢物對產甲烷菌來說什么也不是——它寧可從沒離開過。因此，在產甲烷菌和需氧的寄生者的利益之間存在著一個深深的鴻溝，前者從進入一個新的生活環境中得不到任何好處，而后者在產甲烷菌喜歡的無氧環境中完全無法生成能量。
這個矛盾實際上更加嚴重，因為，就如同我們之前看到的，它們的關系不可能依賴于以可交換的ATP形式存在的能量——細菌沒有ATP出口，也從來不會慷慨的相互“喂食”。這段關系可能依然是一個寄生關系，其中細菌在產甲烷菌的內部消耗它的有機產物——但是，同樣需要面對一些問題，即需氧的細菌在產甲烷菌的內部完全無法生產能量，除非它能說服產甲烷菌離開它的水坑，即舒服的無氧環境。有人可能會想象出這樣的圖景，α-變形菌驅使產甲烷菌，像放牧一樣將其趕到富氧的屠宰場，但是對于這些細菌來著，這毫無道理。簡而言之，產甲烷菌如果離開它們的水坑，就會餓死；需氧的細菌如果生活在這個水坑，也會餓死，而折中的環境，即有一點氧氣的環境，肯對對兩者來說都很不利。這種關系看上去對兩方都是難以忍受的——真核生物穩定的共生關系真的是這樣開始的嗎？這不僅僅是不可能，簡直就是荒謬的。幸運的是，還有一種可能性，直到最近看上去都是一種幻想，但是現在，它卻越來越具有說服力。
吐槽：
1、在跟臺版校對的時候，赫然發現臺譯版把Cell and Nature翻譯成了《細胞與自然》雜志。。。怎么說呢，突然愣住了，臺版的翻譯也是學者，按理不應該不知道Cell雜志跟Cell雜志是兩個吧。。。估計是編輯的鍋？
2、翻譯拉丁學名的時候，真的是。。。無所適從。大部分都沒有正式譯名，或者有多個譯名。感覺拉丁學名最好都至少把學名放括號里。當代的物種分類經常大變，不是簡單的界門綱目科屬種的歸屬問題，而是。。。怎么說呢，知道下門是什么嗎？（不是廈門），知道亞綱是什么嗎？知道超綱是什么嗎？無所適從。
3、所以說，支序分類學抓緊發展，測序數據抓緊積累，爭取把分類學搞得天翻地覆。
4、分類學的終極目的，不就是消滅分類學么。
5、Nike大叔也真是，一章比一章字數多了。悠著點好不好？
