細菌與真核細胞之間的空白比生物學中其他任何地方的都大。即使我們勉強將細菌菌落接受為真正的多細胞生物，它們也從不能達到組織的最低水平。這幾乎肯定不是因為缺乏時間或者機遇——細菌統治了這個世界20億年，它們在所有你可以想象到的，甚至你所不能想象到的環境中都繁衍生息。而且，如果以生物量計算，它們仍然比所有多細胞生物的生物量加起來還要多。可是，因為某些原因，細菌從沒有進化成一個人們可以在大街上認出的那種多細胞生命體。相反，真核細胞出現的晚得多（主流觀點），在幾億年的時間里——僅僅是細菌存在時間的一小段——就形成了周圍我們所能看到的宏大生命井噴。
諾貝爾獎得主克里斯汀.德.迪夫一直對生命的起源感興趣。他在一本睿智的遺著《生命進化》中暗示，與其說真核生物的起源是一個巧合，不如說它應該是一個瓶頸——也就是說，它們的進化幾乎是自然環境中一系列必然發生的相對突然變化——例如大氣和海洋中氧氣含量的突然增加——的必然結果。在那時的所有原真核生命群體中，一種生命形式僅僅因為碰巧適應了這些變化，從而快速繁衍突破了瓶頸，并獲得了對這種變化環境的優勢：它開始繁榮起來，而其他不能很好適應的生命形式滅絕了，這給我們造成了一種錯誤的印象，即這一事件是隨機的。這一可能性取決于一系列前后關聯的事件以及涉及其中的選擇壓力，除非這些都被確認，這一假說才能被證偽。當然，當我面談論暴露于20億年前的選擇壓力時，我們不太可能有確切的結論；盡管如此，就像我在簡介中提到的，當運用現代分子生物學時，是有可能排除一些可能性，并將其縮小到一個最可能的列表中的。
盡管我對德.迪夫充滿尊敬之情，我并不覺得他的瓶頸理論多么有說服力。它太單一性了，生命顯而易見的多樣性之廣度是與之相悖的——似乎需要一個具備一切條件的地方。整個世界的變化并不是一蹴而就的，許多多樣的生態環境是一直存在的。也許最重要的是，缺乏氧氣的環境（無氧或低氧環境）在很大范圍內持續存在直到今天。在這樣的環境中生存需要與在新的富氧環境中賴以生存完全不同的一套生化技能。一些真核生命已然存在的事實不應該排除多樣的不同“真核生物”在不同環境下進化的可能，例如在海底的淤泥中。然而這并沒有發生。令人震驚的事實是，所有生活在這些地方的單細胞真核生物都與在新鮮空氣中進行有氧呼吸的生命體有血緣關系。我覺得下面這種情況是非常不可能的：即第一個真核生物如此有競爭性，它們消滅了每個環境中的競爭對手，甚至那些并不與它們的特性相適應的那些。真核生命當然沒有如此的有競爭力以消滅細菌這個競爭對手：它們生活在一起，并為自己開辟了新的生態位。在任何尺度上，我也想象不出任何其他的類似事件。真核生物成為有氧呼吸的掌握者的事實并沒有導致其在細菌中消失。普遍來講，即使存在那些連續不斷的對同一些資源的殘酷競爭，許多類型的細菌依然存在了幾十億年。
讓我們考慮一個簡單的例子，產甲烷菌。這些細菌（更準確的說，古菌）利用氫氣和二氧化碳生成甲烷謀生。我們將會簡單的論述一下這個例子，因為產甲烷菌在我們后續的故事中很重要。產甲烷菌的問題在于，盡管二氧化碳是充足的，然而氫氣不是：它們會迅速的與氧氣反應生成水，因此不會在富氧環境中長時間存在。產甲烷菌因此只能在可以接觸到氫氣的環境中生存——通常是完全缺氧的環境，或者經常性火山活動這樣氫氣生成速度高于其消耗速度的地方。但是產甲烷菌并不是唯一一種可以利用氫氣的細菌——它們從環境中汲取氫氣的效率也并不十分的高。另一種叫做硫酸鹽還原菌的細菌，靠將硫酸鹽還原為硫化氫為生——這是一種聞起來有臭雞蛋氣味的氣體（實際上臭雞蛋散發硫化氫）。為了進行這項活動，它們同樣需要利用氫氣，而對于這種稀缺資源，它們遠比產甲烷菌有競爭力得多。即使如此，產甲烷菌已經在自己的環境生態中存活了30億年之久，這些生態環境在其他一些方面對硫酸鹽還原菌有所制約——通常是缺乏硫酸鹽。例如，因為淡水湖缺乏硫酸鹽，硫酸鹽還原菌不能養活自己；在這些湖底的淤泥中，或者死寂的沼澤中，產甲烷菌生活著。它們所釋放出的甲烷就是我們熟知的沼氣，有時它們能被點燃產生神秘的藍色火焰，并在沼澤上方飄蕩，這種現象即我們所知的鬼火，能解釋很多鬼魂或者UFO的目擊事件。但是產甲烷菌的產物遠非虛幻。任何聲稱要將開采石油轉向開采天然氣的人都應該感謝產甲烷菌——它們擔負起了我們整個基礎供能。因為腸道中極度缺乏氧氣，在牛甚至人的腸道中也發現存在著產甲烷菌。產甲烷菌在食草動物中可以繁衍生息，是因為草和其他植株中基本上是缺乏含硫化合物的。肉中的硫元素要多得多，所以在肉食生物的腸道中，硫酸鹽還原菌取代了產甲烷菌。改變你的食譜，你的禮節表現就會出問題了。（吃肉產硫化氫，容易放臭屁）
關于產甲烷菌，我想表達的觀點是，它們是一場通過瓶頸的競賽中的失敗者，但盡管如此，它們依然在適合自己的環境中生存至今。類似的，在更大的范圍內，失敗者完全消失是很少見的，也很少見到后來者不能得到哪怕一個搖搖欲墜的立足點的情況。飛行能力已經在鳥類中進化出來的事實并不能阻礙它又在蝙蝠中進化出來，而蝙蝠成為了數量最多的哺乳動物物種。植物的進化并沒有導致綠藻的消失，維管植物的進化也沒有導致苔蘚植物的消失。甚至大規模滅絕事件也很少導致整個綱的物種全部消失。恐龍消失了，但爬行動物依然與我們生活在一起，盡管它們在與鳥類和哺乳動物競爭中處于劣勢地位。對我來說，好像進化中唯一可與德.迪夫所假設的真核生物瓶頸相匹敵的，僅僅是生命的起源本身，這可能僅僅發生了一次，也可能發生了很多次卻只有一種生命形式最終存活下來——在這種情況下，這也算是一種瓶頸。也許是吧，但這并不是一個好的例子，因為我們并不知道具體情況是什么樣的。我們所能確定的是，所有今天存在著的生命最終都共享同一個祖先，是同一個起源的后裔。順便，這排除了某些人所表達的這種觀點：我們的星球曾被連續多波從外太空的入侵所殖民——這種觀點與目前地球上已知的所有生命深層生化特性的密切聯系是不相符的。
如果真核細胞的起源不是一個瓶頸，那么它很可能真的是一系列不太可能發生的事件的結果，因為它只發生了一次。作為一個多細胞真核生物，我可能有所偏頗，但我確實不相信細菌會順利的躍升到產生感知，或者高于一堆爛泥的水平，無論是在這里還是在宇宙中其他任何地方。不是的，復雜生命的秘密在于真核細胞的嵌合本質——一個充滿希望的怪物，誕生于20億年前一次不太可能的融合事件，這是一個仍然封存在我們最核心的構造之中的事件，并且今天仍然主宰著我們的生命。
理查德.戈爾德施密特在1940年第一次提出了充滿希望的怪物的概念——這一年奧斯瓦爾德·埃弗里向我們展示出基因是由DNA組成的。從那時起，戈爾德施密特的名字就被某些作家所譏諷，同時被另一些作家推崇為反達爾文主義的英雄。這兩類評價都不該給他，因為他的理論既非不可能的，也不是反達爾文主義的。戈爾德施密特提出，小的遺傳變異的逐步積累，即突變，是很重要的，但僅僅對于物種內的多樣性有所貢獻：對于解釋新物種的誕生，它并不是一個有充足能力的進化假說。戈爾德施密特相信，物種間巨大的遺傳性差異是不能由一系列小的突變積累得來的，而是需要更加深刻的“劇變”——跨過“遺傳間隙”的巨大一躍，也就是說，兩個不同遺傳序列之間的分歧（從一個物種變成另一個物種所需要的變異的數量）。他承認，隨機的“劇變”，即基因序列中突然的巨大改變，更可能產生一個無法正常行使功能的突變體，也因此他給他那百萬分之一的成功命名為“充滿希望的怪物”。對于戈爾德施密特來說，一個充滿希望的怪物是一個巨大且突然的基因改變的幸運產物，而不是一系列微小突變的結果——這種事情就像一個瘋狂科學家可能在實驗室中終其一生的投入，經歷令人發狂的失敗后，終獲成功的產物。根據當代對遺傳學的理解，我們現在知道劇變并不是物種分化的原因，至少對于多細胞生物來說不是（盡管根據林恩·馬古利斯的說法，這在細菌中可能是真的）。但是，對我來說，好像把兩個完整基因組融合在一起創造第一個真核細胞看做一次劇變創造的“充滿希望的怪物”，比僅僅把它看做一系列基因變異的結果要好一些。
所以，第一個真核生物到底是什么樣的怪物，以及為什么它的起源是如此的不可能？為了理解這些答案，我們需要先思考一下真核細胞的特性，以及它們與細菌所不同的那些細節。我們已經在簡介部分涉及到了這些；在這里，我們需要關注于這些差異的巨大性，看看這一斷層那寬廣的缺口。
細菌與真核生物之間的區別
和細菌比起來，大部分真核細胞是巨大的。在長度上，細菌很少超過幾千分之一厘米（幾微米）。與之相比，盡管像微真核生物的那類真核生物跟細菌差不多大，但大部分真核細胞的長寬是其十到一百倍，也就是說其細胞體積是細菌的一萬到十萬倍。
大小并不是唯一值得注意的事情。真核生物的主要特征，也是其希臘名稱的來源，是擁有一個“真正的”核。這個核是一個典型的球狀高密度DNA（遺傳物質），與蛋白質纏繞在一起，并被裝進雙層膜里。這里就有3個與細菌的主要區別。第一，細菌完全沒有核，或者說只有一個沒有被膜所包被的模糊區域。因此細菌也被稱為“原核生物”，它來自于希臘語“在有核之前的”。可是這也可能是一種偏見——一些研究者爭論說，有核細胞和無核細胞一樣古老——而大部分專家則同意原核細胞的命名很準確：它們確實是在擁有核的細胞（真核細胞）之前進化出來的。
細菌與真核生物之間的第二個重大區別是它們基因組整體的大小——基因總數。即使和像酵母這樣簡單的單細胞真核生物相比，細菌的DNA也少得多。這一區別可以用基因總數來衡量——通常有成百上千個——或者用DNA的量來衡量。后者常用C值來表示，是用DNA的“字符數”來衡量的。它不僅包括基因，也包括那些叫做非編碼DNA的分支——即不編碼蛋白質的DNA，它們因此不能真的被稱為“基因”。在基因數目和C值方面的差異都對人有所啟示。和大部分細菌相比，酵母這樣的單細胞真核生物也擁有其幾倍數目的基因，而人類可能有20倍之多。C值或者說DNA的量之間的差異更加驚人，因為真核生物擁有遠多于細菌的非編碼DNA。真核生物的DNA總量跨越了5個數量級。大型的阿米巴原蟲的基因組，是一個小型真核細胞家兔腦胞內原蟲的20萬倍。這么大的跨度與復雜性和基因數目無關。阿米巴原蟲實際上有比人類多200倍的DNA，盡管它有遠少于人類的基因數目，并且很明顯不比人類復雜。這一奇怪的矛盾被稱為C值悖論。所有這些非編碼DNA是否有其進化目的是一個爭論不休的話題。其中一些肯定有，但更多的是依然成謎，并且很難認識到為什么一個阿米巴原蟲需要這么多（我們會在第四部分回到這個話題）。盡管如此，但這是一個事實，需要對為什么真核細胞大體上比原核細胞多幾個數量級的DNA有一個解釋。這不是沒有代價的。復制這些多余的基因并保證這種高保真復制需要很大能量，影響著細胞分化的速率與環境。我們接下來會探討這暗示著什么。
第三個重大不同在于DNA的包裝和組織形式。就像我們在簡介中提到的，大部分細菌擁有單個環形染色體。它固定在細胞壁上，但也可以在細胞內自由的飄動，從而為快速復制做準備。細菌也攜帶遺傳物質的“零錢”，即叫做質粒的微小環狀DNA，它們可以獨立復制并且可以從一個細菌傳給另一個。日常的交換質粒零錢看上去和拿零錢購物類似，這也解釋了耐藥性基因是如何快速的在細菌群體間傳播的——就像一天中一枚硬幣可以出現在20個不同的口袋中。讓我們再回到它們的主要基因銀行，很少有細菌將它們的主要染色體和蛋白質交纏在一起——相反，它們的基因是“裸露”的，這使它們更加容易接近——這更像現金賬戶而不是儲蓄賬戶。細菌的基因傾向于按照行使同一功能的簇來排列，以功能單元的方式行使功能，這就是操縱子。相反，真核細胞的基因貌似沒有順序。真核細胞擁有很多完全不同的直鏈染色體，它們通常各有兩條以形成一對等位染色體，像人類中就是23對染色體。在真核生物中，基因在染色體上的排列順序實際上是隨機的，更糟糕的是，它們常常以中間隔著長長的非編碼DNA的短片段的形式存在。為了制造一個蛋白質，需要讀取一大片DNA，然后將它們拼接融合在一起以形成一個連貫的轉錄本來編碼這個蛋白質。
真核細胞的基因不僅僅是隨機且支離破碎的，它們也很難被接近。染色體和被稱作組蛋白的蛋白質所緊緊纏繞，這阻止了其他物質接近基因。當基因在細胞分裂期間被復制或者轉錄出轉錄本以制造蛋白時，組蛋白的外形必須改變以使DNA容易被接近。而這是由被稱為轉錄因子的蛋白所控制的。
總起來說，真核基因組的組織形式是光用腳注就能填滿一個個圖書館的復雜工程。我們會在第五部分探討這一復雜構造的另一方面（即性，而細菌中是不存在性的）。現在，帶給我們的最重要的觀點是，這種復雜性需要消耗能量。當細菌幾乎一直簡單粗暴的采用流線型并且講究效率時，大部分的真核細菌則笨拙且如迷宮一般復雜。
一副骨架，許多小室
在核之外，真核細胞也與細菌非常不同。真核細胞被描述為“有內部結構”的細胞（見圖2）。大部分內部結構為膜構件，由被稱為油脂的脂類分子的薄的難以察覺的夾層構成。細胞膜形成了囊泡、微管、水池、堆積物，這些包裹形成空間——小室——它們被油脂柵欄物理隔離在細胞質水溶液之外。不同的膜系統因不同的任務而特化，例如建造細胞的部件，或者將食物降解以產能，或者運輸、存儲，以及分解。有趣的是，盡管它們的外形和大小各不相同，大部分真核細胞的小室是簡單囊泡的不同變體：一些伸長 了，一些變扁了，一些變成了管狀，另一些就是簡單的泡泡。最難以想象的是核膜，它看起來就像一張包裹著核的連續雙層膜，但實際上它是一系列大而平的囊泡連接起來的，更令人驚奇的是，它們和細胞中其他的膜間隔是連在一起的。因此，細胞膜在結構上與任何細胞的外膜是不同的，外膜都是一些連續的單層（或者雙層）膜。
該圖未按實際比例繪制；細菌和（b）中的線粒體的大小類似。實際上，為了更清晰，真核細胞中的膜結構被簡化了，真實情況下內部結構的差異更加驚人。即使用電子顯微鏡，細菌也是很難被觀察的。
細胞里面還有小的元件，被稱為細胞器，例如線粒體以及植物和綠藻中的葉綠體。葉綠體值得特別關注。它們負責光合作用，這是將太陽能轉換成可以自我掌控的化學能量的生物分子貨幣的過程。和線粒體一樣，葉綠體也來自于細菌，確切的說來自于藍細菌，這是唯一可以進行真正的光合作用的細菌類群（以生成氧氣）。值得注意的是，線粒體和葉綠體曾經都是自由生活的細菌，并依然保存有一系列相對獨立的特征，包括它們自己獨立的基因。它們都參與宿主細胞的能量代謝。這些細胞器與真核細胞中的其他膜系統有明顯的不同，這些不同讓它們另成一派。像細胞核一樣，線粒體和葉綠體都被包裹在雙層膜中，但和細胞核不同，它們的膜形成了真正連續的屏障。里面不光有它們自己的DNA，還有它們自己的核糖體，蛋白質合成系統，以及它們自己進行半自主復制，線粒體和葉綠體的雙層膜與其他特征一起，指向了它們都來自于細菌這一事實。
如果說真核細胞擁有內部結構，那么細菌就是神秘未知的。在它們單層外細胞膜以外，它們幾乎沒有真核細胞那樣錯綜復雜的內部膜系統，這些單層外細胞膜偶爾會自我折疊以形成細胞的一些紋理。盡管如此，繁盛的真核細胞膜與簡陋的細菌細胞膜擁有同樣的基本結構組成。它們都有由甘油磷酸組成的親水性的“頭”，這些“頭”固定在一些僅能溶解在油中的長鏈脂肪酸上。就像清潔劑可以自然形成小泡一樣，磷脂層的化學結構也使它們自然結合成膜，脂肪酸鏈埋在膜內，親水性的“頭”從膜兩邊伸出。細菌與真核生物間的這種一致性使生化學家確信，它們繼承自同一個祖先。
在我們接著思考這些異同的意義之前，讓我們先把短暫的真核細胞之旅完成。還有兩個我想提及的區別。第一，在它們的膜結構和細胞器之外，真核細胞包含一個致密的由蛋白質纖維構成被稱為細胞骨架的內部支架。第二，跟細菌不同，真核生物沒有細胞壁，或者說至少沒有細菌那樣的細胞壁（植物細胞和一些綠藻以及真菌，確實擁有細胞壁，但是它們和細菌的細胞壁非常不一樣，并且是很晚之后才進化出來的）。
內部細胞骨架和外部細胞壁是完全不同的概念，但是盡管如此，它們卻行使同樣的功能——它們都提供結構支撐，和昆蟲的外部角質層以及我們自己的內部骨骼提供的結構支撐是一樣的。細菌的細胞壁在結構和組成上多種多樣，但是大體上它們提供了一個維持細菌形態的剛性結構，防止它們在環境突然改變的情況下，膨脹到爆炸點，或者塌縮。另外，細菌的細胞壁提供了錨定染色體（包含它的基因）以及其他像鞭狀的細絲，即鞭毛這樣的多種驅動部件的固態表面。與之相比，真核細胞往往擁有可變的由內部細胞骨架支撐的外細胞膜。這并不是一個完全固定的結構，而是經常改變——一個高耗能過程——使細胞骨架可以擁有細胞壁難以達到的機動性。這意味著真核細胞（至少原生動物）并不像細菌那樣頑強，但是它們通常能自主的很活躍的改變外形，這給它們帶來不可估量的優勢。經典的例子是阿米巴原蟲，它們四處爬行并通過吞噬作用攝取它們的食物：臨時突出細胞表面形成被稱為偽足（字面意思，假的足）的細胞結構包圍獵物，并再次融合到一起，在細胞內形成一個食物液泡。偽足由細胞骨架中的動態變化所支撐穩固。它們能如此容易的再次融合在一起是因為脂細胞膜和肥皂泡一樣易于流動。因此很容易萌發成囊泡，然后再融合到一起。它們改變形態并利用吞噬作用攝取食物的能力使單細胞真核生命變成了真正的捕食者，將它們與細菌區分開來。
少有人走的路——從細菌到真核生物
真核細胞和細菌基本上是由同樣的建筑材料組成的（核酸、蛋白質、脂類和糖類）。他們有完全相同的密碼子體系，非常相似的脂質膜。很明顯它們有同一個祖先。除此之外，真核生命與細菌在它們結構的每個關鍵方面都是不一樣的。平均來說，真核細胞是細菌體積的一萬到十萬倍，包含一個細胞核，許多膜組織和細胞器。它們的遺傳物質數量比細菌多好幾個數量級，它們的基因被分隔成小的片段，而這些片段并沒有特別的順序。它們的染色體是線性的而不是環形的，被組蛋白所包裹著。它們大部分靠性繁殖，至少是偶然靠性繁殖。它們由內部的動態細胞骨架支撐，并可能缺少外部的細胞壁，這使它們可以吞噬食物甚至攝食整個細菌。
線粒體僅僅是這一系列差異中的一個，并且好像僅僅是隨便加上去的。然而就像我們將要看到的，它們并不是。但是留給我們的問題是：為什么真核細胞進行了如此復雜的進化之旅的時候，細菌卻在40億年的時間里幾乎毫無變化？
真核細胞的起源是生物學中最炙手可熱的話題之一，理查德.道金斯將其稱為“偉大的歷史匯合”。它在科學與臆想之間搖擺，形成的絕妙的平衡使最不帶感情的科學家群體也產生了猛烈的激情碰撞。事實上，有時候它讓人覺得，每當新的一絲證據出現，都會產生一個新的假說來解釋真核細胞的進化之源。這些假說傳統上被歸為了兩個派系，一派試圖在一系列不同的細菌的融合事件的基礎上解釋真核起源，另一派則試圖將真核的大部分特性的來源限制在內部，不需要這么多的融合事件。就像我們在簡介中看到的，林恩·馬古利斯提出線粒體和葉綠體都是來自于自由生活的細菌。她也提出，真核細胞中的其他結構，包括細胞骨架及其組織中心，即中心體，同樣是來自細菌融合事件，但她并沒能成功的將學界拉向她的陣營。問題在于，細胞結構的相似性只能來自于直系進化關系，這些內共生體都已經退化但剛好能認出它們的祖先是誰。另一種可能是，結構的相似性是趨同進化的結果，即相似的選擇壓力不可避免的產生相似的結構，就像我們之前所討論的，這是因為對于某一特定問題，只有有限的工程解決方案。
在像細胞骨架這一類細胞結構的具體案例來看，它們跟葉綠體和線粒體不同，沒有自己的基因組，因此很確定它的起源。如果譜系不能直接追溯，那么就不容易證明一個細胞器到底是共生還是真核細胞的自我發明。大多數生物學家傾向于最簡單的觀點，就是大部分的真核特征，包括細胞核和除線粒體與葉綠體以外的細胞器，都是純粹的真核自我發明。
為了能在這迷宮般的矛盾中尋路而出，我們將只考慮兩種關于真核細胞起源的相競爭的理論，對我來說它們更加有可能是真的——“主流”觀點和“氫假說”。主流觀點在很多細節方面已經取代了之前林恩·馬古利斯的原始觀點，它目前的形成很大程度上歸功于牛津大學生物學家湯姆 卡瓦利耶-史密斯。很少有研究者能像卡瓦利耶-史密斯那樣對細胞的分子結構以及它們的進化關系有如此細致的理解，他在細胞進化領域提出了非常多的重要但有爭議的理論。氫假說是一個完全不同的理論，由在德國杜塞爾多夫的海恩里希.海涅大學任教的美籍生化學家比爾 馬丁強力提出。馬丁學的是遺傳學，但跟結構學相比，他更傾向于從生化的角度探究真核生物的起源。他的觀點是反直覺的，并且在某些方面產生了熾烈甚至尖酸刻薄的反應，但是它們是由清晰的不可忽視的生態學邏輯所支持的。這一對經常在會議上爭論不休，他們的理論使會議看上去像一場維多利亞的情景劇，讓人想起柯南道爾的《查林杰教授》。在2002年倫敦皇家學院的一場關于真核起源的精彩討論會上，卡瓦利耶-史密斯和馬丁整個會議都在質疑對方的觀點，在會后幾個小時后，我發現他們還在當地的酒吧里面爭論不休，這給我留下了非常深刻的印象。
Note：
八千多字，十來個小時，想屎。
