奇异的进化故事：我们祖先曾经“厌氧”

　　我们祖先曾经“厌氧”

46亿年前地球诞生以后，实在无法确定最早的生命形式究竟是在什么时候出现的。一般认为大约是在40亿至35亿年前出现的。1977年美国哈佛大学的化石专家巴洪，在南非发现了34亿年前的岩石中的含有细菌的化石。因此，大约35亿年前，地球上肯定已经出现了生命。  

人类是呼吸空气中的氧气而生活的，如果没有氧气，就会窒息而死。因此，大概很多人都认为氧气无论对什么生物而言都是至关重要的。而远古的地球大气中不含氧气，实际上，细菌中有很多种类一旦有氧就不能存活。像这样的细菌，因为讨厌现在地球的含氧空气，所以被命名为厌氧菌。此外，原生生物、真菌中也有些种类不需要氧。  

35亿年前，我们最早的祖先就是厌氧菌。此后，在这些厌氧菌中间，出现了像现在的蓝细菌一样能够进行光合作用的细菌。蓝细菌是蓝藻中一个原始的种类，漂浮在海面上生活。它的光合作用和植物一样，利用光能，把二氧化碳和水转化成有机物等营养物质，在这个过程中会产生氧气。蓝细菌增加的结果，使得20亿年前地球上的氧逐渐多了起来，不仅是海水中的氧，大气中的氧也开始增加。这是严重的环境污染，是地球上最早的大规模公害。  

我们的祖先，尽管说那个时期还只是细菌，但也可以说正面临着首次出现的重大危机。很多生物因此而死亡了。但是，幸运的是地球上的所有生物还不至于全部灭绝，其中进化出了能够利用氧的细菌。现在根据它们喜欢氧而命名为好氧菌。地球上仍然还有些地方氧气无法进入。地面以下很深的地方可能就没有氧气。在这样的地方，古细菌的祖先勉勉强强地幸存了下来。  

在现实中，我们已经变得完全依赖于氧，没有氧根本就不能生活了。如果当初人类不得不在没有氧的环境中勉强生活，那恐怕不会有今天这样的繁华景象。



动物、植物如何产生  

在地球上的氧逐渐扩散、我们的祖先古细菌类生物陷入危机之前，生物主要是通过发酵的方法从养分中获得能量的。这是现在的许多厌氧菌、酵母菌等采用的方法。酸奶就是使用乳酸杆菌发酵牛奶而制成的。啤酒等的酿造也是利用酵母分解养分而产生酒精。  

但是，能积极地利用氧而进化产生的好氧菌，采用的是一种全新的方法——有氧呼吸——来制造能量。这种方法较之发酵，可以从等量的养分中制造多得多的能量，是一种非常有效的方法。因此，这种新进化而来的好氧菌在地球上以爆发之势增加了起来。  

由于好氧菌的繁荣，从古细菌进化而来的我们的祖先虽然躲避了氧而勉强幸存下来，但在这期间也完成了两项重大的“发明”：一是细胞中产生了具有核膜的细胞核，为了不让重要的DNA物质受损伤，核膜将它们完全包裹在细胞核中；二是细胞具有了把其他细胞吞噬入自己体内的能力，也就是能把好氧菌和蓝细菌等吞噬到自己的细胞内。  

希腊神话中有这样一个故事：第二代的大神克洛诺斯把自己的孩子一个接一个地吞噬掉。著名的宙斯是第三代的大神，他也是克洛诺斯的孩子，也曾被他的父亲吞噬过一次，但是他成功地逃脱了出来。真核生物的祖先也吞噬后来进化产生的好氧菌和细菌，所以有的学者就根据克洛诺斯的神话称之为“克洛诺赛特”。  

这里最重要的事件就是吞噬了能够进行有氧呼吸的好氧菌。根据细胞内共生进化学说的观点，这个事件被专门称为细胞内共生。大约在15亿年前，某种好氧菌被吞噬到了厌氧菌的细胞中并开始了共生，原本厌氧的生物也能够在有氧的环境中生存了。之后，被吞噬的好氧菌变成了细胞的线粒体。这样产生了镶嵌状的细胞，这种细胞就是原生生物、真菌、动物、植物的共同祖先，这也就是此后各种各样进化的根源。获得了线粒体的真核生物的细胞，不久又吞噬了蓝细菌。在自己的细胞内进行光合作用获取营养物质，对真核生物而言是非常适合的。它们进化成了现在的植物。  

动物和植物凭借有利的细胞能力而繁荣，构成了现在地球上的生物系统。但是，即使是现在也不能轻视细菌的能力。线粒体、叶绿体是细菌的子孙，同时我们身体里还生活着其他许多细菌。其中既有在肠子里制造臭气产生麻烦的细菌，也有引起疾病的细菌，它们大部分都是我们生活所必需的共生细菌。因此，如果过度使用完全杀死细菌的药物，就会把病原菌连同其他有益的细菌一起全部杀死，这也会造成麻烦。

现在已经有各种各样的证据支持共生学说，其中最有力的证据还是来自于分子。线粒体和叶绿体不仅具有独立的DNA(不同于细胞核的染色体DNA)，还具有独立的蛋白质合成体系(不同于受核控制的细胞质合成体系)。如果追踪我们人类的细胞的根源，它应该是好氧真细菌在接近于古细菌的厌氧性单细胞生物体内共生并进化的产物。



“偶然性”的重大作用  

日本遗传学家木村先生发表中性学说的时候，进化被认定是为了适应环境而产生的，即使在分子水平自然选择也还是最重要的。因此，分子进化的中性学说受到了来自世界各地科学家们的猛烈反对。此后，由于分子生物学的发展，很快出现了许多新的数据，而这些数据都支持中性学说。  

例如，如果说自然选择重要，那么对于生物而言生死攸关的遗传基因似乎也可以快速地进化。但是实际上，这些生死攸关的基因很难变化。相反，被认为并不怎么重要的基因变化速度却很快。这就是说，进化过程中发生的基因变化，大多数并不具有变得比以往更好之积极意义，即大多数的变化是呈“中性的”。于是，中性学说逐渐被全世界的科学家们接受。1992年，木村博士被列入了为进化研究做出杰出贡献的人物的行列，与达尔文、孟德尔齐名。  

人类的遗传信息大约含有30亿文字的DNA。比较两个人的DNA，基本上应该是一致的。但是，大约每1000个文字就有1个文字的变异。也许这被认为是极其微不足道的差异，但是DNA图谱由30亿个文字构成，所以整个DNA图谱共有300万个变异。根据中性学说，这些变异对于自然选择而言大部分都是既不好也不坏。例如即使有影响外表的变异，未必会对人类的生存有意义，很多是和自然选择没有关系的变异。  

有一种叫做糖尿病的疾病，表现是原本在体内提供能量的糖类(碳水化合物)不能被利用，而直接通过尿液被排出。产生这种疾病的原因之一是体内不能有效地合成一种叫做胰岛素的蛋白质。因此，只要注射胰岛素病症即可控制。最近，分子生物学的进展令微生物能够制造与人胰岛素相同的蛋白质。在此之前使用的是牛和猪的胰岛素。人胰岛素和牛、猪胰岛素之间有少许氨基酸序列的差异，但是它们作为胰岛素的功效却是一样的。人、牛和猪从共同的祖先开始，在进化过程中发生的胰岛素的氨基酸变化(变异)，可以说是在功能上就属于没有差异的“中性的”变异。  

中性学说阐明的另一个问题是，生物进化中的“偶然”事件也起着至关重要的作用。因为自然界完全就像掷骰子一样偶然地选择着变异。以入学考试为例，并不是从成绩好的开始依次选择，而是先去除成绩特别差的(虽然能够活着，但是那些极其差的变异会被去除)，然后从留下的人中抽签选择。总之，自然选择的观点是：“最优秀的生物生存(适者生存)。”而中性学说的观点是：“最幸运的有利的生物生存(幸者生存)。”  

在学习达尔文的自然选择学说的人中间，有人认为英国占领殖民地、统治殖民地的人民是正义的事情，因为在竞争中获胜的一方就是最优秀的。这是为使英国的殖民地政策正当化，自然选择学说被滥用。虽然达尔文自己反对奴隶制度，但是他的学说却被用于连他自己都认为不正确的目的。因此，日心说、进化论这样的科学发现，不仅显著地改变了每个人的思想，也影响了每个人的生活方式和社会状态。面对今天的竞争社会，阐明偶然事件具有重要作用的中性学说，是否也会影响每个人的思考方式呢？这个问题不仅非常重要，也意味深长。  



摘自《听基因讲祖先的故事》  长谷川政美等著  上海科教出版社2005年7月版