《世界是个生命体》02/关于共生的故事

共生的结果远远不是可预料的简单的叠加,而是一种非累积的惊喜。
——林恩·马古利斯,多里昂·萨根①


谈到物种起源,大多数人可能立刻会想到达尔文的进化论,以及由孟德尔开创的遗传学。这也难怪,因为我们的课本上就是这样介绍的。在生物圈漫长的演化过程中,每个物种都会不断产生基因突变。当然,在自然选择的压力下,绝大多数的突变都会被淘汰掉,只有那些有助于物种生存的基因才可以保留下来。其结果是,那些携带新基因的物种,只有部分能够生存下去,简单来说就是适者生存。就这样,一步步地,经过日积月累,新的物种不断诞生,直到人类出现。

我们还知道,在人体中,所有的基因都存在于DNA中。作为遗传物质,DNA就像一个蓝图一样,指引着人体的发育,并且每个细胞够都含有相同的DNA。但,令人惊讶的是,人体中并不只有一种DNA。在人体细胞中,那些为细胞提供能量的细胞器——线粒体,它们的DNA就是自己所独有的,与细胞核中的DNA并不相同。此外,在绿色植物中,那些承担光合作用的细胞器——叶绿体,也同样拥有属于自己的遗传物质。

既然线粒体和叶绿体都拥有属于自己的DNA,那么它们看上去更像生命体,而不仅仅是人体或绿色植物的一个基本单位。其实,早在1905年,即便那时还没有发现DNA,俄国生物学家康斯坦丁·梅里日可夫斯基就已猜测叶绿体很可能是闯入者。他发现,叶绿体与蓝绿色的光合细菌(蓝细菌)相似。而且,叶绿体能够进行自我繁殖。虽然它们在细胞内生存,但是其繁殖过程却不依赖于细胞分裂周期。以至于,梅里日可夫斯基和他的同事提出,叶绿体实际上就是起源于蓝细菌。在早期,当蓝细菌侵入到植物细胞中后,开始逐渐丧失自主性,并在这些细胞祖先内定居下来,最后演变成了叶绿体。

之后,在20世纪60年代,借助于电子显微镜,人们还发现,叶绿体含有的内部膜层结构与蓝细菌的类似。很快,人们又发现,相对于细胞核内的DNA而言,叶绿体DNA在结构上与某些蓝细菌的DNA有更多的共同之处。就这样,所有这些发现已经可以证明,叶绿体祖先在早期是独立的生命体。随之而来的疑问是,它们的细胞壁跑哪里去了?原来,在变为细胞器的过程中,这些蓝细菌失去了为独立生存所必需某些装置,其中就包括细胞壁。甚至于,它们把控制这些性状的DNA当作包袱也一并抛弃了,或者转由宿主的细胞核来承担。

另一方面,显示线粒体起源于细菌的证据正变得越来越多。例如,线粒体也可以像细菌一样完成自我繁殖的过程,在这一点上与叶绿体类似。在1920年,线粒体所具有的米粒状外形,以及它们特殊的行为,令解剖学家伊万·沃林认识到,线粒体同样也起源于细菌闯入者。之后的发现显示,在DNA方面,线粒体与某紫色非硫细菌比较相似。另外,这种细菌也是一种光合微生物,而且能够进行有氧呼吸。这样看来,线粒体很可能源于此类细菌的祖先。

此外,沃林还曾经提出过一个物种共生起源说,而将之发扬光大的则是林恩·马古利斯。在公众眼里,马古利斯颇具个性。她觉得自己爱的是科学,而不是科学家,或许这就是她和萨根没有白头到老的原因。另外,马古利斯拒绝浪漫的约会,并且从不看电视,同时也不为自己的贫困感到遗憾。

或许正是因为马古利斯与众不同,所以才表现出了其特有的洞察力。在1967年,她提出,所有比细菌大的生物都是超级生物,是通过细菌合并产生的。例如,当前的某些细胞组分,恰恰来源于那些原本自由生活的细菌。也就是说,真核细胞 并不是来自于单独的一个细胞祖先,例如某一种细菌,之后再一步步地演化出更加复杂的特征。恰恰相反,是几种生物通过紧密的相互作用,融为一体,导致了真核细胞的形成。在这个过程中,每个前辈生物都贡献出了自己的基因组。这就是所谓的内共生学说,目前已被科学界广泛接受。

在一篇文章里,马古利斯与其合著者还用了更生动的语言来描述内共生现象:“生命系谱树上的分枝并不总是分叉。一个侧枝可能与另一个侧枝融合,从这些联合中产生与原来看到的完全不同的新的侧枝。”②而对于更广泛的共生来说,共生者通过彼此融合,能够产生新的器官,或者形成像地衣那样的生物新类群。就这样,共生为生命带来了一次次进化飞跃,无论是在规模上,还是在功能上。

甚至于,马古利斯对进化的看法也随之改变了。在她看来,正因为有了共生的存在,所以进化不应该看作为是一个充满血腥的竞争过程。而在过去,我们竟然可以理解并接受那些野蛮行为,也就是存在于个体之间以及物种之间的激烈冲突。如今,从共生角度来看,生物不是通过竞争,而是通过网络协作来共建地球家园的。杀死生命并不会带来生命的多样性,当然也不会令生命日趋复杂。相反,只有通过生命之间相互适应对方才能实现。

另外,共生也是产生生物新特性的源泉之一。虽然一些生命体原本不属于某个物种,但是如果能够和该物种持久地结合在一起,那么就有可能成为后者的一部分,也就是该物种的新特征。显然,线粒体和叶绿体就是最好的例证。

正是因为发现了共生作用的存在,令我们认识到,达尔文的理论并不能全面解释物种的起源。科学探索的过程是无止境的。我们不应该在过去的成果面前固步自封,而应该不断寻求新的发现。


参考文献和注释:
① 林恩•马古利斯,多里昂•萨根. 我是谁——闻所未闻的生命故事. 周涵嫣译. 王月瑞校. 南昌:江西教育出版社,2001:147.
② 林恩•马古利斯,多里昂•萨根. 倾斜的真理——论盖娅、共生和进化. 李建会等译. 苏贤贵校. 南昌:江西教育出版社,1999:68.


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编辑于 2019-07-09