学术交锋 | Nick Lane et al. vs. Michael Lynch et al. 论复杂生命的基因组

本文把和 Nick Lane 观点类似的学者称为正方，批评者称为反方。只是为了便于陈述事实，不代表正义与邪恶的价值判断。

双方都承认如下事实：真核生物尤其是多细胞真核生物，基因组的篇幅 (size) 大于原核生物的基因组。

双方的分歧在于导致这一事实的原因——

正方认为从原核生物到真核生物的过程（有证据支持的内共生假说 (endosymbiosis) 认为，一个（原核）古菌吞噬了一个（原核）细菌之后，形成的共生体演化成真核细胞，被吞噬的细菌演化成真核细胞中的线粒体）是一种具有决定性意义的进步。

反方认为任何导致 DNA 篇幅增加的变异都是在演化上不利的。线粒体的起源不是基因组扩增的先决条件，仅仅是细胞体积的变大就足以稀释基因组增大的演化负担，使真核细胞的基因组增大而不被自然选择淘汰。

编年 Chronicle

以下时间均为文章的发表时间。

2010年10月21日，正方提出假说

N. Lane, W.F. Martin. (2010) The energetics of genome complexity. Nature 467, 929–934 (2010).

原核生物的基因组大小受到生物能量学的严格限制，因为基因表达所需的巨大能量成本，限制了它们承载和表达大量基因的能力。

线粒体的内共生起源是解锁真核生物复杂性的关键，因为它重新组织了DNA与产能膜的分布关系。从而使宿主细胞的每基因能量预算提高了惊人的 200,000 倍。

这种巨大的能量优势消除了原核生物基因组演化中的能量障碍，使得真核生物能够支持大规模的基因组扩张、演化出大量新蛋白质家族和复杂的调控机制，最终成为多细胞生命的先决条件。

2015年12月22日，反方亮明观点并批评正方的方法

M. Lynch, G.K. Marinov. (2015) The bioenergetic costs of a gene. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112 (51) 15690-15695,

任何导致 DNA 篇幅增加的变异都是在演化上不利的。

一个基因的 DNA、RNA、蛋白质能量成本，相对于整个细胞一生的 ATP 总需求，随着细胞体积的增加而减少，这对于不论原核生物还是真核生物都成立。

多细胞真核生物之所以没有被演化淘汰，是因为这种不利（成本增加）的程度很轻微，真核生物的有效种群规模较小、基因组的随机漂移水平更高，自然选择的筛选力不足以将其淘汰。

所以单纯细胞体积更大就足以解释真核生物的基因组增大，而不需要线粒体内共生来解释。

2016年2月9日，正方回应批评，并批评反方的方法

N. Lane, W.F. Martin. (2016) Mitochondria, complexity, and evolutionary deficit spending. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113 (6) E666-E666

正方称反方犯了稻草人谬误：反方计算的是能量成本，而正方计算的是能量预算。

针对反方立论，正方反驳：细胞体积并不是想增加就增加的。

• 如果将原核细胞的体积放大到真核细胞水平，原核细胞的每基因能量预算将会急剧减少，因为 ATP 合成正比于细胞的表面积，而蛋白质合成正比于细胞体积。
• 部分原核细胞通过细胞膜的内折抵消这一能量预算赤字，但是由于不像线粒体一样基因靠近产能区域，也无法获得真核细胞一样的复杂性。基因靠近产能区域的原核细胞（比如蓝细菌），由于是超多倍体，抵消了优势。
• 线粒体的出现允许细胞体积和基因组大小的自由扩展。

正方批评反方：计算 ATP 花费时忽略了核糖体，计算 ATP 产出时忽略了真核生物中的线粒体。

2016年2月9日，反方回应正方的批评

M. Lynch, G.K. Marinov. (2016) Reply to Lane and Martin: Mitochondria do not boost the bioenergetic capacity of eukaryotic cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113 (6) E667-E668

虽然和 Nick Lane 等人的文章发在同一期，但是反方明显是看过并引用了同期正方的文章。在电子出版时代，发表在同一个期刊的同一期同一卷的意义已经不那么大了。

反方称自己没有稻草人谬误，正方 2010 年文章中字面意义上说了“能量成本”(”By ‘energy per gene’, we mean the cost of expressing the gene.”)。而且成正方的定义在演化和生态上没有意义。

反方拒绝正方 16 年文章中没考虑核糖体和线粒体的批评，所有 ATP 的使用中自然包含了这两者。

反方 15 年文章中已经指出，ATP 消耗如何随细胞体积扩展的现实数据在细菌和真核生物之间具有完全的连续性，这挑战了线粒体提供了巨大“能量提升”的论断。

作者还纠正了 Lane 和 Martin 关于真核生物基因组大小的夸大估计。

总结发言中，反方整体上否定了认为含有细胞器、多细胞、基因组更大更杂乱的真核生物更优越的“真核生物中心论”。原核生物承包了地球生物的绝大多数代谢、DNA、生物质的多样性。

纪传 Biography

待补充

正方

• Nick Lane
  • 正方的主要人物，两篇文章的第一作者兼通讯作者
  • 伦敦大学学院基因演化和环境系 (Department of Genetics, Evolution and Environment, University College London)
• William Martin
  • 正方两篇文章的第二作者
  • 杜塞尔多夫，海因里希·海纳大学第三植物学研究所 (Institut für Botanik III Heinrich-Heine-Universität, Düsseldorf)
  • 杜塞尔多夫，海因里希·海纳大学分子演化研究所 (Institute of Molecular Evolution, Heinrich Heine University)
• John F. Allen
  • 没有参与笔战，但是有氧化还原调控线粒体基因表达的假说（2010 年文章的参考文献 50, 51），是 Nick Lane 推理过程的一环
  • 伦敦玛丽女王大学，生物和化学科学学院 (School of Biological and Chemical Sciences Queen Mary University of London, London, United Kingdom)

反方

• Michael Lynch
  • 反方的主要人物，两篇文章的第一作者兼通讯作者
  • 印第安纳大学生物系
• Georgi K. Marinov
  • 反方两篇文章的第二作者
  • 印第安纳大学生物系