往年暑假，隔壁理论组都会发起一个不务正业系列演讲，每周五抓壮丁讲点和科研本职工作无关的话题，例如美国央行的历史、自然利率、公园里的松鼠、以 stroad (street-road) 为代表的傻逼郊区规划……

结果今年，隔壁组的老板度假去了，学弟参加暑期学校去了，本科学妹到德国交流去了，只剩下一个键政人，于是我们老板非常轻松地篡组夺权，把这个活动改造成了非不务正业的读书会。在股肱之臣（我）的坚持下，免费披萨和啤酒的共和传统保留了下来。

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读的书目是 Nick Lane 的《The Vital Question》。名字里的 vital 很难翻译，字面意义上是重要的意思，但 vi- 前缀本身就有和生命相关的联想。以至于台版直接起名叫《生命之源》，陆版起名叫《复杂生命的起源》。

顾简体中文名思义，这本书把真核细胞组成的多细胞生命体称为“复杂生命”，认为这种生命形式起源于一件“在历史上只发生过一次”的事件——线粒体“内共生”(endosymbiosis)——一个古菌 (archaea) 细胞吞噬了一个有氧呼吸的细菌，然后两者一起存活了下来。前者和后者一起演化成了现代真核细胞，其中后者演化成了真核细胞中的线粒体。

但是此事毕竟发生于几十亿年前，并没有监控录像证明事情的始末经过，所以这种说法只能算是一种有证据支持的科学假说。

所谓证据，包括数量相对少的古老岩石的成分、生物化石证据，和数量非常多的现存生物体的细胞结构、不同物种间的遗传信息的对比结果等等。

所谓支持，按卡尔·波普尔的科学哲学观点，指的是这些事实能够证伪 { [ (原命题) 的否定 ] 的一个子集 }。即便自身言之成理，也无法否认其他可能性的成立。持不同观点的科学家以“谁主张谁举证”的原则立论，学界根据互相竞争的理论形成的不同预测构造实验，证伪错误的主张。

作者认为这一内共生事件意义非凡，线粒体这样一个专门产生能量的结构，导致真核细胞有了远多于原核细胞的能量预算（以平均每个基因所能支配的能量来衡量），从而在结构和功能的复杂度上有了重大“进步”。

不仅如此，作者更进一步认为很多并不直接和线粒体关联的现象，也是这一内共生事件的结果，比如核膜的出现、性别和有性生殖的出现、物种的产生、物种寿命的长短等等。不过这一部分的证据不太充足，就连作者对自己的论证也不很确信。

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虽然作者的核心观点是关于真核生物的出现，但是我反而觉得全书写作的高光，出现在对细胞从无到有的过程的推断。其因果链条极长，但又有事实作为支撑，即便怀疑，也难以否认这一理论在智力上的精妙。

作者根据以下事实：

• 今天细胞生物系统普遍的能量通货——ATP ↔ ADP + Pi ；
• 这一分子普遍的产生方式——ATP 合成酶在氢离子（质子）跨过生物膜上的过程中催化，也就需要在线粒体内膜两侧存在质子的浓度梯度；
• 现存生物系统中梯度的来源是一系列氧化还原反应，电子从食物分子转移到以 Complex I 为代表的呼吸链分子上，最后结合到氧气分子，这些分子位于线粒体内膜上，电子转移的过程会将质子逆梯度跨膜输送；
• 细菌和古菌两种原核生物的磷脂膜成分不同。
• 生物出现前，古代地球大气中氧气浓度很低，二氧化碳浓度高。
• 海底板块扩张中心附近的海床上，地壳运动从地幔中露出表面的岩石中富含橄榄石，橄榄石富含亚铁离子和镁。亚铁离子被水氧化是一个放热反应，伴随着大量氢气的释放，氢气溶于碱性海水。由此形成碱性热液喷口。
• 碱性热液喷口，喷出60℃至90℃的温水，形状是布满互相通连、迷宫一样复杂的微孔结构。

给出了细胞出现过程的推测：

• 生物出现前，古代地球二氧化碳浓度高，海洋呈现酸性；碱性热液喷口附近海水为碱性，于是存在一个相对稳定的氢离子/质子梯度。
• 热力学上：碱性环境中，氢气分子氧化的反应可以自发进行；酸性环境中，二氧化碳还原成有机分子的反应可以自发进行。（详见上一篇文章中的氧化还原电位问题。）两者合并，在质子梯度存在的前提下，氢气将二氧化碳还原为有机物的反应可以放能。
• 动力学上：碱性热液喷口附近岩石表面的金属离子可以充当催化剂，显著降低活化能。这些金属离子的催化效率虽然低，但是随着进化，金属离子周围逐渐有蛋白质修饰，进而演化为今天的生物酶分子。
• 碱性热液喷口的微孔结构存在热泳效应，可以让有机分子高度浓缩，有助于反应速率。微孔也可以让脂类分子自发形成囊泡，包裹各类有机分子，形成细胞的雏形。
• （此时尚无遗传信息及其复制，此套理论也没有解释遗传信息分子的进化，但是可以推论，生化反应随着进化而不断复杂，出现了 DNA、RNA、核糖体等生物信息相关的物质和结构。）
• 其中氢气还原二氧化碳的催化剂，进化成为了能量转换氢化酶 (energy-converting hydrogsase，简称Ech)，负责碳代谢。它嵌在原始细胞膜上，在质子从膜外进入膜内的过程中完成催化。这一机制直到今天的产甲烷细菌仍在使用。
• 类似地，ATP 合成酶也镶嵌在原始细胞膜上，在质子从膜外进入膜内的过程中催化合成 ATP，负责能量代谢。
• 此时的膜结构无法阻止质子跨膜，也就无法依靠自身维持质子梯度，于是只能存在于碱性热液喷口附近。
• 后来早期细胞进化出了一个反向转运蛋白 (antiporter)，用一个钠离子交换一个水合氢离子跨膜。膜外的氢离子浓度高于膜内，于是氢离子从膜外进入膜内；钠离子离开原始细胞，并无法通过扩散透过原始细胞膜，但是他的尺寸类似水合氢离子，于是可以通过 Ech 和 ATP 合成酶回到膜内，驱动碳代谢和能量代谢。
• 这种方式减弱了对外界氢离子浓度的依赖，扩大了原始细胞的生存范围。
• 然后出现了细菌和古菌的分化：
  • 产乙酸菌（细菌）的祖先倒转了 Ech 的方向，让其成为了维持质子浓度并消耗能量的质子泵，利用其他机制进行谈代谢。
  • 产甲烷菌（古菌）的祖先演化出一个新的质子泵来运出质子，仍用质子通过原来的 Ech 来进行碳代谢。
• 两种生物采取了不同的方式维持质子浓度，也就导致膜的选择性也是独立演化出来的，磷脂分子的结构不同，细胞壁的成分也不同。

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看得出来，我们老板对这套理论应该是非常买账的。实验室刚创建还在施工，只能带着我们做 journal club 的时候就给我们安利过这套假说，之后也集中读过几篇反驳书中观点的论文，以及作者及其支持者们的回应，以及进一步的反驳。

没错，学界存在很大的一批势力，对这一理论大加挞伐：

首先是这个从原核细胞到真核细胞是一种进步的观点，已经不太符合现代生物学对 evolution 的理解了，甚至这个词现在都已经普遍不再翻译成“进化”，而代之以更中性的“演化”。

同一环境下能够幸存的所有物种，在演化看来都是成功的，并不存在谁比谁更优越，即便有，衡量标准也是该种群遗传信息的拷贝数，从这个意义上看，细菌和古菌往往比同一环境中的单细胞真核生物还更成功些。（我对拷贝数这个衡量标准倒是也有些保留意见。）

其次是这个“平均每个基因所能支配的能量”作为真核细胞优越性的标准，有点先射箭再画靶的嫌疑。

虽然正方的主要观点结集在这本书里，而反方主要发表在学术期刊上，给人一种民科大战官科的观感，但是两方曾在一些顶级生物期刊上正面笔战，双方也都是生物学研究的业内人士。

那些反驳论文是很久以前读的了，所以这里只是凭回忆概括一下，如果将来对这个问题还感兴趣的话，可能会再回去读一下。

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由于内共生事件是本书的主角，而它在时间上位于生物演化中间，本书的行文顺序容易让人丧失时间观念。

本来打算重新整理一下自己的笔记，写成一个编年史的体例，但是本书的很大篇幅用来讨论原因、机制、后果等等，试了一下发现效果也很不好。

而且作者的行文思路也很跳脱，经常跑一段题，然后后面无缝接回刚才的话题……

斗胆揣测一下原因，可能是是作者先写成了初稿，然后在编辑的威逼利诱下灌了水～

这就导致在每周的讨论时间，很多时候他们提出的问题，都是作者在书里已经写过的，需要我对照自己读汉语版做的笔记，倒回去找到英文版的章节，指给他们看。

当然了，也有可能是我个人的汉语阅读能力超出了其他人的英语阅读能力，但是这里的其他人包括了我老板，所以我觉得不太可能。

读书笔记

• Introduction: Why is life the way it is?
• Part I: The Problem
  • 1. What is life?
  • 2. What is living?
• Part II: The Origin of Life
  • 3. Energy at life’s origin
  • 4. The emergence of cells
• Part III: Complexity
  • 5. The origin of complex cells
  • 6. Sex and the origins of death
• Part IV: Predictions
  • 7. The power and the glory
  • Epilogue: From the deep

Introduction: Why is life the way it is?

开头，作者似乎甚至要把细菌开除生物户籍？好吧，是用 complex life 称呼以真核细胞为单元的复杂生命体。（那酵母呢？后文说单细胞阿米巴虫也算 complex life。）这个定义和 multicellularity 还不一样，也就是说，本书的内容范围远小于生物学研究对象的全体。

细菌之于生物，类似原子之于物质——Kluyver’s students Cornelis van Niel and Roger Stanier: “Bacteria like atoms could not be broken down any further.”

1. 线粒体和叶绿体起源的 endosymbiosis 假说。作者认为这两件事历史上各自只发生了一次，我有点怀疑。
2. 核糖体基因在不同种生物间的基因差异推断出的演化距离，从而把古菌 archaea 从 bacteria 中独立出来。
3. 基因对比表明内吞线粒体祖先的是一种 archaea. Bill Martin & Miklós Müller 认为真核生物的出现和线粒体祖先被内吞是一回事。

作者的观点是：这一内吞给真核生物带来了能量上的优势。呼吸作用的能量基本用于质子泵产生跨膜质子梯度。

Part I: The Problem - 1. What is life?

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人对于地外生物的想象，其实是反映了对地球生物特征的模糊总结，和无意识的刻板印象。

物理学试图回答为什么物理定律是我们所知道的样子。（呵呵。）但是生物学很少有这方面的 predictability. （可预测性和为什么之间能划等号吗？）

Jacques Monod 在《Chance and Necessity》中认为，生命的产生来自于偶然。

其他人反对道，（实际作者也持这种观点，）生命是宇宙化学的必然产物。一些物理定律可能会限制生物进化，导致趋同演化。

但是由于只有一个地球，从统计学上来看，没办法判定到底有没有这样的定律，以及是哪些定律。进化论擅长总结历史，很难预测未来。作者认为能量的限制就是一个物理上的限制，也就是这本书的核心主张。

薛定谔的《啥是生命》里认为，遗传物质是一种 aperiodic crystal，并非严格重复的结构，从而可以成为代码本。

不同物种的基因量很反常识。洋葱、小麦、阿米巴虫的基因数量和DNA量比人类多。不同种类的两栖类的基因量跨度在两个数量级，其中能达到人类的 40 倍。

基因组结构和尺寸没有明显的物理限制，其携带的信息就也不受限制。生物本应该可以在自然选择之下长成相应环境的最优解，但历史上的古生物显然不是这样的。所以这种限制不来自基因组。

A brief history of the first 2 billion years of life

早期地球：

诞生于 45 亿年前，开始的约 7 亿年不断受到小行星撞击，其中一个有火星的大小，并导致了月球的产生。早期岩石在地球上已找不到，但是在月球上可以找到。

锆石晶体络合的分子表明：地球很早就出现了水，而且温度不高，和地球早期是到处都有沸腾岩浆的炼狱的传统观点不符；气体方面，传统观点认为空气中充满甲烷、氢气、氨气，新发现认为氧化物较多，如二氧化碳、水蒸气、氮气、二氧化硫，除了没有氧气和今天的大气层很像。结论：细菌可以在这样的环境中演化。

早期生命：

格陵兰西南的 Isua 和 Akilia 是已知最早的岩石，可追溯到 38 亿年前。生命的证据是岩石中碳颗粒中各同位素的比例，因为生物基本上只利用较轻的同位素。有人不同意这是生命的证据，作者认为即便不是，这种地球化学作用也是非生命到生命连续谱上的一环。

澳大利亚和南非的古岩石包含了细胞化石，这是生物存在的确定证据。

32 亿年前的地层出现了铁和碳的富集，这是原始光合作用的产物。

29 — 24 亿年前，制氧的光合作用出现，至于 22 亿年前的大氧化事件，导致了地球的冰川化。至此生物的绝大多数生化反应都以出现，由细菌和古菌完成。

（下一节中提到）16 —12 亿年前开始出现真核细胞的化石。7.5—6 亿年前，在一段地质活跃和冰球期之后，氧气含量再次快速上升，大到直径 1 米的生物化石开始出现，随后再一次大灭绝，5.41 亿年前寒武纪物种大爆发，大量动物开始出现。

The problem with genes and environment

最传统观点认为氧气是个好东西，它的出现为进化松开了刹车，因为细胞有氧呼吸产生的能量（以能量而非功率衡量？按细胞平均还是按化学反应平均？）比其他呼吸方式高 1 个数量级。

稍新一点的观点认为氧气不是好东西，过于活泼且对无氧呼吸的物种有毒。生命是靠共生和内共生才克服了氧气的存在，进化出了今天有氧呼吸的复杂物种。

作者不同意后一种观点的潜台词——基因和环境构成了生物学所研究的一切，而氧气是环境的核心变量，塑造了进化图景。作者认为基因和环境之外，细胞和物理限制也是生物学的研究对象，而且后者很少能从前者直接得到答案。

如果有无氧气是导致进化爆发与否的原因的话，作者认为应该看到今天的好氧生物进化自多种细菌祖先，即 polyphyletic radiation。而如果进化的瓶颈是生命本身的结构的话，我们就会看到有着“正确”结构的少数甚至单一谱系的后代占据大量生态位。

这正是真核细胞的出现时的情况，而从单细胞到多细胞反而有大约 30 个独立的进化路径。

The black hole at the heart of biology

前一节的 polyphyletic radiation 可以来自于自然选择，也可以是内共生的结果。但是现实并非如此。真核细胞生命体的细胞之间几乎看不到（内共生理论描述的现象之外的）区别。（那细胞壁呢？）

内共生理论本身不排除 polyphyletic radiation. Margulis 的原教旨内共生理论甚至认为所有细胞器都是内共生而来。已知超过一千种的没有线粒体的真核生物似乎支持了这一理论，其中 Giardia 甚至有两个细胞核，Cavalier-Smith 把它们叫做 archezoa，主张这些物种是内吞线粒体之前的真核细胞，因此真核细胞在内共生之前就有真核细胞的各种特征，并非来自外部。（这个结论认为线粒体只能是第一种被内吞的细胞器，理由呢？其他细胞器不是内吞而来的，证据是基因吗，可靠吗？）总之这是现代真核细胞起源的教科书级观点。

现代基因组研究发现，这些物钟并非原核生物和真核生物的过渡，而是曾有包括线粒体在内的真核生物的一切结构，然后在进化中把线粒体简化成了 hydrogenosomes 或 mitosomes。

（解决了刚听说这本书的时候我的质疑：）That does not in itself mean that the origin of complex cells was a rare event. In principle, complex cells could have arisen on numerous occasions, but only one group persisted – all the rest died out for some reason. 但是作者又加强了自己的观点：这种其他合并事件的后代被淘汰的场景也没有发生。（为什么）

据共同祖先，可以将真核细胞根据形态分为 5 组，各组组内的基因差异大于五组原始祖先的基因差异。符合 early radiation 尤其是 monophyletic radiation 的结果。除了叶绿体之外，原始祖先几乎啥都有了。

All are sexual, with a life cycle involving meiosis (reductive division) to form gametes like the sperm and egg, followed by the fusion of these gametes. The few eukaryotes that lose their sexuality tend to fall quickly extinct (quickly in this case meaning over a few million years). （等一下，酵母呢？）

问题来到了几乎什么都有了的初代真核生物，它的各部件是哪里来的呢？细菌没有任何往这方向演化的迹象。

The missing steps to complexity

作者也承认大量中性进化的积累本身会筛选掉进化的中间态，这符合原核生物和真核生物之间没有过渡物种的发现。（把我好闪，看了两遍才明白。）

但是这解释不了内共生是一个一次性事件。（前面也说了可能是多次发生，但是其他事件的后代没有留存下来，主张了这种情况没有发生，但是至今未举证。）

靶观点是两者之间的竞争，真核生物的适应性如此之强，以至于往真核生物某些特征发展的原核生物都被淘汰了。问题在于原核生物的数量众多，且基因可以横向转移，很难在演化中灭绝。所谓 oxygen holocaust，其实至今没有证据证明存在。

而且之前提到的 archaezoa，虽然他们不是演化上的中间物种，但却是生态位上的中间物种，说明这些生态位不会被淘汰。真核细胞可以再简化，但是原核细胞无法复杂化，可能的解释来自于他们的结构。

（作者说的细菌在有些情况下同时指真细菌 (bacteria, eubacteria) 和古菌 (archaea, archaebacteria)）两者基因和生化反应不同，但是形态相似。再次说明结构上的物理限制。

The wrong question

要回答复杂生命产生的原因，其答案需要强到足够发生，但有没有强到会在演化历程中多次发生。

答案并不能只从生物信息中寻找，需要演化的具体历史。

扯了扯熵和自由能。说下一章要讲自由能里“自由”的意思。

薛定谔的书名问错了问题，不应问 what is life, 而是 what is living.

Part I: The Problem - 2. What is living?

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作者认为病毒不 alive，因为没有自有的 active metabolism。

但随即自问，难道复杂生物不也是环境的寄生物吗。

区别在于量的不同，病毒存活的环境里有他们需要的一切，而植物几乎不太需要从环境摄取有机物，我们处于两者之间。

NASA 对生命的定义：a self-sustaining chemical system capable of Darwinian evolution

而一个生命体的生死状态也可能是连续的，比如病毒、孢子、水熊虫的休眠状态。为什么他们的这些状态不会按热力学第二定律衰变呢？这说明生命和活着还有区别。生命是关于结构的，而活着是关于生长、繁殖，和环境互相关联。

Energy, entropy and structure

反直觉的现象：孢子和把孢子磨碎到分子成分的水平，两者的熵变化不大。According to the careful measurements of the bioenergeticist Ted Battley, entropy barely changed.

（我感觉这一节完全扯淡，事实错误。）像磷脂双分子膜可以在水中自发形成，因为其分子有疏水基团，所以双分子膜的自由能比这些分子散落在水中的自由能更低。（我依然感觉这一节完全扯淡，作者在谈自由能和熵的时候没指明自己所说的对象。如果说打碎的孢子是水油混合的，那就说明系统不在热力学平衡态，静置等待油分子再成膜，（这些成分不可能自发变回原来的孢子，）然后计算熵值呢？）

（后面对于活化能的描述也很离谱，感觉连《细胞生物学精要》都没看过的水平。）

（）

Everything that happens in a living cell is spontaneous, and will take place on its own accord, given the right starting point.（这话不对吧）

The curiously narrow range of biological energy

A single cell consumes around 10 million molecules of ATP every second! … There are about 40 trillion cells in the human body, giving a total turnover of ATP of around 60–100 kilograms per day. … In fact, we contain only about 60 grams of ATP we know that every molecule of ATP is recharged once or twice a minute.

We use about 2 milliwatts of energy per gram – or some 130 watts for an average person weighing 65 kg, a bit more than a standard 100 watt light bulb. That may not sound like a lot, but per gram it is a factor of 10,000 more than the sun.

Bacteria such as E. coli can divide every 20 minutes. To fuel its growth E. coli consumes around 50 billion ATPs per cell division, some 50–100 times each cell’s mass.

生物的单位体重功率极高，但不违背物理定律，因为洒在地球上的太阳能的总功率更高。（@钱院士）

尽管如此，生物系统却及其受限于能量。

（下面的基本上就是高中生物奥赛的分子生物学部分～）

然后讲了讲 ATP 和 ADP，呼吸作用中的电子传递链，iron-sulphur cluster。就是说生物系统利用的是化学能，而不是热能、机械能、定向电流……（但是你说 UV radiation 就有点难绷。）另一个特殊之处在于 ATP 和 ADP 的转化是通过跨膜的质子泵完成的。

然后作者开始水字数。ATP 大小比作人的话，Complex I 就有一座摩天大楼那么大。将质子泵过膜有两个结果：一是膜两侧的质子浓度差，二是电荷浓度差/电势差。

The electric field you would experience in the vicinity of the membrane – the field strength – is 30 million volts per meter, equal to a bolt of lightning,

电势差驱动 ATP 合成酶。

For every ten protons that pass through the ATP synthase, the rotating head makes one complete turn, and three newly minted ATP molecules are released into the matrix.

A central puzzle in biology

Peter Mitchell 的化学渗透假说 (chemiosmotic hypothesis): https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/13771349/, 上文所说的过程叫做氧化磷酸化，1970s 才被解开。

John Walker’s Nobel Prize in 1997 for the structure of the ATP synthase

Mitchell 给出一个更深刻的问题：生物是怎么让内部不同于外部的？

不同于试管化学，生物体中的化学是向量化的，沿着膜的法线方向。

生物使用氧化还原反应提供自由能，（电子的空间分布）；使用质子在膜两侧的渗透压储能，（质子的空间分布）。为什么要这么做？于是引出下两节的内容：

Life is all about electrons

为什么要用氧化还原反应，答案比较简单，生物是碳基的，碳的最终来源主要是空气中的二氧化碳，正4价，而大分子有机物中的碳原子普遍低于 4 价，而改变化合价的反应自然就是氧化还原反应。

之所以要以碳为骨架，是因为碳有 4 个成价电子，且比硅电负性更高；有气体形态的氧化物。

但是现代物种中，碳代谢和能量代谢基本都独立开了，只由 ATP, thioesters 等少数几种分子链接，而且这些分子不需要生物通过氧化还原反应合成。

而且也有其他的反应被认为是生物最初的反应，比如氮气和甲烷在紫外线下合成氰化物。这样的反应为什么没有在今天为生物供能呢？

用电子传递链的好处是，这一链条的起始端并没限定反应物，不仅食物可以，一些细菌可以将矿物质和气体作为呼吸作用的反应物，而整个链条不会有太大变化。

链条的终点也不一定是氧气，而可以是很多其他氧化物，甚至一些细菌可以呼吸产生矿物质。

Life is all about protons

化学渗透现象的普遍性表明，这一机制在生物体中出现得非常早。与之同样普遍的是 DNA 转录成 RNA 再翻译成蛋白质的过程。

Archaea 和 bacteria 的区别主要在于内部的生化反应种类，比如 DNA 复制用到的酶，细胞壁的化学成分，发酵作用的生化通路，细胞膜的化学成份。在如此基本的地方都有区别的前提下，化学渗透却是普遍的。

这些异同对两者的共同祖先构成了疑问。

考虑膜，立了一个靶子：可能原始祖先有细菌一样的膜，然后 archaea 替换成了自己的膜——以适应高温环境。（这个归因哪来的？）后面就是对高温的反驳——细菌也能生活在高温里，而绝大多数环境下两者没有演化优势。

然后是，膜的具体成分区别（为什么不早说，是不是因为这会导致前面的疑问很傻逼？）是，细菌和古菌使用的是甘油的两种镜像异构体。但是两种合成甘油的酶在演化上并非很近的亲缘关系，也就是说 archaea 重新发明了一种酶，就为了利用同一种分子的异构体。因此祖先细胞膜成分应该和现代细胞很不一样。

化学渗透出现得很早这一观点也有问题，因为 ATP 合成酶的结构十分精巧。现代细胞的 ATP 合成酶只在膜不允许质子透过的情况下才能运转正常，而古细胞膜是可以允许质子透过的。在没有质子浓度差的情况下，如何演化一种需要质子浓度差的酶，就成了一个鸡生蛋生鸡的问题。

所以作者把这个问题和复杂生命的起源问题合并回答——化学渗透耦合将细菌和古菌困在他们的结构长达几十亿年的时间，直到一个偶然的内共生事件使得形成的真核细胞突破了能量限制。

Part II: The Origin of Life - 3. Energy at life’s origin

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（相对来说读起来质疑最小的一章～）

长链代谢路径+特异性的酶的作用是提高产物分子的特异性，从而避免生成不需要的副产物，节省能量。反过来说，在进化早期，产生同样的目标产物的过程会生产比现在多得多的副产物，对能量的需求反而更高。

In 1953, Stanley Miller was an earnest young PhD student in the lab of Nobel laureate Harold Urey. In his iconic experiment, Miller passed electrical discharges, simulating lightning, through flasks containing water and a mixture of reduced (electron-rich) gases reminiscent of the atmosphere of Jupiter… Amazingly, Miller succeeded in synthesizing a number of amino acids… Miller, in contrast, featured on the cover of Time magazine in 1953.

米勒-尤里实验和沃森-克里克解析 DNA 结构发生在同一年，但当时获得了更大的名声。两个发现其实都迷惑了生物学家：前者巩固了原始汤理论，后者让人将生命等同于信息，从而生命的起源等同于信息的起源，进一步编程信息分子自我复制的起源。

因为结构的复杂度，最早的自我复制因子不太可能是 DNA，RNA 比较符合原始信息分子的设定。于是传统观点认为原始汤产生了 RNA 世界，然后逐渐演化成今天的复杂世界。

但是能量上说不通，米勒-尤里实验即便在早期地球上能发生，闪电的能量和产物的数量很难满足生命产生的需要。紫外线更有希望一点，但是紫外线对现存的生物物质都是有害的，会导致其分解；且紫外线催化的有机反应的产物是氰化物，也是现存生物不利用的有毒物质。

所以支持这一观点的科学家在地质学上寻找海洋超量蒸发的事件，认为这些事件导致的有机物浓度升高，从而使早期生命活动得以发生。但是这样的剧烈事件对生物本身却是灾难性的。

生命是远离平衡态的 (equilibrium)，但也是稳态的 (steady state)，不断自我更新的同时维持不变的结构形式，这需要持续的能量流，来自俄裔比利时物理学家伊利亚·普利高金（Ilya Prigogine）提出的“耗散结构”（dissipative structure). （作者说这个过程和信息无关，我觉得不对，但是不影响其他结论。）

How to make a cell

细胞的特点：

1. 持续的活化碳供应，用来合成新的有机物
2. 自由能供应，用来驱动代谢生化反应，包括新的蛋白质和DNA等物质的合成；
3. 催化剂，用来加速和引导代谢反应；
4. 泄废弃物，遵循热力学第二定律，驱使化学反应以正确的方向进行；
5. 区隔化 (compartmentalization)，细胞式的结构，把内部和外部分隔开；
6. 遗传物质，即RNA、DNA或同等物质，用来承载信息，规定具体的结构和功能。

（然后他开始退回去谈上一节的信息分子复制了。~~感觉这本书的叙述顺序十分离谱，以至于各章节标题都有点问题，感觉像是被编辑无理裁切过一样。~~依然是在谈上面的六个特点，但不是从 1 到 6 的顺序～）（第 6 点：）新陈代谢和复制哪一个先出现？复制的指数性质使得代谢很难跟上遗传分子的增长速度。

（第 6 点：）Graham Cairns-Smith 主张最早的信息分子是矿物质而不是有机分子。比较离谱，因为晶体的编码量太小。

（第 1, 2 点：）脱水缩合反应在水溶液中为什么可行——与 ATP 水解耦合。

（第 5 点：）囊泡可以自然形成，因为会增加总体熵。（不同意。）这样可以在有限空间里获得较高的分子浓度。表面积和体积的量纲不同也会导致自发分裂。

没有细胞壁的 L 型细菌 (L-form bacteria) 正是使用这种出芽生殖方式来分裂

（第 4 点：）表面积与体积的比例问题，同时也限制了细胞的大小。这个问题的实质是反应物的供给与废物排泄的速度问题。原始汤理论对废物的移除又是一个根本的缺陷。因为在原始汤场景中，反应物和废物全都“腌”在一起。

（第 3 点：）现代生物都以蛋白质（酶）为催化剂，但RNA也有一定的催化能力。最初的生化反应应该由金属离子催化，这些离子直到今天也是一些酶的配体 ligand。

总而言之：大量的有机碳与能量流被引导流过无机催化剂。下一节是作者给出的具体答案：碱性深海热液喷口。这顺便也回答了上一章结尾的问题。

Hydrothermal vents as flow reactors

深海热液喷口（黑烟囱）：

水和岩浆的反应。

微生物学家约翰·鲍罗什 (John Baross) 开始研究。

金特·瓦赫特绍泽 (Günter Wächtershäuser) 提出了黄铁矿拉力反应机制来解释生命起源，但是问题很多：

• 这一机制需要一氧化碳而非二氧化碳做反应物。
• 温度太高，有机物会迅速降解为二氧化碳。
• 强劲水流会让有机物快速扩散，且黑烟囱本身寿命也只有几十年。

黄铁矿常由亚铁离子（Fe^2+）和硫离子（S^2–）形成不断重复的晶格。直到今天，很多酶的核心仍然存在亚铁与硫化物形成的铁硫簇，包括一些呼吸蛋白都是这样。这些作为酶核心的铁硫簇结构，本质上与铁硫矿物的晶格结构完全一样.

碱性热液喷口：

迈克·拉塞尔（Mike Russell）在一篇1988年发表在《自然》上的短文章中提出碱性热液喷口与生命起源的关系。（预言性的学说，而非观测结果。）Bill Martin 以微生物学家的视角加入研究。

（后面的内容就需要和下一节合并了，讲的都是这一学说的合理性，碱性只是合理性之一。）

The importance of being alkaline

• 通过地壳运动从地幔中露出表面的岩石中富含橄榄石。橄榄石与水反应，会生成一种名为蛇纹岩（serpentinite）的水合矿物。
• 大多发生在板块扩张中心附近的海床上，靠海水渗透到海床以下的岩层，有时深达数公里。60℃至90℃ 的温水。
• 它们的形状不是大张口、直接向海洋喷出强力水流的烟囱，而是布满互相通连、迷宫一样复杂的微孔结构。
  • 通过热泳（thermophoresis）过程，有机分子的浓度能达到起始浓度的数千甚至数百万倍。
  • 它可以让脂肪酸自发形成囊泡，还有可能让氨基酸聚合成蛋白质，让……任何增加分子浓度的过程，都会促进分子之间的化学作用。
• 它们不是酸性，而是强碱性。40亿年前的冥古宙，
  • 水中没有氧气，铁会以亚铁离子的形式溶解在水中。
  • 大气和海洋中的二氧化碳浓度比现在高得多。
    • 这么多无机碳供应使得这些远古的喷口结构发展不受限制；
    • 高浓度的二氧化碳使原始海洋酸化，让碳酸钙不容易沉淀
• 2000年第一个海底碱性热液喷口区被发现，并命名为“失落之城”。

高浓度的二氧化碳、微酸的海洋、碱性热液，再加上含有铁硫矿的喷口薄壁，这一组合——

• 从热力学角度看，
  • 二氧化碳会与氢气反应生成甲烷。这是一个放热反应，如果有机会，这个反应会自动发生。
  • 这里的特定条件包括适中的温度，以及不能有氧气。
  • 这些条件下，且环境温度在25℃至125℃之间，以二氧化碳和氢气为原料合成全套细胞生命物质（包括氨基酸、脂肪酸、碳水化合物、核苷酸，等等）是放热反应
• 二氧化碳和氢气之间还有一道动力学障壁需要应对两道能量障壁。
  • 第一道需要跨过去，达到甲醛和甲醇的还原程度；
  • 第二道则绝不能跨过，细胞现在绝不能让反应进行到底，生成甲烷。

从氧化还原程度来看，生命大致相当于甲醛与甲醇的混合物。

而让上述反应在动力学上可行的，就是质子浓度梯度，也就是下一节的内容。

Proton Power

还原电位和电负性两个概念之间是什么关系？【Link】

中性环境中，氢气的还原电位是 -414mV，甲酸盐的还原电位是 -430mV，甲醛还原电位是 -580mV——氢气不可能还原二氧化碳。

分子的还原电位经常随着pH值改变，也就是随质子浓度的变化而变化。但是方向对于上述三者是一样的，单纯改变pH值没有任何作用，氢气仍然不可能还原二氧化碳。

现在考虑隔着一层膜的质子梯度，膜两边的质子浓度（酸性）不同。在 pH 值为 10 的环境中，氢气的还原电位是 -584mV；在 pH 值为 6 的环境中，甲酸盐的还原电位是 -370mV，甲醛是 -520mV——氢气还原二氧化碳非常容易。

碱性热液喷口就存在这样的现象。

电子究竟是如何从氢气传递到二氧化碳的？答案就在薄壁结构中，那些嵌在微孔薄壁上的硫铁矿物质。它们虽然远没有铜导线那么好用，但还是会导电。

（然后作者开始把命题加强，从“碱性热液喷口可以是生命起源”也就是充分性，试图加强为几乎只能是这一路径，甚至外星生命也是。）

• 橄榄石是宇宙中最丰富的矿物之一，也是星际尘埃和吸积盘（accretion disc）的主要成分之一。包括地球在内的所有行星都是由吸积盘形成的。甚至太空中也可能发生橄榄石的蛇纹岩化作用，其实就是星际尘埃的水合。
• 另一种丰富的物质是二氧化碳。太阳系大多数行星大气中，甚至在其他星系的行星大气中也探测到了二氧化碳。
• 在几乎所有存在水的岩石行星上，我们都能找到它们。根据化学和地质学规律，它们会形成温暖的碱性热液喷口，会在催化性微孔系统的薄壁两侧形成质子梯度。

Part II: The Origin of Life - 4. The Emergence of Cells

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种系发生学：phylogenetics

生命树只是根据核糖体次基团 RNA 的编码基因序列的相似性进行的绘制的。而用其他 48 种保守基因对 50 种细菌和古菌进行绘制的话，每一种都会得到一个不同的树图，仅有的共性是源头细菌和古菌的分叉，以及末尾的分类。

细菌和古菌的共性在于转录和翻译过程用到的酶、ATP 合成酶.

差异在于 DNA 复制过程中用到的酶、细胞膜磷脂的手性。

靶观点包括：

• 共同祖先同时拥有两套，细菌和古菌各自丢弃了其中一套。
• 细菌继承了共同祖先，古菌为了适应极端环境独立进化出一套，取代了共同祖先的。

作者认为：共同祖先并不能执行不同之处所完成的生物功能，依赖环境提供，然后细菌和古菌各自进化出一套方案，取代从环境中获取。

The rocky road to LUCA

乙酰辅酶A 是生物世界六条固定碳元素的化学反应途径种，唯一同时存在于细菌和古菌的。

酶本身很复杂，但是活性基团只是乙酰基，而酶基团替换成甲基的硫代乙酸甲酯，可能在碱性热液喷口附近合成，催化剂是金属矿物，质子梯度由量转换氢化酶 (Ech) 驱动反应。

The problem of membrane permeability

今天的细胞膜对质子来说几乎不可渗透。

早期的细胞膜并非如此。这导致了古细胞无法自己生成质子梯度，但是古细胞直接利用碱性热液喷口的质子梯度。但是直接利用反而要求膜对质子的透过率要高，进化上不支持不可渗透膜的出现。

解释利用到水合氢离子和钠离子的尺寸相似性，共同祖先有一个反向转运蛋白 (antiporter)，用一个钠离子交换一个水合氢离子跨膜，且钠离子也可以驱动质子泵。这使得古细胞可以扩大生存范围，在质子梯度不那么大的地方，自发产生质子梯度和膜的选择性就有了演化优势。

Why bacteria and archaea are fundamentally different

产乙酸菌（细菌）与产甲烷菌（古菌）都利用氢气和二氧化碳制造乙酰辅酶A，通过电子歧化 (bifurcation) 机制。

细菌和古菌的区别，就在于反向转运蛋白运输钠离子和质子的方向。

• 始组细胞中，天然质子流从外向内通过 Ech，用来还原铁氧环蛋白，铁氧环蛋白还原二氧化碳。
• 细菌也就是产乙酸菌的祖先，倒转了 Ech 的方向，铁氧环蛋白被用来泵出质子，借电子歧化还原二氧化碳。
• 古菌也就是产甲烷菌的祖先，演化出一个新的质子泵来运出质子，仍用质子通过原来的 Ech 还原铁氧环蛋白，铁氧环蛋白还原二氧化碳。

两个分类的生物独自维持质子梯度，导致膜的选择性也是独立演化出来的，磷脂分子的结构不同，细胞壁的成分也不同，（取决于细胞膜的性质。）

Part III: Complexity - 5. The Origin of Complex Cells

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细菌和古菌的基因多样性高于真核生物，但是结构复杂性不如：体积、基因组尺寸

具体的结构限制众说纷纭：

• 失去细胞壁：卡瓦里耶·史密斯假说。但是蓝藻和蓝细菌都有细胞壁，复杂度依然差很多
• 没有棒状染色体：环状 DNA 只能在一个地方开始复制，棒状有多个启动子平行工作。但是无法解释为什么没有演化出棒状，且有些细菌有棒状，依然结构简单。
• 作者支持的观点：线粒体提供的能量

The chimeric origin of complexity

大约 1/3 真核基因在细菌和古菌种都有等价基因，但是对应的物种在演化树中的位置却相距甚远。其中 3/4 来自细菌，1/4 来自古菌。

而那些没有对应的基因，被称作真核生物的“识别基因”。

• “古老真核假说”的解释：这些识别基因才是古老的基因，始于生命诞生之初，与其他分支之间的相似性随着时间流逝而磨灭。推论为真核细胞通过某些机制收纳了原核细胞的基因，比如内共生。然后是作者的反对：
  • 先是诉诸动机，略幼稚。
  • 化石记录中的原核生物比真核生物古老。现在没有找到内共生线粒体之前的真核生物。
• 作者支持的解释，“嵌合起源假说”：
  • 真核生物的识别基因还是来自细菌或古菌的某些祖先基因，只是因为它们演化得比其他基因快得多，对新功能的适应性演化完全抹去了过往历史，所以失去了与原核生物亲缘基因序列的相似性。
  • 真核生物的细菌型基因来源远不仅限于 α-变形菌。根据已有研究的大致推测，至少有25种不同的现代细菌类群都为真核生物提供过基因。
  • 在生命树的真核生物分支内部，所有这些细菌型和古菌型基因都一起分支、共同演化。很明显，真核生物在演化早期就获得了它们。排除了在真核生物的后续演化途中，持续的水平基因转移的影响。
  • 一下子就从原核生物身上取走了好几千个基因，然后就再也没与原核生物进行过基因交流。对此最简单的解释，不是细菌式的水平基因转移，而是真核细胞式的内共生。

引出“嵌合起源假说”的困难：曾经有25种不同的细菌和7～8种不同的古菌在演化早期全体参与了一场基因乱交派对，或者说一次单细胞生物的共生狂欢节，而在之后的整个真核生物史中，彼此都不再联系，这实在令人难以置信。

• 很可能是真核生物最初是从某一群细菌中一次性获取了大量基因，而这群细菌后来慢慢分化了。剩下的仍然保持细菌的自由生活，在之后的15亿年间奉行水平基因转移，四处散播它们的基因。所以，它们古老的基因组合，现在会散布在很多现代细菌种群之中。

Why bacteria are still bacteria

为什么它会永远保留在所有的细菌、古菌和真核生物身上。难道没有某种生物丢弃化学渗透偶联，代之以其他更好的能量机制？没有这种可能吗？

有，发酵作用。速度较快，对原料的使用效率却较低。是生物除了化学渗透偶联之外唯一已知的产能方式。

化学渗透偶联的好处：

• 第二章
• 灵活，它像是一个公共操作系统，支持多种电子供体和受体即插即用，还允许小范围的改装来产生更好的效果。
• 相关基因可以通过水平基因转移在种群之间交流，就像把新的应用程序安装到其他兼容系统中。
• 可以从任何环境中挤出最后一滴能量。它让细胞可以把能量“零钱”储存起来。如果需要10个质子才能合成1个ATP分子，而某个化学反应释放的能量只够泵出4个质子，那只需要把反应重复3次，泵出12个质子，再抽出其中10个就可以用来制造ATP分子。

化学渗透偶联的其他作用

• 摄取营养和排泄废物；
• 转动细菌的鞭毛（一种可以旋转的外部推进结构），让细菌可以自由运动；
• 被故意耗散，用来产生热量，褐色脂肪细胞就会这样做。
• 质子梯度的崩解还被用来启动细菌种群突然的“程序性死亡”。

Energy per gene

比较生物的能量水平的方法

• 平均每克物质的能量。一克细菌和一克真核细胞的代谢率（测量标准是氧气的消耗速率，又称呼吸速率）：细菌的呼吸速率通常比单细胞真核生物更快，平均快3倍左右。
• 单个细胞的代谢率：50种细菌和20种单细胞真核生物，这些真核生物的平均体积大约是细菌的15,000倍⑥。已知它们的呼吸速率是细菌的1/3，那么平均每个真核生物细胞每秒消耗的氧气是细菌细胞的5,000倍。真核细胞的体积比细菌大得多，DNA也多得多。即便如此，单个真核细胞还是比细菌细胞多了5,000倍的能量。
• 每个基因平均分配到的能量：真核生物比原核生物基因多了1,200倍。
• 把细菌基因组的大小（5,000个）比例放大到真核生物基因组的水平（20,000个），那么细菌每个基因的平均能量：就只有真核生物的1/5,000。
  • 真核生物要么能够负担比细菌大5,000倍的基因组，
  • 要么能为每个基因的表达提供比细菌多5,000倍的能量
• 把细菌放大到真核细胞的大小，虽然ATP合成增加了625倍，但能量开销却增加了15,000倍，每份基因拷贝的平均能量反而减少为原来的1/25。另外，细菌和真核细胞每基因平均能量差距本来就有5,000倍之大（校正基因组大小之后的数字），5,000除以1/25，125,000倍！

多出的能量的用途：

• 单细胞生物复制DNA，大概只用到总能量的2%。
• 80%的能量用于合成蛋白质。每连接一个肽键至少要花费5个ATP，5倍于聚合核苷酸生成DNA花费的能量。
• 一个基因组中基因越多，合成蛋白质所需的能量就越多。这一结果可以通过简单统计核糖体数量来估算。（我有疑问）
  • 大肠杆菌这样的普通细菌，平均有13,000个核糖体；而一个肝脏细胞至少有1,300万个核糖体，数量是细菌的1,000～10,000倍。
  • 大肠杆菌这样的普通细菌，平均有13,000个核糖体；而一个肝脏细胞至少有1,300万个核糖体，数量是细菌的1,000～10,000倍。

不只来自于尺寸的差异——把细菌的体积也增大到真核生物的平均尺寸，再来计算每个基因要花费多少能量。

• 更大的细菌可以制造更多的ATP
• 更大的体积也需要合成更多的蛋白质，消耗更多的ATP
• 如果存在大如真核细胞的细菌，它每个基因的平均能量，比起同体积的真核细胞只有二十万分之一
  • 表面积与体积之比：细菌放大到真核生物的尺寸，它的细胞半径会增加25倍，表面积则会增加625倍。
  • 小小的基因组孤单地坐在细胞核里，现在要负责生产数量暴涨625倍的核糖体、蛋白质、RNA和脂质，还要在扩张到这么大的细胞空间内运送它们，成果仅仅是与从前一样的每单位面积ATP合成速率
  • 要让蛋白质合成增长625倍，就需要625份完整的细菌基因组，而且每个基因组都以同样的方式运作。这样对每个细菌成员来说，每个基因的平均能量就跟原来一模一样。
  • 真实情况比这还糟糕。细胞的内部空间现在可是放大了15,000倍。内部的代谢活动还没有明确；我们把它当成空白处理，即能量需求算成零。
    • 这个放大的细菌就无法与真核细胞相提并论，毕竟真核细胞不只在体积上增加了15,000倍，其内部还充满了各种复杂的生化机器。
    • 把细菌放大到真核细胞的大小，虽然ATP合成增加了625倍，但能量开销却增加了15,000倍，每份基因拷贝的平均能量反而减少为原来的1/25。另外，细菌和真核细胞每基因平均能量差距本来就有5,000倍之大（校正基因组大小之后的数字），5,000除以1/25，125,000倍！
  • 例证：巨大的细菌
    • 刺骨鱼菌（Epulopiscium）是一种厌氧菌，仅见于刺尾鱼（surgeonfish）后肠的无氧环境中。狭长身躯大约有半毫米长，肉眼可见。刺骨鱼菌的基因组拷贝多达20万份
    • 嗜硫珠菌（Thiomargarita），还要更大，是直径接近一毫米的球菌，其绝大部分体积都由一个硕大的液泡占据。单独一个嗜硫珠菌可以长到果蝇的头那么大！嗜硫珠菌细胞虽然大部分都是液泡，也有18,000份基因组拷贝。
    • 两种巨型细菌的基因组位置都很靠近细胞膜，分布在细胞膜内侧附近（图23）。细菌的中心位置则没有什么代谢活动。

How eukaryotes escaped

细菌受到的严重能量限制倒是强有力的证据，可以证明嵌合起源是复杂生物诞生的必备条件。只有两种原核生物之间的内共生作用，才能打破加在细菌和古菌身上的能量桎梏。

巨型细菌面临的问题是，要保持巨大的形态，它们就必须把整个基因组复制上几千次。但是一旦复制出来，基因组就无所事事了。细胞内所有的基因组是彼此完全一样的拷贝。即使有些细微的差异，也不受制于自然选择，因为它们不是自我复制的个体。同一细胞内的众多基因组即使出现变异，经过数代之后，也会像杂音一样消失。

环境在不断改变，刚才那个无用的基因，现在可能又有用了。缺了它，细菌现在无法生长，除非通过水平基因转移再次获取。这种丢弃又重新获取基因的动态变化不断轮回，主导了细菌种群的构成。

随着时间推移，细胞基因组的大小会逐渐稳定为一个最小可行的尺寸，而单个细菌可以随时从一个大得多的宏基因组（metagenome，整个种群的基因总和，另外还包括可以进行基因交流的亲缘种群）中获取基因。

• 几代之后，快速分裂的细菌就会在种群中取得绝对优势。要获得生长速度上的微小优势，一个办法就是从基因组中丢弃一些DNA
• 环境在不断改变，刚才那个无用的基因，现在可能又有用了。需要通过水平基因转移再次获取。
• 一个大肠杆菌有4,000个基因，但大肠杆菌的宏基因组大概有18,000个基因。

细菌类的内共生体，丢弃不必要基因的细菌会稍许提高复制速度，逐渐成为主流。关键差异在于环境的稳定性。不需要的基因就永远都不需要了。内共生体可以永久性地丢弃它们，基因组单向萎缩。

内共生体的共同发展趋势，都是丢弃自己的基因。

• 原核生物没有吞噬作用，无法吞噬其他细胞，所以它们之间的内共生作用很罕见。但是在细菌中，我们又确实知道几个现成的例子（图25）。这些例子的意义很清楚：原核生物的内共生确实会发生。
• 几种真菌也有内共生体，虽然它们和细菌一样，也不会进行吞噬作用。
• 而那些真正有吞噬作用的真核生物经常包含内共生体，已知的例子就有好几百个。

最小的细菌基因组通常都发现于内共生体。

• 比如立克次体，这种曾经毁灭了拿破仑侵俄大军的斑疹伤寒病原体，其基因组只有100万个碱基对，不到大肠杆菌基因组的1/4。
• 另一种细菌Carsonella是寄生于木虱科昆虫的内共生体，它有目前已知最小的细菌基因组，只有大约20万对碱基，比某些植物的线粒体基因组还小。

内共生体丢弃基因的好处：

• 加快复制，还可以节省ATP。
  • 考虑5% 的能量节省，理论上每秒省下的58万个ATP可以用来制造4.5微米长的肌动蛋白。
  • 人类以及所有动物的线粒体，只保留了13个能够编码蛋白质的基因。经过漫长的演化，它们的基因组丢弃了99%以上的基因。
• 这些多余的DNA片段，就成为真核生物演化的基因原材料。与细菌相比，最早的真核生物多了大约3,000个新的基因家族。新的基因可以被改造来执行各种各样的新功能，而且没有新增的能量开销。

上述理论的问题：

• 一些细菌（例如蓝细菌）会内化自己的生物能量膜，把细胞膜向内折叠成繁复的盘绕结构，这样可以大幅增加膜面积。为什么细菌不能通过这样的膜内化作用脱离化学渗透偶联的限制呢？
• 为什么线粒体没有完全丢弃整个基因组，让能量收益达到极致呢？

Mitochondria — key to complexity

线粒体为什么始终保留着一小群基因？

• 也许并没有什么必然的生物物理原因，让这些基因非得留在线粒体中不可。它们之所以没有转移到细胞核中，并不是因为不行，只是因为演化史发展到现在，它们还没有转移。有些学者正努力尝试。
• 也许如果没有保留这些基因，线粒体就不能存在。这些线粒体基因必须坚守现场，紧挨它们为之服务的生物能量膜。

在战争中，“黄金控制”指中央政府，负责制定长远战略；“白银控制”指军队的指挥层，负责人员和武器调度；但战争的胜负是在战场上决定的，掌握在“青铜控制”的手中；他们是那些真正与敌军交锋的勇士。他们做出战术决定，激励手下部队，作为伟大的战士被历史铭记。线粒体基因就是青铜控制，现场的决策者。

• 线粒体内膜的两侧有大约150～200毫伏的电位差，而膜的厚度只有5纳米。
• 如果呼吸链不能好好地把电子传递给氧气（或其他任何电子受体），那就会导致类似短路的状况，即电子逃逸后，直接与氧气或氮气分子发生反应，形成反应性很强的自由基（free radicals）。
• 如果线粒体基因被移到细胞核内，那么当发生氧气浓度改变、基质缺乏或自由基泄漏等严重情况时，线粒体几分钟内就会失去对膜电位的控制，细胞就会死亡。
• 极少数真核生物丢掉了全部的线粒体基因，它们也失去了呼吸能力。比如氢酶体和纺锤剩体（发现于源真核生物体内、由线粒体特化形成的细胞器），一般都失去了所有基因，代价就是失去了化学渗透偶联的能力。
• 前面讨论过的巨型细菌，总是把基因（应该说整个基因组）保留在生物能量膜旁边。
• 拥有盘曲折叠内膜的蓝细菌。如果这些基因确实有必要留在现场才能控制呼吸作用，那么虽然蓝细菌小得多，也应该与巨型细菌一样，把整个基因组复制很多份，放在膜附近。它们的确是这样的。

替代方案：利用细菌的质粒（plasmid）

• 对原核生物来说，变大本身并没有优势，生产过剩的ATP也不会增加什么好处。
• 单纯变大的第二个缺点，是细菌需要建立补给线来支持细胞内更远的代谢活动。

真核生物如何突破尺寸的约束而演化出复杂的运输系统？他们的“氢气假说”认为，

• 宿主和内共生体之间是一种新陈代谢的“互养”（syntrophy）关系，意义在于彼此交换生长所需的基质，而不只是能量。
• 宿主体内的内共生体越多，就可以获得更多的基质，生长越快，内共生体的生存条件也越好。所以，在内共生作用的影响下，细胞越大越有好处
• 内共生体开始丢弃基因时，它们对ATP的需求也随之降低。那么当所有的ADP都转换成ATP后，呼吸作用就会停止。呼吸链就会开始累积电子。演化提供了一个关键的蛋白质来救场：ADP-ATP转运蛋白（ADP-ATP transporter）

Part III: Complexity - 6. Sex and the Origins of Death

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内共生作用促使真核生物崛起不是达尔文式的演化，因为它不是一系列逐代继承的微步改变，而是突然一跃进入未知领域，这种事件无法用标准的分支生命树图来展示。内共生作用是反向的树状图，它的树枝不是分叉，而是融合。

但是内共生作用也是一次单一事件，发生于演化史中的一个时间节点，并不能一下子制造出细胞核，或者真核生物的任何其他主要特征。它的作用是触发了一系列后续事件，而这些事件的发展过程是标准的达尔文式演化。所以，并不是说真核生物的起源不符合达尔文式的演化理论。我认为，原核生物之间的单一内共生事件，使自然选择的整个场景彻底改观。

理查德·戈尔德施密特（Richard Goldschmidt）提出的演化假说.

以内共生作用为起点，立即对各个事件的发生顺序产生了一些限制。例如，细胞核与内膜系统必定出现在内共生作用之后；演化的实际发生速度也受到了一定限制。

达尔文式的演化与渐变论（gradualism）经常被混为一谈，

• 渐变的意思很简单：演化不会大跨步飞跃进入未知领域。所有的适应性变化，都应由微小而不连续的分步构成。
• 纯粹的达尔文式演化。但这并不等于是说，这个过程在地质时间上一定会很慢。

眼睛出现于寒武纪大爆发时期，在大约两百万年之内就演化出来了。数学模型曾经计算过，某种蠕虫身上原始的感光眼点演化成眼睛，假设平均生命周期为一年，每一代形态改变都不超过1%，答案是只需要50万年。

演化史上的原核生物到真核生物的空白：

• 要跨越原核生物与真核生物之间艰险的鸿沟，基因组合上可行的路径并不多，大部分探索者都中途而亡。
• 这意味着最初的种群应该很小，最初的真核生物基因都不稳定，它们在一个很小的种群内快速演化，挣扎求生。
• 所有的真核生物都拥有众多完全相同的特征。真核生物诞生之初，生殖隔离似乎并未发生，因为所有的真核生物都有一样的基本特征，很像是一个可以互相交配生殖的种群。有性生殖。

有性生殖 vs. 无性生殖

• 无性生殖（即“克隆”）会导致深远的发散演化，因为不同种群内的不同突变都会累积下来。这些突变在不同的环境中接受自然选择，面对的优势和劣势也迥然各异。
• 有性生殖在种群内部形成基因池，不断地混合匹配各种特征，从而阻止分化。
• 水平基因转移也涉及基因重组，也会变换不同的基因组合，造成“流动”的染色体。但并不是对等交换基因，也没有细胞融合或全基因组的系统性重组。水平基因转移是零敲碎打，而且是单向的，它无法对种群中的个体特征进行各种组合，反而会造成个体之间的分化。水平基因转移盛行的结果，是同一种细菌的不同菌株之间可能有多达一半的基因都不一样

两个原核生物之间的内共生作用是否有某种特殊效应，推动了有性生殖的演化？当然是的。

The secret in the structure of our genes

真核生物有着“破碎的基因”。

• 我们一度被早期的细菌基因研究误导，认为人类染色体上的基因也应该像漂亮的珠串一般，按照有意义的顺序排列。
• 它们由好几个较短的序列组成，每一段编码蛋白质的一部分；
• 这些编码区域之间插入了长长的非编码DNA序列，我们称之为内含子（introns）。通常都比真正的编码序列长得多。
• 每个基因中通常都插入了好几段内含子（基因通常的定义是，编码一整个蛋白质的DNA序列）
• 内含子也会被转录到RNA上。不过在抵达核糖体之前，RNA上的内含子就已经被全部剪切掉。靠另一种精巧的纳米蛋白小机器——剪接体（spliceosome）来执行。

好处：同一个基因可以通过不同的剪接方式拼出不同的蛋白质。比如抗体

来源：

• Ford Doolittle “内含子早现理论”：
  • 早期的基因因为缺少现代基因复杂的修复机制，在复制过程中一定会迅速累积许多错误。DNA的长度会决定DNA上累积的突变数量，所以只有很短的基因组才可能避开突变熔毁的命运。
  • 假说给出的最重要一项预测，就是“真核生物最先演化出现”，因为只有真核生物才有真正的内含子。当代的全基因组测序无可争辩地显示，真核生物起源于古菌宿主和细菌内共生体。
• 内共生体。
  • 细菌没有“真正的内含子”，但内含子的前身必定来自细菌，更准确地说，来自细菌的基因寄生物 (bacterial genetic parasites)，正式名称是移动II型自剪接内含子 (mobile group II self-splicing introns)。
    • 这些移动内含子很可能非常古老，在三大域生物的基因组中都存在。
    • 而它们又与逆转录病毒不同，从不需要离开宿主基因组这个安乐窝。
    • 它们存在于基因之间的非编码区域，而且密度很低。
  • 剪接体并非完全由蛋白质组成，其核心是一把RNA剪刀，和移动内含子的剪刀完全一样。它们剪切真核生物内含子的方式暴露了其来源，即细菌的自剪接内含子
    • 内含子不会编码逆转录酶等蛋白质，也不能把自己切入或切出宿主DNA；
    • 它们不是活动的基因寄生物，而是DNA序列上的赘疣，无所事事地待在那里。
    • 但这些已经死亡的内含子，被累积的突变完全侵蚀，衰退得不成形状，却远比那些活着的寄生物更危险，因为它们再也无法剪切自己，宿主细胞必须主动移除它们。
    • 宿主的办法就是从它们还活着的亲戚那里征用RNA剪刀。剪接体就是一种用细菌基因寄生物改造而成的真核生物机器。
  • Eugene Koonin 和马丁：在真核生物诞生之初，内共生体在毫无防备的宿主体内放出了一群基因寄生物。内含子的入侵扩散到整个宿主基因组，塑造了真核生物基因组的基本结构，同时也推动了真核生物某些基本特征的形成，比如细胞核。我再补充一点：性。

Introns and the origin of the nucleus

许多内含子在真核生物基因组中的位置都固定不变. 柠檬酸合酶（citrate synthase）基因总是含有2～3个内含子，而且插入位置几乎总是完全一样。

• 内含子是各自独立插入这些位置的，出于某种原因，这些位置受到自然选择的青睐。
• 过去某个时刻插入了共祖的基因组，只发生了一次，并传给了所有后代。

直系同源基因 (ortholog) 和旁系同源基因 (paralog):

• 直系同源基因基本是继承自共祖的共同基因，在不同物种的体内执行一模一样的功能。
• 旁系同源基因，同样来自一个共同的祖先，但那个祖先基因却在同一个祖先细胞中经历了多次复制，形成了一个基因家族。

旁系同源基因家族区分为“古老”和“近代”两类:

• 古老：存在于所有真核生物中，但没有在任何原核生物中分化复制过的基因家族
• 近代：只有在某些特定的真核生物种类中才有的基因家族，比如动物或植物。这种基因家族内的复制发生得较晚，是在那个特定生物种类的演化中发生的

与近代旁系同源基因相比，古老旁系同源基因中内含子的位置应该更不规则。基因组测序的分析结果表明，库宁的预测非常准确。

为什么这些内含子在细菌和古菌体内受到严格的控制，在真核生物细胞内却大肆扩散呢？

• 最早的真核细胞（其实那时基本上还是个原核细胞，底子是一个古菌）基因组遭到了细菌内含子的大轰炸。如果宿主体内有很多内共生体，其中一个死亡并无大碍，但是这个已经死亡的内共生体，会把自己的DNA释放到胞质溶胶中。这些跳船的DNA很可能通过标准的水平基因转移方式，与宿主细胞的基因组发生重组。
• 没有什么自然选择压力来限制早期内含子扩散。对细菌来说内含子在能量和基因方面是双重负担。真核生物的基因组可以自由扩充核基因组，正是因为内共生体的基因组不断缩小。宿主细胞并不会有计划地扩充基因组；之所以会扩充，只是因为更大的基因组也不会受到自然选择对细菌那样的惩罚。

细胞核膜的出现

• 剪接体还是要花几分钟时间才能切掉一段内含子。偏偏核糖体的工作速度奇快，每秒钟可以组装10个氨基酸，制造一个标准的细菌蛋白质（长度约为250个氨基酸）只需不到半分钟
• 细胞核膜就是这道障碍，可以把转录和转译两个过程分开。
• 这就解释了为什么真核生物需要细胞核，而原核生物不需要。原核生物根本没有内含子的麻烦。

基因分析表明，宿主细胞是一个货真价实的古菌，所以它的细胞膜必然含有古菌脂质。但是，今天的真核生物膜却含有细菌脂质。

• 可行性：各种细菌脂质和古菌脂质混合形成的嵌合膜，其实都是稳定的。
• 动力：内共生体到宿主的混乱基因转移，一定包括了负责合成细菌脂质的基因。

核膜产生的过程

• 如果诱发某种突变，导致细菌的脂质合成速度加快，多余的脂质就会积聚形成内膜。脂质在自己合成之处附近积聚，结果是围绕着基因组形成了一堆堆脂质“小袋子”。
• 一堆堆脂质小袋子也可以在DNA和核糖体之间临时拼凑起一道不太完美的障碍，减轻一点内含子带来的麻烦。
• 这道障碍其实必须有缺口。完全封闭的膜反而会让RNA无法接触核糖体。
• 核膜的形态非常符合这个假设。脂质小袋子就像塑料袋一样，可以被压扁。一个压扁的袋子，其横截面是两片紧贴且平行的膜，即双层膜结构。
• 当细胞分裂时，核膜会散开，还原成分离的小囊泡；分裂完成后，这些小囊泡会生长并再次融合，重新形成两个子细胞的核膜。
• 所有这些部件都由嵌合来源的蛋白质组成，一些蛋白质由细菌基因编码，少数由古菌基因编码，剩下的编码基因只有真核生物才有。除非细胞核是在获取线粒体后才演化出现的，是那次基因大规模混乱迁移的后续事件，否则我们根本无法解释这种基因组合模式。

The origin of sex

染色体这种排列整齐进行基因重组的现象，在细菌和古菌的水平基因转移过程中也有出现，但一般不是对等进行的。细菌只是用这种机制修复受损的染色体，或是重新纳入以前丢弃的基因。两类基因重组用到的分子机器基本相同。

有性生殖的特别之处在于重组的规模和对等基因交换。有性生殖可以打破原本固定的基因组合，让自然选择可以“看见”单独的基因，把我们的特质逐个分列出来。让真核生物拥有“流动”的染色体，组合中的基因版本不断变动（同一个基因的不同版本用专业术语说就是等位基因）。

设想基因排列在一条染色体上，从不进行重组。

• 自然选择只能鉴别整条染色体的适应能力。假设这条染色体上有几个非常重要的基因，稍有突变就会导致个体死亡。然而，对其他不太重要的基因突变，自然选择几乎无动于衷。轻微却有害的突变会在这些基因上逐渐积累，因为它们导致的小麻烦，会被保留几个关键基因带来的重大利益抵消。
• 积极地作用于固定基因组合，结果可能更糟。这条染色体上的其他99个基因也会搭上优秀基因的便车

缺点：

• 打破在特定环境中已经获得成功的等位基因组合。
• 无性生殖的种群每一代的数量都可以翻倍；而有性生殖的种群数量，还是和原来一样（从细胞的角度来计算）。
• 必须先找到一个配偶：雄性代价、性病、基因寄生体

有性生殖在真核生物中的完全普及，远远超过了“合理”的程度。原因很可能在于，真核生物的最后共祖已经是有性生殖。

萨莉·奥托（Sally Otto）和尼克·巴顿（Nick Barton）：当基因突变率很高、自然选择压力很大，以及种群中充满基因多态性时，有性生殖的优势最大。

• 无性生殖，高突变率意味着轻微有害的突变累积得更快，在发生选择性清除时损失也更大。基因组大到一定程度，突变熔毁就不可避免。基因组越大，就越难通过水平基因转移获取“正确”的基因。
• 选择压力，来自寄生感染与变化的环境。只有全基因组范围内的重组才能有效增加基因多态性。会有一些细胞的内含子插在糟糕的位置上，也会有一些细胞的内含子插在较为无害的位置。接下去，自然选择会淘汰那些最不幸的细胞。
• 基因多态，细菌和古菌通常都有单条环状染色体，而真核生物则有多条棒状染色体。
  • 为什么是这样？最简单的答案是，当内含子切进切出基因组时，它们可能导致染色体形状出错。
  • 这种通过有性生殖和基因重组来累积新基因的倾向，能很好地解释早期真核生物的基因组为什么会膨胀。

如何

• 分离染色体：普通细菌那样用细胞膜附着染色体。细菌分离大型质粒的机制 → 真核生物细胞分裂时使用的纺锤体。早期真核生物为了分开那些杂乱的染色体，很可能沿用了细菌的质粒分离机制。
• 细胞融合：没有在有细胞壁的细菌中发现。L型细菌因为没有细胞壁就很容易融合。早期真核祖先很可能会积极主动地进行细胞融合。尼尔·布莱克斯通（Neil Blackstone）认为，早期的细胞融合可能由线粒体推动。（但是没说线粒体是怎么做到的。）

Two sexes

为什么生物的性别总是两种

不是两种的好处：

• 同一种性别，那我们可以与任何人交配。我们选择伴侣的机会一下子增加了一倍
• 三种、四种都比两种更好。就算限定只能与不同性别的个体交配，那我们可以和种群中2/3或3/4的人交配，而不仅仅是一半

双方都不愿意承担充任“雌性”的代价。雌雄同体的生物，比如扁形虫，交配时会竭尽全力防止自己受精。

最深刻的差异之一，在于线粒体的遗传。只有一种性别会把线粒体传给下一代，

而单细胞藻类尽管会产生完全相同的配子（即同形配子，isogametes），结合时也只有一个配子可以把线粒体传下去；另一个配子的线粒体会从内部被消化掉。准确地说，只有线粒体DNA会被消化掉，看来问题在于容不下这些线粒体的基因.

前面说线粒体煽动了有性生殖（并没给出很坚实的证据。），但是有性生殖并不会让线粒体传播得更快，有一半的线粒体传不下去。（然后是类似《自私的基因》一书的论证，但是这种因果关系的命题，有实验验证吗，什么样的实验构成验证呢？）（而且前面似乎暗示内吞线粒体活动实际上一次吞了好多个，那么当时线粒体祖先之间的竞争岂不是更加激烈吗？）

作者的新观点：线粒体基因必须适应细胞核基因。线粒体的单亲遗传原因很可能在于改善两个基因组之间的相互适应。取样效应，将每一个线粒体弄进新细胞然后繁殖，结果是一群线粒体基因不同的细胞，如果一起弄进去，结果是一堆线粒体基因十分相似的细胞。多态性 (variance)

数值模拟表明，单亲遗传的基因在种群中很难扩散，更不可能达到 fixed point。突变线粒体越多，维持品质的代价越高；突变线粒体越少，单亲遗传的好处越小。

如果两种交配型（出于其他原因）已经存在，那么在某些条件下，单亲遗传突变基因会在种群中趋于固定。条件就是细胞内有大量线粒体，且线粒体基因的突变率很高。

交配型 vs. “真正的性别”

Immortal germline, mortal body

在很多代的时间跨度上，线粒体基因的演化速度比核基因快 10~50 倍。但最早出现的动物和我们大不一样：它们的形态类似于海绵或者珊瑚，是固着型的滤食动物，不会四处移动（至少在成年阶段不会）。它们的细胞没有很多线粒体也在意料之中，线粒体基因的突变率也很低，可能比核基因的突变率更低。

Arunas Radzvilavicius: 多细胞生物普通细胞的分裂效果与单亲遗传相似，它们都会增加细胞之间的多态性。因为普通分裂大概率没办法完美地均分线粒体的突变基因。

两种策略：

• 没有特化组织，全身到处都有干细胞，随机选择干细胞成为生殖细胞。这种策略下线粒体的多态性高，作为应对，此类生物线粒体数量少，突变率低，自然选择淘汰糟糕的生殖细胞糟糕个体的后代，但是个体的品质取决于最差的器官。
• 一开始卵细胞就有更多线粒体，这样分给多个接收者时，差异比倍增复制再分给后代更小。而精子不遗传自己的线粒体，其多态性不减少，自然选择的效果依然明显。此类生物组织类型众多，且组织之间互相依赖。生殖细胞在胚胎发育之初就被藏匿起来，应对线粒体基因的高突变率。

明确的、可以验证的预测，我们很想付诸实验。首选的实验生物就是海绵和珊瑚。二者都有精子与卵子，但都没有隔离的种系。如果我们不断选择线粒体突变率高的个体，它们会发展出隔离的种系吗？

突变率为何升高：物活动增加，细胞和蛋白质的物质周转量随之增加。寒武纪大爆发前夕的海洋充氧事件，催生了活跃的两侧对称动物（Bilateria）

“动物隔离出专门的种系。”中的“种系”到底是什么意思？

死亡是身体预先计划好的、命中注定的终点。种系的不朽在于它们可以不断分裂下去，既不会衰老，也不会死去。这些特化的生殖细胞被藏匿起来，身体的其他部分就可以为了其他的专门用途而各自特化，首次出现了不能自我再生的组织。

以这个视角看待整整40亿年的生命史，线粒体就处在真核生物演化的中心。

（那这样看的话，非真核细胞就没有死亡的概念？也没有种系的概念？后者显然不能成立。）

Part IV: Predictions - 7. The Power and the Glory

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呼吸蛋白具有独特的线粒体基因与核基因双重性质，互相完美镶嵌，犹如天作之合。线粒体表面上有自主性，好像随时想分裂就分裂，但这只是假象。事实上，它们功能的正常运转依赖于两个不同的基因组。

（这种嵌合难道不和之前线粒体基因的“青铜控制”的功能相矛盾吗？）

氧化还原两个中心之间的距离每增加1埃，电子的传递速率就会降低为原来的1/10。

有性生殖对维持大型基因组中个体基因的正常运作是必需的，而两性有助于维持线粒体的质量。这导致的意外后果就是，两个基因组的演化方式完全不同。线粒体基因的演化速度比核基因快了10～50倍

（这个说法似乎意味着两性首先是由是否将线粒体（尤其是其基因）传递给后代来定义的，而不是由性染色体的不同而定义的，但是这样不意味着性染色体的出现应当和线粒体的基因转移高度相关吗，事实上线粒体转移到细胞核的基因有这种分布的集中性吗？）（后文有提到，但是并没完全解决我的疑问。）

大概是演化的短视最好的例子，最简单的原因就是繁殖速度，基因组越小的细菌繁殖得越快，长此以往就会成为主流。

因为一些线粒体死亡后，其DNA释放到宿主胞质溶胶中，然后被细胞核纳入。这个过程会持续进行。一些迁移到细胞核的DNA后来获得了一段导向序列，就像一个地址代码。

演化中必定有一个过渡阶段，在细胞核和幸存的线粒体中同时存在同一个基因的拷贝。除了我们线粒体中保留的13个蛋白质编码基因（只占原先基因组的不到1%），都是核基因组的拷贝被保留，线粒体的拷贝被丢弃。这种明确的趋势看起来不像是随机作用。

一个可能的影响因素是雄性的品质。线粒体是母系遗传，从母亲传给女儿，所以不可能对有利于男性的线粒体基因变体进行选择。男性线粒体中即使突变出有利于男性的基因，也不会传下去。

另一个可能的原因是，线粒体的基因很占空间，腾出来就可以放置进行呼吸作用或其他过程的结构。

On the origin of species

直接互相关联的基因改变速度大致相同，比如编码呼吸链蛋白的各个基因；而其他核基因的改变（演化）速度则慢得多。线粒体基因的变化会导致与它们互动的核基因发生代偿性改变（compensatory change），反之亦然。

如果线粒体基因组与核基因组配合不佳，就是细胞程序性死亡（或称细胞凋亡，apoptosis）的触发机制。

• 各个氧化还原中心塞满了电子，前几个氧化还原中心都是铁硫簇，其中的铁在高还原态下会从Fe3+变成Fe2+（被还原）。
• Fe2+可以直接与氧气反应，生成带负电的超氧自由基O2·–。
• 自由基数量超过一定的阈值，就会氧化附近的内膜脂质，尤其是心磷脂。造成一种呼吸蛋白——细胞色素c脱离内膜。
• 失去了细胞色素c，电子再也无法到达呼吸链的终点，电子流也就完全中断。
• 不会简单地分解成碎片，而是会从内部释放出一大群蛋白质刽子手：半胱天冬酶（caspase enzyme）。它们会把细胞中的DNA、RNA、碳水化合物和蛋白质等大分子切成碎片。
• 这些碎片会用小块的细胞膜包起来，形成一个个囊泡，再喂给周围的细胞。

杂种衰退：线粒体基因组与核基因组的不兼容，是否造成了物种起源中更普遍的杂种衰退现象？分化（speciation）是真核生物不可避免的发展趋势。而且它的影响有时比其他机制更明显，原因就在于线粒体基因的演化速度。

道格·华莱士（Doug Wallace）认为，线粒体处于生物适应的最前线。线粒体基因的快速演变，让动物能够迅速适应食物和气候变化。这是适应的第一步，之后才是更缓慢的形态适应。

Sex determination and Haldane’s rule

Haldane’s rule：异种动物相互交配产生的杂种一代中，如果有一种性别缺失、稀少或者不育，那么这一性别就是杂合（heterozygous，也可称为异配heterogametic）性别。解释：性选择对雄性的影响更大，无法解释为什么雄鸟反而比雌鸟更不容易受到杂种衰退的影响。

寄生虫、染色体数量、荷尔蒙、环境因素、压力、种群密度，甚至线粒体，都可能决定动物的性别。有更深刻的机制在发挥作用。决定性别的具体机制如此多样，而两种性别的发育又如此一致，这也意味着性别决定（即雄性发育或雌性发育的过程）应该有一个非常根本的共同基础，不同基因的作用只是表层的细节点缀而已。

厄休拉·密特沃克（Ursula Mittwoch）提出性别由代谢率决定的假说。

人类Y染色体上的SRY基因，能够提高这些生长因子活性的突变，就能诱发性别转换，让本来没有Y染色体（或SRY基因）的雌性胚胎发育成雄性。相反，降低生长因子活性的突变会有反向的效果，会让Y染色体功能正常的雄性胚胎发育成雌性。

Haldane’s rule 和性别由代谢率决定的假说的关系：

不育和无法存活都代表着某种功能缺陷。能量需求最高的细胞会最先发生能量短缺而死亡。这正是线粒体疾病的问题所在。假设两个细胞有相同的线粒体，如果两个细胞的代谢需求不同，那么结果也会不同。生物的大脑很大但不可替换能留下更多的健康后代，那当然它们就会繁衍兴盛。只有当生殖细胞与体细胞存在根本差异时，自然选择才能这样运作。但这也意味着肉体成了用完即弃的载体，寿命有限。最终，那些无法满足自身代谢需求的细胞会终结我们的生命。

以上的探讨，为霍尔丹法则提供了一个简单明快的解释：代谢率最快的性别，最容易发生不育或者无法成活。

例子：谷物害虫赤拟谷盗与近亲物种弗氏拟谷盗杂交、植物中细胞质雄性不育、果蝇胞质杂合细胞、雌鸟必须精心挑选交配对象

The threshold of death

光靠堆积线粒体无法提升功率。有氧运动的肌肉中，最优化的空间分配大概是肌原纤维、线粒体和毛细血管各占1/3。拥有强大有氧代谢能力的代价，就是低生殖力。

我把死亡的门槛提高，也就是说，我可以承受更多的自由基泄漏，而不至于启动凋亡。生殖力得到提升。问题是，我需要为此付出什么代价？后代只有很小的概率能拥有完美匹配的线粒体与核基因，这会直接导致另一种利弊平衡：适应性与疾病。

作者怀疑，导致早期隐性流产中很大一部分是缘于线粒体－核不兼容。

高死亡门槛会带来一个间接的，然而也是终极的代价：更快地衰老，以及更容易罹患各种老年病。

The free-radical theory of ageing

自由基老化理论，源于20世纪50年代的辐射生物学（radiation biology）研究。电离辐射可以分解水分子，生成各种高反应性的“碎片”，带有一个不成对的电子，这就是氧自由基。

蕾韦卡·格施曼（Rebeca Gerschman）、丹汉姆·哈曼（Danham Harman）等研究者都认识到：在线粒体中，同样的自由基可以直接从氧气产生，不需要电离辐射。

一些著名的科学家，尤其是诺贝尔奖得主莱纳斯·鲍林（Linus Pauling），都相信抗氧化剂的神话；他们采取超量维生素C疗法，每天吃好几匙的剂量。

《自由基生物学和医学》（Free Radicals in Biology and Medicine），这是哈利维尔（Barry Halliwell）和古特利基（John Gutteridge）编写的经典教科书：“到90年代已经很清楚，抗氧化剂绝不是抗衰老和疾病的万灵药。只有边缘保健产业还在推销这种观念。”

研究人类的衰老过程时，我们没有测量到线粒体的自由基泄漏出现任何系统性的增加。线粒体的突变数量会有少许增加，但除了极少数组织区域，整体的突变比例低得惊人，远低于可能引发线粒体疾病的程度。促氧化剂（pro-oxidants）反而能够延长动物的寿命。

安东尼奥·恩里格斯（Antonio Enriques）与同事通过细胞培养实验表明，使用抗氧化剂阻断自由基信号相当危险，可能会抑制ATP合成。看来，自由基信号可以通过增加呼吸蛋白复合体的数量来加强线粒体的呼吸能力，从而分别优化每个线粒体中的呼吸作用。

自由基信号的根本意义在于：线粒体现在有问题，呼吸能力低于任务需求。

雷蒙德·珀尔（Raymond Pearl）的“生命率理论”（rate-of-living theory）：代谢率较低的动物（通常是大象等大型物种），一般比代谢率较高的动物（比如大鼠和小鼠）寿命长

自由基老化理论原始的假设认为，自由基是呼吸作用不可避免的副产物，参与呼吸作用的氧气中大约有1%～5%一定会转化为自由基。

所有传统实验测量的都是细胞或组织暴露在大气氧浓度下的情况，这个浓度远高于体内细胞接触到的实际氧气浓度。因此，实际的自由基泄漏速率可能比测量值低好几个数量级。

其次，自由基泄漏不是呼吸作用中不可避免的副产物，而是故意释放的信号；而自由基的泄漏率，在不同物种、不同组织、每天的不同时间、不同的荷尔蒙状态、不同的热量摄取、不同的运动水平之间都存在天壤之别。

真正的相关性，其实是在自由基泄漏与寿命长短之间。

衰老过程中，一些线粒体确实会发生突变，让细胞中的线粒体种群成为不同类型的混杂，有些与核基因配合较好，有些较差。想想这会带来什么问题。最不兼容的线粒体通常会泄漏最多的自由基，因此自我复制的拷贝会多于其他线粒体。

（自由基能在细胞内扩散吗？如果能的话，难道不是能促进所有的线粒体复制更多份吗？）

细胞要么死于凋亡，比如脑细胞或心肌细胞的情况呢？这个组织会逐渐流失，这些变化都是衰老的表现。

细胞没有死于凋亡，我们就能在“年迈”的细胞中发现线粒体突变的累积。经常引起慢性发炎和生长因子失调。刺激附近本来就有生长倾向的细胞，发展成癌症。

一定程度的卡路里限制和低碳水化合物饮食，才能有效延缓衰老。它们都会促进生理压力反应（就像促氧化剂的作用），能够清除一些有缺陷的细胞和线粒体，短期内有利于生存，不过，代价通常是降低生育力。

我们的祖先增加了有氧代谢能力、降低了自由基泄漏、降低了生育力，但同时延长了寿命。

Epilogue: From the Deep

明神海丘附着在深海热液喷口附近的多毛纲蠕虫。蠕虫身上的微生物——其实只是其中一个细胞。明神海丘准核细胞（Parakaryon myojinensis）

如果他们进行了全基因组测序，甚至只需要测定核糖体RNA的特征，就能更深刻地揭示这个细胞的真实身份，也能让这篇被人忽视的科学文献，变成《自然》级别的高影响力论文。但是他们把唯一的样本做成了电子显微镜切片。

• 一个经过高度演变的真核细胞，为了适应不寻常的生活方式改变了正常的构造，才能寄生在深海热液喷口的蠕虫身上。但这种可能性不高。因为很多其他的细胞都在类似的环境中生存
• 真的是一个中间型活化石，“真正的源真核生物”，不知如何能幸存至今。在稳定的深海环境中，它无法演化出现代真核生物的特征。它们并不是生活在从不改变的环境中，而是依附在多毛纲蠕虫的背上。蠕虫在真核生物演化初期显然尚不存在于世。
• 这是一个原核细胞，获取了一些内共生体，正在变成一个类似于真核生物的细胞，重演演化之路。

主线之外

一些散碎知识

核糖体在细胞器中算小的，人体肝脏细胞中约有千万量级，但从分子角度层面，这个结构又是一个大分子。

核糖体的转录错误率大概在 1/10,000.

古菌 archaea 并不比细菌更古老，反而比细菌更接近真核生物

Allen Telescope Array 射电望远镜阵列在北加州的山地上，听命于旨在搜寻地外生命的 SETI

人类 DNA 约有 30 亿字母，其中编码蛋白质的只有 2%，更大一部分用来进行基因调控，剩下的部分其功能科学家正在争论。

洋葱、小麦、阿米巴虫的基因数量和DNA量比人类多。不同种类的两栖类的基因量跨度在两个数量级，其中能达到人类的 40 倍。

Life, as biochemist Albert Szent-Györgyi observed, is nothing but an electron looking for a place to rest.

从单细胞到多细胞反而有大约 30 个独立的进化路径。

Such ideas trace their roots back to the early twentieth century to Richard Altmann, Konstantin Mereschkowski, George Portier, Ivan Wallin and others, who argued that all complex cells arose through symbioses between simpler cells.

mitochondria derive from α-proteobacteria; chloroplasts (the photosynthetic machinery of plants), deriving from cyanobacteria.

端粒：telomeres

Eukaryotes have ‘genes in pieces’, in which short sections of DNA encoding proteins are interspersed by long non-coding regions, called introns.

一些时间段/时间点

• 5亿年/距今40亿年前：地球产生 5 亿年后，生命出现：
• 20亿年：生命体的形态 (morphology) 进化停留在细菌水平
• 距今15—20亿年前：动、植物、单细胞原生生物的共同祖先出现
• 5亿年前：Cambrian explosion
• 1670s/距今约350年前：细胞被 Antony van Leeuwenhoek 发现
• 1677：Robert Hooke 也观察描述了细胞
• 1944：Schorödinger 发表 What is Life：1. 生命对抗熵增。2. 生命成功的关键在基因
• 1953：Crick & Watson 的第二篇 Nature 文章：
• 1958：Francis Crick 提出研究氨基酸序列信息 “protein taxonomy”
• 1961：Peter Mitchell 提出跨膜质子泵具有类似水库的储能作用。
• 1967：Lynn Margulis 提出线粒体和叶绿体的 endosymbiosis 假说
• 1960s—：Carl Woese 对比不同物种的编码同一核糖体结构的基因序列
• 40年前：Jacques Monod 写作了 Chance and Necessity
• 1998：Bill Martin 提出复杂生命来自 archaeon 宿主和后来成为线粒体的细菌的内共生合并。
• 2011：Lynn Margulis 去世

讨论手记

June 7, 2024 ’s discussion: prologue to chapter 1

mitochondrion 的基因组在内膜里面，我本以为在外面。在外面意味着假设今天的线粒体外膜是细胞膜，从而他自己有膜结构。在里面意味着内膜才是原始生物的细胞膜，线粒体外膜是胞吞时的囊泡膜。（维基百科有图）

叶绿体 DNA 在什么位置？第 5 章有提及

Endosymbiosis 在实验室里就能做。我问实验条件是否严格，是想问在自然环境下有多大概率发生，感觉老板答非所问。

Endosymbiosis 之后的问题才更难，两个分裂周期不同的指数生长的生命体，怎么同步生长率，等等类似问题。

老板推荐的文章：https://www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674(24)00182-X.pdf

Sex: https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1501725112; 自然环境中的酵母细胞一般是二倍体，实验室用的单倍体是特殊处理后获得的。

cell wall, 把老板难住了。（好像在第三章提到了）

我们的呼吸作用前几步发生在细胞质，而这在需氧细菌中发生在它们的细胞质，等效于我们的线粒体内膜里面，把老板难住了

被认为内吞线粒体的那种 archaea 最近在实验室养殖出来了。有 histone

June 14, 2024’s discussion: chapter 2 & 3

ATP ↔ ADP+Pi 的好处已经说了，可以灵活地耦合在各种 ΔG > 0 的化学反应里，使总反应的 ΔG < 0，让他们在热力学和动力学上可行。

为什么一定要用 ATP ↔ ADP+Pi？

我们讨论的结果是理想状况下其实可以不一定用（比如燃料电池的电极），但是—— the ability to wait, and the tolerance to environmental noise

Geometry problem：这些反应总需要一定的空间来发生，（还是说需要电极/天线来耦合不同的反应。）

June 21, 2024 discussion: chapter 2, 3 again

老板的观点：DNA 或者遗传信息分子基本上充当了电池的作用，里面的信息转化成了自由能，驱动了细胞的能量变化的各种活动。

我的问题：逆向的中心法则，在原始细胞里，先有原始的 DNA 分子，进行信息→物质的或称

PURE system in a test tube

Error catastrophe of replicators in a German journal

July 5, 2024 discussion: chapter 4

Started with Figure 19.

Huge debate of ocean mixing

a prediction: modern does not have a proton gradient, but would a sodium ion gradient compensate this lack of gradient?

page 151 on english pdf

July 19, 2024 discussion: chapter 5

cell cycle synchronization

pathways only exists in bacteria but not eukayrote, TSZ

cytoskeleton are also found in bacteria

escort machinery, membrane shape in complex cells are also found in archae

triangle archae

forward scattering to select vell size

heteroplasmi

localization tags onto pop tags