如果達爾文的生命樹倒了？

　　為了說明不同物種在親緣關(guān)系上的遠近，100多年前達爾文發(fā)明了生命樹的概念。這棵在歷史上曾起過重要作用的生命樹，如今卻被分子生物學家砍到了，但這也許并非壞事。

　　1837年7月的一天，達爾文突然來了一陣靈感，他思索了一會兒，然后拿起筆在一本紅皮筆記本上畫下了一棵樹的草圖。

　　這不是一棵普通的樹，而是他用來說明不同物種在進化史上親緣關(guān)系的樹，被稱為“生命樹”;它展示了從一個物種是如何進化出許多分支物種的;它還指出各個物種在時間上出現(xiàn)的先后。達爾文認為生命樹反映了大自然的真實情況。

　　自那時起，生命樹成了理解生物進化的一個基本概念。在生命樹的最根部，是地球上所有生命的共同祖先，從這個祖先出發(fā)，生長出一條粗壯的樹干，這條樹干向上生長的過程中不斷分叉;每一個分支代表一個物種;大多數(shù)分支最后走進了死胡同，它們所代表的物種已經(jīng)滅絕，但少數(shù)卻存活下來。所以生命樹是地球上現(xiàn)有以及曾經(jīng)出現(xiàn)過的生命的完整記錄，每一物種，大到鯨魚，小到細菌，都可以在這棵樹上找到自己的位置。

　　在過去的150多年里，生物學家的一項重要任務就是不斷給這棵掛滿生命的巨樹添補細節(jié)，以便把所有物種“一網(wǎng)打盡”。這個目標看來幾乎伸手可及，但現(xiàn)在卻破滅了。因為有越來越多相反的證據(jù)表明，生命樹并不能反映大自然的真實情況，是一個需要拋棄的過時的概念。

分子生物學造了生命樹的反

　　那么發(fā)生了什么，事情竟然來了一百八十度的轉(zhuǎn)彎?在這場戲中唱主角的是DNA。1953年，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)為進化生物學開辟了新的前景。因為生命進化的歷史都寫在遺傳物質(zhì)上，我們只要讀出DNA序列以及其他生物分子譬如RNA和蛋白質(zhì)，就能還原生命的進化歷程。早先，生物學家確信，分子生物學必將為達爾文的生命樹提供更有力的證明，在生命樹上越接近的物種，它們的DNA、RNA和蛋白質(zhì)應該越相似。

　　剛開始一切進展順利。最早能被測序的分子是RNA。1970年代，通過比較不同動物、植物以及微生物的RNA序列，分子生物學家開始更準確地畫出生命樹的藍圖，甚至還在其上添上了生物的一類重要分支——古菌，原先它們被錯誤地劃到了細菌的類別里。到1980年代中期，人們普遍樂觀地認為先進的分子技術(shù)將幫助我們完善這棵生命樹。

　　【小資料】古菌

　　古菌是最古老的生命體，它們通常生活在各種極端自然環(huán)境下，如大洋底部的熱泉、鹽堿湖等。古菌的細胞膜和細胞壁的結(jié)構(gòu)與細菌的有所不同，所以要與細菌區(qū)別開來。古菌和細菌合起來就是我們所說的原核生物，這類生物沒有細胞核。而真核生物的細胞內(nèi)有細胞核。

　　但到了1990年代早期，隨著生物學家可以對細菌和古菌的DNA進行測序，而不再只局限于它們的RNA，問題就來了。人們原以為，DNA測序的結(jié)果會支持以往通過RNA測序畫出的生命樹，有時候情況的確如此，但有時候卻并不。譬如RNA測序告訴我們，物種A比起物種C來在親緣上更接近物種B，但DNA測序的結(jié)果則恰恰相反。

　　產(chǎn)生矛盾的原因是達爾文關(guān)于生命樹的概念是錯的。達爾文假設(shè)生命樹上的各個物種只存在垂直的親緣關(guān)系，即后來物種的基因完全來自祖先物種的遺傳，但要是不同物種之間也在經(jīng)常地交換遺傳物質(zhì)或者說雜交呢?

　　事情的確如此：當需要確定細菌或古菌在生命樹上的位置時，只有假設(shè)它們曾經(jīng)與別的物種經(jīng)常性地交換遺傳物質(zhì)才能解釋清楚，有時候這種基因交換在種間跨度很大，這個過程我們叫“水平基因交換”。

　　最初人們假設(shè)“水平基因交換”只是個小角色，它所交換的基因無非決定生命的一些次要功能，但后來證明這一點錯了，生物的一些重要功能也來自水平基因交換。

　　從生命樹到生命網(wǎng)

　　于是，有科學家開始重新審視生命樹的概念。早在1993年有人提出，對于細菌和古菌，生命樹與其說是一棵樹，不如說是一張網(wǎng)。1999年，有人甚至聲稱生命的歷史并不能用一棵樹來代表，生命樹并不能反映大自然真實的情況。

　　這樣，科學家就生命樹是否真實的問題展開了激烈的爭論。許多人利用電腦繼續(xù)畫生命樹，另一些人則建議放棄。

　　2008年，德國海涅大學的生物學家為這場爭論提供了更有力的證據(jù)。他們調(diào)查了181種原核生物的近50萬個基因序列，發(fā)現(xiàn)80%的序列存在水平基因交換的跡象。

　　更讓人吃驚的是，水平基因交換還把“黑手”伸進了真核生物的領(lǐng)域：在由兩個原核生物，一個是細菌，另一個是古菌融合而成的真核生物中，種系關(guān)系看起來更像是一個環(huán)，而不是一根樹枝。

　　生命樹還進一步被生物之間一種叫內(nèi)共生的關(guān)系所“玷污”。科學家普遍認為，在真核生物進化的早期，曾經(jīng)吞入兩個原核生物，這兩個原核生物僥幸躲過被消化的危險，在它的體內(nèi)保留了下來，形成一種互利合作的共生關(guān)系;現(xiàn)在則變成了真核生物體內(nèi)的細胞器：一個是細胞動力的來源——線粒體，另一個是植物進行光合作用的場所——葉綠體。而這些被吞噬的原核生物，把自己很大一部分基因貢獻給了宿主生物，形成雜合體基因。這就好比一個大單位吞并了一個小單位之后，為了集體的利益，不得不讓小單位的人也進入領(lǐng)導層參與管理一樣。更有甚者，兩個真核生物也會形成這種“你中有我，我中有你”的內(nèi)共生關(guān)系。

　　這種兩個物種基因共享的現(xiàn)象至今還在發(fā)生。大多數(shù)真核生物是單細胞生物，像阿米巴蟲、藻類等等。在它們身上，發(fā)生水平基因交換的頻率堪比細菌。它們之間的關(guān)系遠不是一棵樹所能表達的。

　　也許你會想，微生物之間發(fā)生基因交換跟我們有什么關(guān)系?畢竟我們所熟悉的生物，譬如動物和植物之間的關(guān)系能用一顆樹來準確表達。

　　但是你要知道，生物學是關(guān)于所有生命的一門科學。微生物在地球上生活了至少38億年，而多細胞生物才出現(xiàn)6.3億年。而且即使在今天，細菌、藻類等單細胞生物占地球上全部物種的90%以上，從個體數(shù)量來說，也遠超過多細胞生物。如果因多細胞生物的進化類似樹形，就由此就斷言地球上所有生命之間的關(guān)系也是樹形，那顯然是以偏概全。生命樹不過是錯綜復雜的生命網(wǎng)的一個局部現(xiàn)象，就好比在一條曲線上截取一小段，看起來像直線一樣。

　動植物的關(guān)系也不能用生命樹完全描述

　　更要命的是，即便動物和植物的進化也不能完全用生命樹來表示。例如，在植物的進化過程中，雜交就起到過非常重要的作用。生物學家經(jīng)過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，近14%的現(xiàn)存植物是通過雜交產(chǎn)生。

　　有些生物學家甚至確信，雜交也是動物進化的一個不可忽視的動力，并且至今還在發(fā)揮著作用。據(jù)調(diào)查，近10%的動物經(jīng)常性地與別的物種雜交，包括我們?nèi)祟悺１热缬凶C據(jù)表明，早期的現(xiàn)代智人曾經(jīng)與我們已經(jīng)滅絕的近親直立人和尼安德特人進行過雜交。而且雜交也并不是破壞動物關(guān)系樹形結(jié)構(gòu)的唯一因素，事實上，水平基因交換在動物身上也扮演著一個不小的角色。隨著多細胞生物基因測序的順利進行，人們在DNA上發(fā)現(xiàn)越來越多的“外來客”。比如2008年，美國得克薩斯州大學的科學家在包括老鼠、叢猴等8種動物身上發(fā)現(xiàn)一種特殊的DNA片段，而在包括人和大象等在內(nèi)的25種動物身上卻沒有。這說明這個片段是通過水平基因交換進入那8個物種的，媒介很可能是病毒、細菌或者寄生蟲。還有在幾年前，人們在一頭奶牛身上發(fā)現(xiàn)蛇的DNA片段，也是一個例子。

　　在人身上，估計有40%~50%的基因是通過以病毒為媒介的水平基因交換得來的，有的基因至今還發(fā)揮著重要的生理功能。在其他大型動物身上，大概也是類似的情況。

　　當然，沒有人說生命樹的概念在動物和植物的譜系中已經(jīng)毫無用處，事實上大約51%的多細胞生物之間的關(guān)系依然可以用生命樹來很好地描述。我們只是說，在整個地球生命的范圍內(nèi)，達爾文的生命樹已不再適用。但生命樹倒了，并不意味著進化論錯了，只是說進化比達爾文原先想象的要復雜得多。

　　當然，有些生物學家的觀點更激進。他們把生命樹的倒掉視為即將來臨的一場生物學革命的開始：達爾文進化論中核心的“生存競爭”的觀念應該讓位給由水平基因交換所揭示的“合作共生”的觀念。由此，我們的一些生物學基本觀念都要來一場大的轉(zhuǎn)變。

　　不管如何，生命樹的倒掉都是一件值得慶賀的事，因為這意味著我們對進化的認識躍上了一個新的臺階。