《复杂生命的起源》读书笔记

《复杂生命的起源》在读前我有两个误解，第一是这本书应该是讲哺乳动物等比较高级动物的起源；第二我认为这本书应该是从遗传学和进化学角度讲简单生命到复杂生命的演变史。结果读后完全颠覆了我的习惯性预想，它比我猜测的更专业，比我料想的视角更宏大。一句话概括，这是一本颠覆我认知，让我有耐心逐句仔细阅读的书；尽管受限于知识背景我只读懂了部分，但已经让我受益匪浅。

下面是我阅读时做的读书笔记，供同样喜欢这本书、或同样喜欢生物进化论的人共享。当然如果你还没有确定自己是否喜欢这本书，那先浏览下我的笔记也不错，这样会让你对这本书有个大概的认知，这有利于你的选择。

注:下面读书笔记是从有道云读书笔记复制过来的，丢失了格式，所以看起来比较乱。用有道云笔记分享链接内嵌到这个页面，但不能正常显示，不知道原因。原本它应该是下面这样。

简介

作者：【英】尼克·莱恩
译者：严曦
版次：第一版
出版社：后浪 贵州大学出版社

《复杂生命的起源》，只看书名你认为他讲的是那种生命的起源？脊柱动物，哺乳动物，还是人类？如果我告诉你他是在讲包括藻类、草履虫、昆虫、爬行动物、直至人的所有生物时你会怎么想？草履虫怎么算高等动物？把昆虫和人同等看待，不是对人的侮辱吗？但事实却是如此，在生物学家眼中简单生命和复杂生命的区别只是有没有细胞核，而根构成生命的细胞多少，或者说生命体的复杂程度无关。
那么生物学家为什么要用是否有细胞核来区分复杂生命？其实原因很简单，按照进化论含细菌和古菌在内的两种原核生命和其他真核生命属于进化断裂的两端，中间是当前不可知的深渊。并且从细胞角度看，人类和藻类、草履虫等并没有多大差异，更不用说更复杂的动植物了。
人们对生命进化的研究一直围绕生命的起源和进化两个主题，关于生命的诞生有我们熟悉的原始汤故事，而关于生命的进化则有达尔文的进化论。尤其随着近代生物技术的进步，人们对于生命的认知从细胞到DNA，再到基因，而基因是用A、T、C、G四个字母编码的信息序列，于是人们开始认为生命就是未知的编码集。这种将生命解码为字母的过程不仅是一种工具，也不仅是一种研究方法，更是一种认知论，且随着技术的越来越发达这种认知论越强大。
但生命真的是起源于雷电劈原始汤，生命的进化真是从细菌和古菌，到复杂生命的连续递进吗？用数字化的方法和认知论都无法解决这一问题，但将问题拖延或掩藏并不能真正解决问题，于是尼克·莱恩从供能的方式从头开始研究生命的起源和进化，并最终得出了不同于传统的起源和进化结论。
和原始汤及进化论一样，基于供能的研究结果依然属于推论，而不是基于化石等连续分析的明证。但在《复杂生命的起源》中尼克·莱恩推理严密，引证磅礴，看完后让人不得不信服。
那么《复杂生命的起源》中得出的结论一定就是正确的吗？不尽然，还得等待技术的进步和研究的深入进一步佐证。就像达尔文的进化论出现漏洞一样，只是因为达尔文对DNA，基因，遗传，细菌的水平基因转移等不了解所致，这是时代局限，每个研究者都不可避免。无论如何尼克·莱恩都比达尔文看的更远，因为他站在达尔文的肩上。
这部著作之所以经得起磅礴一词来形容，是因为它综合了生物学、化学、物理学、哲学等多学科知识，且作者将这诸多学科组合的恰到好处，就如细菌和古菌的嵌合共生一样。尽管在这部著作中作者尽量讲的通俗，语言也很简洁，但因为涵盖知识太过广博，因此阅读起来有一定困难，但只要坚持读完收益也匪浅。如果有生物学、化学、物理学相关知识背景可能读起来会容易一些，理解的也会深入一些；但没有这些背景也可以一读，只要理解一部分就不枉读过，我就是如此。

绪论

生物分为简单生物和复杂生物。复杂生物指有细胞核的生物。

生命在地球形成约5亿年后就已出现,距今大约40亿年。然而,此后的20多亿年中,也就是地球历史一半的时间,生命一直停滞在细菌水平。直到40亿年后的今天，细菌仍然保持简单的形态，虽然它们发展出丰富的生物化学代谢能力。所有形态复杂的生物,包括植物、动物、真菌、藻类和阿米巴原虫等单细胞原生生物,与细菌形成了鲜明的对比。它们是同一个祖先的后代，这个祖先大约于20亿~15亿年前出现，从外形到内在都是一种“现代”细胞,拥有精细的内部结构和空前的能量代谢水平。所有这些新特征,都由一套复杂的蛋白纳米机器驱动,由数以千计的新基因编码,而这些基因在细菌身上几乎从未发现。在复杂生命的共同祖先与细菌之间,没有现存的演化中间型，没有“缺失环节”来揭示为什么这些复杂的特征会出现,以及它们是如何演化的。在细菌的简单与其他一切生命令人敬畏的复杂之间,只有一片无法解释的空白。一个演化的黑洞。
批注：
40亿年前：细菌出现；
20-15亿年前复杂生物出现。

知识点1：生物学的三种认知革命
过去半个世纪出现了三次颠覆人类对生命观念的生物学革命。
第一次：1967年林恩·马古利斯提出，复杂细胞不是进化而来，而是合作共生的结果（内共生）；
第二次：卡尔·乌斯提出分支族谱理论，将生物分为细菌、复杂生物、古菌（新发现）。注：分支内差异很小，分支间差异很大；
第三次：前两大理论的融合理论，认为复杂生物是细菌和古菌的偶然融合；
马丁推测复杂生命起源于两种细胞之间的单一内共生事件。他认为，宿主细胞是古菌，不具有真核细胞的那些复杂特征；他还认为，从来就没有所谓的"中间型",即不存在尚未获得线粒体的简单真核细胞；线粒体的获得和复杂生命的起源，本来就是同一事件。他还认为，真核细胞那些精巧繁复的特征，诸如细胞核、性和吞噬作用，全都发生在获取线粒体之后，是在这种独特的内共生状态下演化而来的。

知识点2：生命供能方式
都通过质子（带正电荷的氢原子）回流来为自身提供能量，就像是某种电流——只是用质子代替了电子。我们通过呼吸作用氧化食物而获得的能量，被用来把质子泵过一层膜，在膜的另一边形成质子蓄积。从这个水库"回流的质子可以为细胞工作供能，如同水电站的涡轮电机。

全书核心：
为什么生命以如此令人困惑的路径演化（知识点1）？
为什么细胞的供能方式如此古怪（知识点2）？

能量与生命从一开始就密不可分，地球生命的基本特征源于一颗躁动行星的能量失衡。

第一部 问题

1 什么是生命

知识点1：生物演化的基本规律
因为物理和化学规律是客观稳定的，因此即使有外星生命，那么其演化规律也符合这一约束，从这个角度看生物演化的样本不是唯一的地球，而是无穷。
以地球上已知的演化规律来看，演化受制于偶然事件的改变，而不是连续的进化，因此演话规律无法预测演化的途径和方向。
能量的约束是客观的，可能是生物演化的基础约束条件。

知识点2：碳同位素在生物学中的作用

让我们快进几亿年。这个地质时代的生命证据更加可靠，且易于解读。澳大利亚和南非的古老岩石中含有外观非常像细胞的微体化石，虽然不太可能以现代方法为它们分类。这些微小的化石很多都含有暗示生命存在的碳同位素标记，更加稳定、明显。这表明这些微体化石是有秩序的新陈代谢，而不是随机的地热分馏过程造成的。而且，这些岩石中有些结构很像叠层石（ stromatolites )。叠层石是一种由细菌构成的大型拱状结构，其中单细胞生物层层覆盖生长，掩埋在底部的层级逐渐被矿物质置换，继而变成化石，最终形成奇特的高达一米的叠层石质结构。除了这些直接的化石证据，32亿年前的岩层还存在大规模地质构造，面积可达数百平方公里，深达数十米，包括条带状铁矿构造和富碳页岩。很多人认为细菌和矿物属于不同的领域，分别是生命与无生命物质；其实，很多沉积岩都是大规模的细菌活动造成的。例如条带状铁矿构造，黑红相间的条纹美丽夺目，其来源就与细菌有关。远古的海洋缺乏氧气，大量二价铁溶于海水，而细菌的化学活动剥离二价铁的电子，使其变为三价铁。不溶于水的三价铁（即铁锈的成分）附着在死去细菌的残躯上，大量沉积海底。这些富铁矿带为什么呈条纹状？至今还是个未解之谜。但是，同位素标记再次揭示了其中的生物影响。
这些巨大的沉积构造不仅标志着生命，还揭示了曾经存在的光合作用。那不是我们平日所见的由绿色植物和藻类进行的光合作用，而是一种更简单的初期形式。在所有的光合作用中，光的能量都被用来从供体上剥离电子，然后电子再被"强加"给二氧化碳分子，形成有机分子。不同形式的光合作用使用不同的电子供体，来源各异，最普遍的是溶解态的（二价）铁、硫化氢或者水。各种形式的光合作用中，电子都被转移给二氧化碳，留下"废料"：沉积的铁锈，游离态硫元素（即硫黄）或者氧气。最难对付的供体是水，其能量要求远超其他物质。32亿年前，生命活动从水以外的各种物质中提取电子。正如生物化学家艾伯特·圣哲尔吉（ Albert Szent - Gyorgyi ）的诠释：生命不过是一个电子寻找归宿的过程。光合作用的最终形态（从水中提取电子）是何时产生的，学界还存在很大的争议。一些学者认为这是一起早期演化事件，但目前的证据表明，产氧光合作用出现于29亿～24亿年前，此后不久，地球就爆发了"中年危机"，全球地质和气候大动荡。世界范围的大规模冰川作用导致了雪球地球时期（ Snowball Earth ）的形成，接下来是大约发生在22亿年前的"大氧化事件"( Great Oxidation Event )，陆地岩石被广泛氧化——地层中遗留下的铁锈色"红色岩床"证明当时的大气中存在大量氧气。甚至雪球地球本身的形成，也很可能是大气中氧含量上升所致：氧气能够氧化甲烷，把大气中这种强力的温室气体消耗殆尽，从而触发了全球冰冻期。
产氧光合作用的出现，标志着生命的新陈代谢手段已经趋于完备。我们这趟走马观花的早期地球历史追溯之旅，跨越了近20亿年，是整部动物史时长的3倍，不太可能穷尽所有细节。然而，我们应该在此处停留一会儿，思考一下这个大背景反映出的世界本质。首先，生命在地球极早期就已出现，起码是在40亿～35亿年前，而当时的世界是一个类似于当代地球的水世界。其次，35亿～32亿年前，细菌已经发展出几乎所有的新陈代谢形式，包括各种呼吸作用和光合作用。在大约10亿年间，地球都是一口细菌繁盛的大锅'，而细菌在生物化学上的创造力令人叹为观止。同位素分馏证据表明，所有主要的营养循环，包括碳循环、氮循环、硫循环、铁循环等，在25亿年前就已经存在。然而直到24亿年前，随着大气氧含量的上升，生命才开始彻底改变我们这颗行星的景观。一度只活跃着细菌的世界，这时才有可能从外太空观察到生命的存在。直到这时，大气才开始积累化学性质活泼的气体，如氧气和甲烷，都由生命细胞不断补充。自此之后，生物才开始显露出行星规模的伟力。
批注：
生命的发展和延续并不一定需要氧，而氧只是最晚近生命的选择

太初世界的生物化学机制中，氧气所处的地位恰好相反；它具有强氧化性，是生命的毒药。
批注：
思维惯性靠不住

知识点3：两次大气含氧明显上升
第一次：24亿年前大氧化时间时期；
第二次：6亿年前寒武纪最后阶段。

知识点4：氧气含量升高并没有导致生物多系辐射演化
氧气含量升高如果各种细菌都能够获利，并快速演化，那么结果只能是多系辐射演化，但实际却并非如此。这证明除了氧气含量增加外，生物从细菌演化到真核生物还有其他原因。至此又引出了绪论中的合作共生说。

知识点5：5个真核生物超类群
囊泡藻界、单鞭毛生物（包括动物和真菌）、古虫界、有孔虫界、植物界（包括陆地植物和藻类）
注：链接和上面的分类方法和命名有所不同，可以参考。

上图的原文注释：
库宁于2010年基于几千个基因制作的真核生物树，显示5个超类群。图中的数字表示超类群和真核生物最后共同祖先（ LUCA ）共有的基因个数。每个超类群都独立获得或丢失了其他很多基因。单细胞原生生物的差别最大。注意每个超类群的内部差异远大于各群之间的祖先差异，这反映了爆炸性的辐射演化。我喜欢中间那个富有深意的"黑洞"。真核生物的共同祖先已经演化出了所有的真核生物共同特征，但是种系发生学不能告诉我们这些特征是怎么从细菌或古菌演化而来的。这是一个位于演化中心的黑洞。

我们现在知道，真核细胞至少有两个部件米源于细菌内共生：线粒体（复杂细胞中的能量转换器）起源于α﹣变形菌，叶绿体（植物细胞的光合作用机器）起源于蓝细菌。真核细胞中其余所有的特化细胞器，都曾在不同的阶段被看作内共生体，包括细胞核、纤毛和鞭毛（纤细弯曲的构造，以节律性的旋转来驱动细胞运动），以及过氧化物酶体（进行毒性物质代谢的细胞器）。
批注：
必要不充分条件，但很容易误导以为是充分条件。

过去的20年间，我们通过它们的基因组序列和生物化学细节得出了结论：原真核生物中没有一种是真正意义上的缺失环节，他们也不是真正的演化中间型。恰恰相反，它们全部起源于更复杂的真核生物，这些祖先曾经拥有所有的真核细胞特征，包线粒体。源真核生物（注意这一术语本身的误导性）为了适应它们所处的简单生态环境，失去了其祖先曾经拥有的复杂度。它们全都保留着氢酶体或者纺锤剩体这样的结构部件，实际上是线粒体退化的产物。这些部件虽然同样有双层膜结构，但从外观看并不像线粒体，这才造成了"源真核生物没有线粒体的误解。分子生物学和种系发生学的研究数据也证明，氢酶体和纺锤剩体起源于线粒体，而非源于某种细菌的内共生（根据马古利斯的理论所以，所有真核生物都有线粒体，虽然形式上可能会有所不同。我们可以推论：所有真核生物的最后共同祖先已经拥有线粒体，正如马丁于1998年预言的那样（详见绪论）。"所有真核生物都有线粒体"，乍一看来好像并不起眼。然而，随着对微生物世界基因组测序的广泛开展，这一认知彻底颠覆了科学界对真核生物演化的理解。
批注：
原真核生物具有线粒体，只是退化了而已。这也说明它不是中间态，而是从相同的起始态为了适应环境而进行的逆向进化（退化）。

知识点6：真核生物的进化是单源的
真核生物的进化是单源的，并非共生说假设的多系辐射演化。
真核生物的共同祖先没有叶绿体。

所有真核生物的 DNA 都是线性染色体，两头有端粒，其功能类似于鞋带上的顶盖，可以防止染色体两端"磨损"。真核细胞的基因是所谓的"碎片基因"：编码蛋白质的基因被分成很多个小片段（外显子），散布在长长的非编码区域内含子）之间。在基因转译成蛋白质之前，内含子会被剪切出去，而这种剪切的生化机制在所有真核生物中都一样。内含子所处的位置，很多时候也都保留下来：在各种真核生物的同一个基因上，同一个序列位置会插入相似的内含子。
……
所有的真核生物都有基本相同的细胞结构：全都有复杂的内膜结构，例如内质网和高尔基体，后者的功能是包装和向外运输蛋白质；全都有动态的细胞骨架，能够进行各种变形，满足各类功能需求；全都有马达蛋白，作用是沿着细胞骨架的微管或微丝来回运送物质；全都有线粒体、溶酶体、过氧化物酶体、胞内和跨膜运输机制，以及相同的生物化学信号系统。真核生物的其他共同特征不胜枚举：所有真核细胞都进行有丝分裂，同源染色体在一个由微管构成的纺锤体上分离，由同一组酶控制。所有的真核生物都进行有性生殖，生命周期中都经历减数分裂，以形成配子（例如精子和卵子）；配子再结合成合子，开始下一周期。
批注：
这些真核生物的共性其他书籍上也有，但没有这么明确的指出，且系统的整理在一起。

目前已有非常有力的证据表明，中间型并没有因为高级真核生物的竞争而灭绝。它们仍然存活着。我们已经认识它们了——"源真核生物"，曾经被误认为缺失环节的一大类低级真核生物。它们不是演化意义上的中间种类，而是生态意义上的中间种类。它们与高级真核生物占据相同的生态位。一个真正的演化中间型可以被称为缺失环节，例如的鱼（ Tiktaalik ，提塔利克鱼），或者身披羽毛、长有翅膀的恐龙 Archaeopteryx ，始祖鸟）。一个生态意义上的中间型不是真正的缺失环节，但它的存活证明在这个特定的生态位中，这种生活方式是可行的。一只飞鼠与其他会飞的脊椎动物（比如蝙蝠和鸟类）亲缘关系很远，但它证明了即使没有发达的翅膀，仍然可以靠在树间滑翔而存活。这意味着，真正的动力飞行演化，有可能就像飞鼠这样开始。这才是源真核生物真正的演化意义所在：它们是生态中间种，证明某种生活方式是可行的。
批注：
注意理解进化中间型和生态中间型的区别

2 什么是活着

为什么病毒不算活物？因为它自身没有任何新陈代谢能力，完全依赖宿主的能量生产机制。那么问题来了：新陈代谢活动是否是生命的必要特征？不假思索的回答是"当然是"。但根据是什么？病毒利用自身的周围环境复制。但人类也是如此：我们以植物或动物为食，我们呼吸氧气。如果把我们与周围环境隔离，比如头上套个塑料袋，几分钟内就会窒息而亡。可以说，我们寄生于我们所处的环境，就像病毒。植物也是如此。
批注：
病毒不能自己新陈代谢，这是否能证明它不是活物，显然不能。

知识点1：转座子、质粒、病毒是不是活物？
转座子、质粒、病毒是不是活物这要看怎么界定生命，界定方式不同得出的结果就不同，但显然无论那种方式都得不到一条准确的线来划分活物和死物。

知识点2：生命的实质在于结构（部分由基因和演化决定），但生存（生长与繁殖）的实质在于环境，在于结构和环境如何关联。

我们则通过不间断的呼吸作用（利用氧气燃烧食物）向环境释放热量，以维持自身的持续生存这些流失的热量绝非浪费，而是维持生命的必需。失去的热量越多，生命就越可能变得更复杂。
批注：
生命就是耗能，永远是熵增。

生物需要非常多的能量来维持生存。所有活细胞使用的能量"货币"，是一种名为三磷酸腺苷（ adenosine triphosphate ，常缩写为 ATP )的分子。 ATP 的工作方式就像投硬币玩角子机。硬币可以启动角子机一次，但很快就会停止。 ATP 对应的"机器"通常是一个蛋白质，作用就像把机器的开关从上扳到下；而蛋白质"机器"相应从一种稳定状态改变到另一种状态。如果要变回去，需要另一个 ATP ，好比你要在角子机上再玩一局，就要再次投币。可以把细胞想象成一个巨大的游乐场，充满蛋白质机器，全都用 ATP 硬币操作。一个典型的细胞每秒钟大约消耗1000万个 ATP ！多么惊人的数字。人体大约有40万亿个细胞，每天需要的 ATP 周转量是60~100千克，与我们的体重相当。然而实际上，我们全身大概只有60克 ATP ，由此可以算出平均每个 ATP 分子大约每分钟会"重新充值"1~2次。
……
人类并不特殊。像大肠杆菌（ E . coli ）这样的细菌，每20分钟就可以分裂一次，每次分裂都需要消耗500亿个 ATP 来供应能量，这些 ATP 的总质量大约是大肠杆菌细胞自身质量的50~100倍。论合成 ATP 的速度，它们是人类的4倍。如果把这种能量供应效率转换成用瓦特计算的功率，数字同样惊人：人类每克组织的功耗大约为2毫瓦，65千克的成人功耗就是130瓦，功率比标准的100瓦灯泡还大一些。这看起来不算太多，但如果以单位质量比较，人类身体每克功率是太阳的一万倍（注意：这当然不是说我们的功率大过核聚变。太阳任何时候都只有极少一部分质量在进行核聚变反应）。与其说生命是闪烁的烛光，不如说生命是喷射的火箭发动机。
批注：
生命是很高效的机器，其能量效率远比已经存在的人造机器高。一个成年人一天的能耗差不多相当于不到3度电，但人体对能量的转换效率按重量密度算却是太阳的一万倍。

知识点3：生命能量的两点规则
所有细胞都是通过氧化还原反应获得能量；
能量在ATP化学键中的保存并不是直接的化学反应，而是在一张薄膜的两侧制造质子梯度作为中间步骤。

每个碳原子可以形成四个强力的化学键，比它在周期表上的同族邻居硅元素形成的键强得多。这些键让碳原子可以连接成变化极为丰富的长链分子，特别是蛋白质、脂质、糖和 DNA 。硅元素根本无法支持这样的化学多样性。而且，常温下没有类似二氧化碳的气态硅氧化物。
批注：
为什么生物进化选择了碳

如果把所有已知被细菌利用的"氧化还原对"( redox couples ，即一对能够配合反应的电子供体和受体）开列一个清单，恐怕得有好几页长。细菌不仅可以"吃"石头，甚至能"呼吸"石头。比起细菌，真核细胞在这方面就有点可悲了。整个真核生物域，包括所有的植物、动物、藻类、真菌和原生生物，它们的代谢多样性只相当于一个细菌细胞的全套把戏。
批注：
细菌这面微小，这么简单，为什么有这么强的适应性，为什么能进化出如此多的分类？

第二部 生命的起源

3 生命起源的能量

知识点1：酶的作用
酶的作用不是加速催化的速度，而是控制催化的方向，让有机碳按照固定的通道作用。现代细胞制造40倍有机物的废物，也就是说细胞每长1g，就会产生40g的废物。
猜想：原始细胞因为没有酶，因此碳是粗放流动和使用的，效率肯定很低，假如是现在的百万分之一，那原始细胞如何生存？

知识点2：两种生命起源说
斯坦利·米勒 浓缩汤，早期大气里富含氢气、甲烷和胺，米勒在烧瓶里装入气体并模拟雷电，成功合成了几种氨基酸。氨基酸是制造蛋白质的构建，是细胞的基本工作物质。
约翰·萨瑟兰氰化物说，早期大气中没有臭氧，太阳更年轻，光线更强，紫外线强烈。大气中富含甲烷和氮气，紫外线提供能量，形成氰化物（以及其衍生物氰胺）等反应前驱物。

知识点3：细胞的6项特征
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．排泄废弃物，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。

那么，怎样才能从头开始构建一个细胞呢？首先，一定要有大量的活化碳化合物，以及可以利用的化学能持续流入。它们流过原始的催化剂时，其中一小部分会转化成新的有机分子。连续的流入必须受某种方法的约束，让合成的有机分子可以累积到很高的浓度，包括脂肪酸、氨基酸和核苷酸，而且还不会妨碍废物流出。某些天然的管道或者区隔结构，有可能达到集流的效果，就像水车的集流水道一样，可以在缺乏酶的条件下提升流入的动力，从而降低对有机碳和能量的总体需求。只有当新的有机分子合成速度超过它们的消耗速度时，浓度才能增加，也才可能自我组装成细胞状的囊泡、RNA 和蛋白质等结构。
批注：
细胞合成的条件和步骤

我这里说的其实不是蛋白质，而是多肽。一个蛋白质中的氨基酸序列是由 DNA 中的基因决定的。多肽也是一条氨基酸链，由和蛋白质一样的化学键连接，但通常短得多（可能只有几个氨基酸），序列也不需要由基因规定。如果环境中有化学"脱水剂"存在，比如焦磷酸盐( pyrophosphate ）或者乙酰磷酸盐，氨基酸会自发形成短链多肽。而这些脱水剂很可能就是 ATP 的非生物前驱物。
批注：
自然界中ATP 的非生物前驱物的猜想

橄榄石富含亚铁离子和镁。亚铁离子被水氧化，会变成锈状的氧化铁。这是一个放热反应，伴随着大量氢气的释放，而氢气会溶于含氢氧化镁的温暖碱性溶液。橄榄石普遍存在于地幔中，所以这种反应大多发生在板块扩张中心附近的海床上。在这里，新拱上来的地幔岩石与海水发生接触。但地幔岩石很少直接暴露在海洋中，接触的发生是靠海水滲透到海床以下的岩层，有时深达数公里，海水就在那里与橄榄石发生反应。这种反应制造出温暖、碱性、富含氢气的液体，比持续渗透下来的冷水比重更小，因此会上浮回海床。然后它们又会被冷却，再与溶解在海水中的多种盐发生反应，产物在海床上沉淀堆积，形成巨大的热液喷口。
与黑烟囱非常不同，碱性热液喷口与岩浆无关，所以位置不在板块扩张中心的岩浆库正上方，通常是在几公里外。它们喷出的不是超热液，而是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。它们不是酸性，而是强碱性。
批注：
生命起源的碱性热液喷口说，作者更认同这种假说

利用氢气和二氧化碳反应生长的细菌，只有靠跨膜质子梯度供能才能生长。
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原因很简单：传递一个电子就是传递一个负电荷。如果被还原的分子同时还可以接受一个质子，那么产物就更稳定，因为质子的正电荷可以抵消电子的负电荷。有越多可以用来平衡电荷的质子，电子就越容易传递。因为分子现在更容易接受一对电子，所以它的还原电位会随之升高。事实上， pH 值每下降1（变酸），还原电位就会升高约59毫伏。溶液酸性越强，二氧化碳就越容易获取电子，生成甲酸盐或甲醛。不幸的是，同样的规律也适用于氢气。溶液酸性越强，质子就越容易获取电子生成氢气。所以，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。
但是，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。碱性热液喷口就存在这样的现象。碱性热液在微孔迷宫中充分流动，呈微酸性的海水也一样。在某些位置，二者会并排流动：因二氧化碳饱和而微呈酸性的海水与富含氢气的碱性热液之间，只隔着一层无机矿物薄壁，薄壁上还含有半导电性的硫化铁矿物质。碱性环境中的氢气还原电位变低，它们更迫切地想要丢掉电子，剩下的 H ＊才能与碱性热液中的 OH 结合形成水。而水是非常稳定的结构，是热力学的深坑。在 pH 值为10的环境中，氢气的还原电位是﹣584毫伏，具有很强的还原性。相反，在 pH 值为6的环境中，甲酸盐的还原电位是﹣370毫伏，甲醛是﹣520毫伏。也就是说，如果存在这样的 pH 差值，氢气还原二氧化碳非常容易。剩下唯一的问题，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。所以，理论上碱性热液喷口的结构能够驱动氢气还原二氧化碳，生成有机物质（图14)。神奇吧！
批注：
P112-115页内容详细介绍了氧化还原反中还原电位的概念，证明在自然界中很难形成氢气H2和二氧化碳C2O之间的反应，因为自然界中H和C2O的结合物是甲酸盐，这种物质更容易分解成氢气和二氧化碳，而不是稳定。因此生物的跨膜质子梯度供能才是其诞生的关键因素。

4 细胞的诞生

知识点1：达尔文进化论的对错
进化论在自然选择角度是完全对的；
进化论在进化角度有错误，源于达尔文对DNA，基因，遗传，细菌的水平基因转移等不了解，这是时代局限所致；

知识点2：细菌的水平基因转移
细菌的情况比较复杂。它们不进行真核生物那样的有性生殖，所以就无法像真核生物那样，将它们分类为清晰的"种"。"物种"这个概念在细菌中的定义一直都很麻烦。关键在于，细菌通过水平基因转移扩散基因，除了把整套基因组传给子代细胞，还会像撒零钱似的把几个基因的组合（质粒）传给其他细菌。这些情况与自然选择没有任何冲突，基因在遗传中仍然伴随着改变；但造成这种"改变"的方式，比我们从前认识到的更加多样。细菌中普遍的水平基因转移，让生物学知识的可靠性范围出现了重大问题。

那么细菌和古菌有哪些不同呢？多得惊人。二者用于 DNA 复制的酶，大部分都不一样。还有什么比这更基础呢？可能只有细胞膜了。然而细菌与古菌的细胞膜也完全不同，细胞壁也不一样。也就是说，这两层分隔活细胞与周围环境的屏障，细菌与古菌采用完全不同的构件。这让我们几乎不可能猜到它们的共祖有怎样的细胞膜和细胞壁。还有很多其他差异，但这几处基本区别已足够说明问题。我们在前一章中列出了活细胞的六项基本特征：碳流、能量流、催化作用、 DNA 复制、区隔化和排泄。细菌与古菌之间只有前三项非常相似，而且相似之处也局限于某些方面，我们后面会谈到。
批注：
古菌和细菌有很多不同，甚至不同点多于共同点

或许，这些看起来自相矛盾的现象其实一点也不矛盾。露卡确实用化学渗透操作 ATP 合酶，但它确实没有现代的细胞膜，也没有现代细胞用来泵出质子的大型呼吸蛋白复合体。它确实有 DNA 、核糖体，使用通用遗传密码，会转录、转译，但还没有演化出现代的 DNA 复制机制。这个幽灵一般的细胞，各种特征的奇异组合对开放海洋环境中的生存没有一点意义；但如果考虑前一章讨论过的碱性热液环境，那就有意思了。线索就在于细菌和古菌在这种喷口环境中的生存方式。尤其是其中一些种类，靠一种原始的代谢过程生存，我们称之为"乙酰辅酶 A 途径（ acetyl CoA pathway )"。这种代谢方式的本质，与碱性热液喷口的地球化学环境出奇相似。
批注：
关于共祖露卡（LUCA）的猜测

知识点3：生物固碳的六种方式及对露卡的猜测
卡尔文循环（CBB，Calvin-Benson-Basshamcycle）最常见，植物、藻类等
还原性三羧酸循环（rTCA，tricarboxylic acid cycle）
还原性乙酰辅酶A途径（W-L循环）对露卡的猜测
3-羟基丙酸/4-羟基丁酸（3HP/4HB）
3-羟基丙酸
二羧酸/4-羟基丁酸（DC/4HB）

我们还发现，即使对于渗透性很高的膜，质子通过膜蛋白（如 ATP 合酶）进入细胞的速度，仍然比通过脂质膜本身进入细胞更快。也就是说，质子流可以通过膜蛋白 Ech 来合成 ATP ，或者还原二氧化碳。把离子浓度差异、电荷和 ATP 合酶等蛋白质的运作都纳入考虑，我们发现只有渗透性非常高的细胞膜，才能利用天然质子流驱动碳代谢和能量代谢。理论上，只需要内外 pH 值相差为3，这些渗漏的细胞从天然质子梯度那里获取的能量，就和现代细胞通过呼吸作用获取的能量一样多。

图注：由天然质子梯度供能的细胞
图中央是一个细胞，质子可以通过这里的细胞膜。一层无机薄壁把热液微孔结构隔成两部分，而细胞“卡”在薄壁的一个小缺口上。在上面部分，弱酸性的海水沿着狭长的微孔渗入，pH值约为5~7(实验模型中通常认为pH值为7)。在下面部分，碱性热液沿着另一个不与上面连通的微孔渗人，pH值约为10。“层流”意味着没有乱流或混流，这是液体在微小狭窄的空间中流动的特点。质子的浓度梯度是从酸性海水到碱性热液的方向,所以质子(H')可以直接穿过脂质膜(虚线)流入细胞，也可以通过镶嵌在膜上的蛋白质(三角形)流入。氢氧根离子(OH)则反方向流动,从碱性热液流向酸性海水,但只能通过膜。质子流的总体速率取决于膜对H'的渗透性、H被OH中和(形成水)的速率、膜蛋白的数量、细胞的大小,还有膜内外的电荷差异(由两边的离子对流造成)，等等。
批注：
天然质子梯度供能的细胞的供能原理

第三部分 复杂性

5 复杂细胞的起源

知识点1：原核生物细胞小于真核生物的1/15000

知识点2：细菌有1200万对碱基，人类基因组有大约30亿对碱基，最大的真核生物的基因组可以超过1000亿对碱基

在代谢机制方面，原核生物可谓天马行空，面对各种稀奇古怪的环境化学条件，它们都会发明出相应的巧妙解决方法。而真核生物弃化学多样性于不顾，转而变得更大、更复杂，释放出尺寸与结构的无限潜力。
批注：
两种不同的进化路线，为什么没有兼顾？如果兼顾从物理和化学的角度来讲有什么悖论？

原核细胞的染色体通常是环状的； DNA 复制会从一个特定的起点（即复制子）开始。但是， DNA 复制的过程通常比细胞分裂慢，而 DNA 复制没完成，细菌就不能分裂成两个。也就是说，只有一个复制子实际上限制了细菌染色体的尺寸，因为染色体较小的细菌， DNA 复制得更快，分裂得也更快。如果细菌丢弃任何不必要的基因，就可以加快分裂速度。所以从长期来看，染色体较小的细菌会占优势。尤其当它们随时可以通过水平基因转移把以前丢掉但现在需要的基因捡回来时，这种优势就更加明显。而真核生物通常有若干条棒状（线状）染色体，每条染色体上都有多个复制子。也就是说，真核生物体的 DNA 复制过程是并行的，而细菌的 DNA 复制是线性的，效率低得多。
批注：
原核细胞环状染色体和真核细胞棒状染色体的差异，及其导致的进化影响。

即使以较为保守的标准方法衡量，也有多达1/3的真核生物基因可以在原核生物体内找到对应基因。这些基因必然来自原核生物和真核生物的共祖，我们称这些基因是同源的（ homologous )。有趣的地方就在这里：真核生物的同源基因并非来自同样的祖先。大约有3/4的同源基因似乎来自细菌，剩下的1/4则似乎来自古菌。人类基因组是这样，而且并不是特例。酵母基因组的情况十分类似，果蝇、海胆和苏铁也都是如此。在基因组层面，似乎所有的真核生物都是怪异的嵌合体。
批注：
真核生物可能是个嵌合体，即原核生物之间合并的产物

知识点3：每个基因的平均能量
每个基因的能量决定了是否能演化出真核生物；
真核生物的基因能量相当于原核生物的20万倍，这就导致原核生物不可能进化的太复杂；
化学渗透偶联是所有生命的共性，但细胞结构决定了这种渗透的能量效率；

这些多出来的能量，直接用于 DNA 复制的并不多。单细胞生物复制 DNA ，大概只用到总能量的2%。根据英国微生物能量学大师弗兰克．哈罗德（ Frank Harold ）的研究（哈罗德是我的偶像，虽然我们的意见并不总是一致），细胞把多达80％的能量用于合成蛋白质。因为细胞主要由蛋白质组成，细菌大概有一半的脱水干重是蛋白质。制造蛋白质的代价也很高昂。蛋白质是氨基酸串成的长链，通常由几百个氨基酸组成，通过"肽键"互相连接。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。每种蛋白质都以成千上万的数量制造，才能翻新和修补细胞平时的损耗。所以粗略而言，细胞消耗的能量几乎都用来制造蛋白质了。每一种独特的蛋白质，都由一个基因编码。假设细胞的所有基因都转译成了蛋白质（大致接近事实，虽然各个基因的表达状态不同），那么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，因为核糖体是制造蛋白质的微小工厂，核糖体的数量与蛋白质合成的工作量有直接的线性关系。大肠杆菌这样的普通细菌，平均有13000个核糖体；而一个肝脏细胞至少有1300万个核糖体，数量是细菌的1000~10000倍。
平均每个细菌大约有5000个基因，真核生物大约有20000个，多的可达40000个，比如池塘中很常见的草履虫等大型原生生物，它们的基因数量是人类的2倍。这样，真核生物每个基因平均分配到的能量，比原核生物基因多了1200倍。如果我们再做一次"校准"，把细菌基因组的大小（5000个）比例放大到真核生物基因组的水平（20000个），那么细菌每个基因的平均能量，就只有真核生物的1/5000。换言之，真核生物要么能够负担比细菌大5000倍的基因组，要么能为每个基因的表达提供比细菌多5000倍的能量（比如为每个蛋白质制造更多份拷贝）。实际情况是，二者兼而有之。
批注：
细菌和单细胞真核生物的代谢对比，复制DNA，合成蛋白量都由这种代谢效率决定，从而决定了细胞的复杂程度。

细菌和古菌安于它们目前的形态。细菌很小，其基因组也很小，在能量供应方面并不窘迫。只有当我们在理论上把它们放大到真核细胞的尺寸时，这些问题才会出现。把细菌放大，并不会让它们像真核生物一样扩张基因组或者提升能量供应；相反，它们每个基因的平均能量会大幅下降，与真核生物的差距变得极大。所以，细菌无法扩充它们的基因组，也不能积聚几千个新的基因家族、编码几千种新功能，这些都是真核生物的特征。现实中的巨型细菌并不是演化出一个单独的大型核基因组，而是复制成千上万份细菌标准的小基因组。
批注：
体积较大的细菌只是增加了基因组拷贝数量，而不能增加基因组数量，这是由基因平均能量决定的。

知识点4：真核生物变复杂的关键在于线粒体，也就是细菌和真菌嵌合共生的结果
大型细菌需要把基因复制几千份，但复制后基因就没有作用了，细胞的代谢和分裂都由蛋白在基因上进行转录或转译。因此基因对于细菌生存和繁殖作用不大，鉴于这个原因细菌为了加快繁殖的周期会扔掉没有用的基因。
保留太多没有用基因的细菌会被逐渐淘汰，因为缺乏效率。
随着环境改变，被扔掉的基因再次有用时细菌可以通过水平基因转移从宏基因组（整个种群的基因总和，及可以进行基因交流的亲缘种群。大肠杆菌有4000个基因，但宏基因有18000个）中获得。
真核生物的细胞是一个稳定态，因此共生的细菌和古菌可以彻底扔掉没有用的基因，基因组单向萎缩。
线粒体扔掉了超过99%的基因，人和所有动物的线粒体只保留了13个能够编码蛋白质的基因。这样线粒体制造ATP的能力和细菌一样，但能量开支却可以忽略不计。
被线粒体扔掉的基因部分进入细胞核，重新整合成新的真核生物基因组。线粒体的低能耗支撑了真核生物的庞大基因组。

为什么有必要进行这样的现场决定呢？在第二章中，我们讨论过质子动力的强大威力。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。这可以换算为每米三千万伏特的电场，威力堪比一道闪电。如此强大的电力如果失控，你会被收拾得很惨！会出现的问题不只是 ATP 无法合成（虽然这个问题本身也足够严重）。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 )。 ATP 数量陡降，生物能量膜去极化，以及自由基的释放，这三种情况是启动细胞程序性死亡最常见的原因。前文提过，细胞程序性死亡是一种广泛存在的现象，即使在单细胞细菌中也很常见。简单地说，线粒体基因可以对现场情况的变化做出实时反应，在局部变化酿成灾难之前，把膜电位调节到稳定的范围内。艾伦的理论认为，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。
批注：
线粒体保留基因的原因只是为了对细胞膜两边的环境变化做出快速反应

当内共生体开始丢弃基因时，它们对 ATP 的需求也随之降低。这会产生一个矛盾现象。细胞的呼吸作用使用 ADP 来生产 ATP ；当 ATP 裂解成 ADP 时，会释放出能量供细胞的各种活动使用。如果细胞不消耗 ATP ，那么当所有的 ADP 都转换成 ATP 后，呼吸作用就会停止。在这种情况下，呼吸链就会开始累积电子，变成高还原态（第七章将详细讨论这一点）。这时它会直接与氧气反应，释放自由基，破坏周围的蛋白质和 DNA ，甚至启动细胞自杀程序。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 )，它让宿主细胞能够把内共生体制造的 ATP 释放出来为自己所用，刚好也解决了内共生体的困境。通过把 ATP 运送出来，同时补充内共生体所需的 ADP ,宿主细胞限制了内共生体的自由基泄漏，减轻了细胞受损和死亡的风险。这也可以解释，为什么在建造动态细胞骨架等奢侈项目上"挥霍"ATP ，其实对宿主和内共生体双方都有利。要点在于，内共生关系发展的每一步都提供某种优势。这就完全不像质粒假设，体形变大或者生产更多的ATP ，本身都不能为细胞提供任何好处。
批注：
ADP - ATP 转运蛋白的作用，及对真核细胞内共生体系的平稳运行的作用。

6 性，以及死亡的起源

知识点1：细胞核的结构

核膜：这是细胞核的边界，由内外两层平行的单位膜组成，每层膜的厚度为70-80纳米，在内外膜之间有宽20-40纳米的间隙，称为核周隙或膜间腔。核膜上的核孔是实现细胞核与细胞质之间的物质交换和信息交流的重要渠道。
染色质：这是由DNA和蛋白质组成的复合物，是遗传信息的主要载体。染色质在细胞周期的不同阶段可以发生不同的变化。
核仁：这是一些与某种RNA的合成以及核糖体的形成有关的物质的集合。
核孔：这是位于核膜上的孔洞，可以让分子进出细胞核。

在化石的记录中，我们常常可以发现时间跨度很长的停滞期，中间偶尔间隔着一些快速变化期。
批注：
进化并不是连续平滑的，而是间歇性的。

还有另一个原因让我们相信事实正是如此：所有的真核生物都拥有众多完全相同的特征。仔细想想这有多奇怪！所有人类都有一样的特征，比如直立的姿势、无毛的身体、拇指对握、大容量的脑、发达的语言能力，因为人类都源自同一群互相交配的祖先。还有性。一群可以互相交配生殖的生物个体，就是对"物种"最简单的定义。种群内的生物如果无法互相交配产生可育后代（即生殖隔离），就会分道扬镳，各自演化出不同的特征，最终变成不同的新物种。然而在真核生物诞生之初，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。
还有任何其他的生殖方式可以达成这样的结果吗？我认为没有。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。克隆虽然可以制造出完全相同的个体，但反而会因此在不同种群中累积不同的突变，致使它们分化。有性生殖则形成鲜明的对比。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。所有真核生物都具有一样的基本特征，这表明它们起源于一个互相交配、进行有性生殖的种群。这又意味着它们的种群不会太大，才能在严格意义上互相交配，形成单一基因池。种群中的任何细胞只要不能进行有性生殖，就无法留下后代。《圣经》又一次言中："引到永生，那门是窄的，路是小的，找着的人也少。"
那么，在细菌和古菌中十分普遍的基因分享方式﹣﹣水平基因转移，可能造成这样的结果吗？与有性生殖一样，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。但是它与有性生殖的不同之处在于，水平基因转移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。以大肠杆菌为例，单个细胞大约有4000个基因，但大肠杆菌的宏基因组（所有菌株的基因总和。不同的大肠杆菌菌株以核糖体 RNA 的差异程度来划分）差不多有18000个基因。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，比所有脊椎动物之间的基因差异程度还要大。简而言之，原先细菌与古菌的主要遗传模式，无论是克隆还是水平基因转移，都无法解释真核生物神秘的一致性。
批注：
有性生殖才能保持物种的稳定性，无性繁殖必然导致物种的发散演化。有性生殖起源于真核生物演化的早期。

到底是什么这样糟糕呢？真核生物的基因是一个烂摊子。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 )。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）。内含子的长短差异非常大，但通常都比真正的编码序列长得多。内含子也会被转录到 RNA 上。 RNA 是用来指定蛋白质氨基酸序列的模板，会被转运到核糖体；而核糖体是细胞质中的蛋白质制造工厂，会根据 RNA 模板（ RNA transcript ，又名 RNA 转录本）的序列把游离的氨基酸组装成蛋白质。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。这可不是一项容易的工作，要靠另一种精巧的纳米蛋白小机器﹣﹣剪接体（ spliceosome ）来执行。我们稍后再来讨论剪接体的重要意义。现在你只需要注意，这一整套执行程序是多么奇怪迂回。如果在剪切内含子的过程中稍有失误，一连串毫无意义的 RNA 转录本就会送到核糖体，随即会制造出一大堆毫无意义的蛋白质。
……
为什么真核生物有如此破碎的基因？有几个已知的好处。同一个基因可以通过不同的剪接方式拼出不同的蛋白质。例如，免疫系统就可以通过这样的蛋白质重组机制，把不同的蛋白质片段拼接成数十亿种不同的抗体。对于任何细菌或病毒，这样丰富的抗体中总有一款能选择性地黏附上去，形成免疫标记，启动免疫系统中的杀手机器去消灭它们。
……
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 )。其实就是一种自私 DNA ，一种跳跃基因（ jumping genes )，在基因组中不断自我复制、跳进跳出。它们也会由正常的转录机制转录成 RNA ,但之后马上就会"活过来"（没法否认它们是"活物")，把自己组装成 RNA "剪刀"。这把剪刀会把基因寄生物从长长的 RNA 转录本中剪切出来，尽量减少对宿主细胞的伤害。剪下来的片段会形成活跃的复合体，编码一种逆转录酶（ reverse transcriptase )。这种酶可以把 RNA 反向转录成 DNA ，并将其插回宿主的基因组。所以，移动内含子是一种基因寄生物，在细菌的基因组中不断切进切出。
批注：
什么是内含子，其供能是什么

病毒可以独立生存，所以它不在乎会不会杀死宿主；而移动内含子必须与宿主同生死，所以在宿主体内捣乱对它绝对没有好处。
批注：
内含子为什么不会插入错误的位置

移动自剪接内含子和剪接体
真核生物的基因由外显子（编码蛋白质的序列）和内含子组成。内含子是长长的非编码序列，插在基因中间；合成蛋白质之前，必须从 RNA 转录本中把内含子剪切掉。内含子看起来是从细菌基因组中的 DNA 寄生物部分（左边）演变而来的，但因为突变而衰退，结果变成了真核生物基因组中的非编码插入序列。这些内含子序列必须由剪接体主动去除（右边）。以上的推理，根据的是图中所示的剪接方式。细菌的 DNA 寄生物（左边）会把自己剪切下来，形成一个游离的内含子序列，编码一个逆转录酶，能够把寄生的基因序列逆转录成 DNA ，然后把多份拷贝插回细菌基因组。真核生物的剪接体（右边）是个很大的蛋白质复合体，但它的功能依赖于其核心的一段催化性 RNA （核酶）；而核酶剪接 RNA 的机制，与细菌的移动 II 型自剪接内含子相同。这意味着，剪接体以及真核生物的内含子，都是从移动 II 型自剪接内含子演变而来；这些移动内含子在真核生物演化早期由细菌内共生体释放。
批注：
内含子的剪接示意

知识点2：许多内含子在真核生物基因组中的位置都固定不变，这证明了共同祖先说
数以千计的内含子都插入数百个真核生物的共有基因，且位置相同。这说明了共同祖先，且在共同祖先早期就被内含子入侵，被剥夺了移动能力，并传给后代。
旁系同源基因在不同物种中的分布也说明了共同祖先说。

在细胞核中，基因被转录成 RNA 转录本；在细胞核外，核糖体会读取 RNA ，再转译成蛋白质。最重要的是，缓慢的剪接过程在细胞核内进行，在核糖体有机会接触到 RNA 之前已经处理完毕。这就是细胞核真正的意义：把干劲冲天的核糖体挡在外面。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。
批注：
细胞核和细胞膜的巧妙供能

这两种过程：累积轻微但有害的突变，以及选择性清除造成种群的多态性丧失，合在一起被称为选择干扰（ selective interference )。如果没有基因重组，对特定基因的自然选择就会干扰其他基因的选择情况。而有性生殖产生的染色体承载着等位基因千变万化的组合，即流动的染色体。这使得自然选择能够直接作用于每个基因。自然选择如同全知的神，逐个检视每个基因的优劣并加以裁决——这才是有性生殖最大的优点。
但有性生殖也有很多严重的缺点，所以长久以来，它一直被称为演化生物学难题中的皇后。有性生殖会打破在特定环境中已经获得成功的等位基因组合。这些基因组合让生物的亲代繁衍兴盛，但有性生殖又在子代把它们随机打乱。每一代的基因组合都会重新洗牌，所以永远没有可能复刻出莫扎特一样的天才。更糟糕的是，有性生殖要付出双倍的代价。
批注：
有性生殖能够维持种群长久稳定，尽管对于短期个体来说可能不利。

当基因突变率很高，自然选择压力更大，以及种群中充满基因多态性时，有性生殖的优势最大。
批注：
为什么真核先祖会选择有性生殖

线粒体基因的演化速度比核基因快10-50倍。
批注：
但其遗传在多细胞生物上更容易固定

因此我们可以预测，最早出现的动物因为线粒体突变率低，组织分化也很少，所以线粒体应该是双亲遗传，生殖细胞也没有进行隔离。然而，当早期动物变得更加复杂，分化出多种组织，体细胞的多态性增加，成体的品质就会受到灾难性的影响，因为这样会不可避免地产生好组织和坏组织，就像刚才举到的心脏病的例子。为了增进成体的品质，线粒体的多态性必须减少，这样所有的新生组织才能接收到相似的、大致运作良好的线粒体要降低成体组织的多态性，最简单的办法是从一开始就让卵子具有更多的线粒体。
批注：
真核生物线粒体只来源于母亲的原因

第四部分 预言

7 力量与荣耀

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。我再强调一次：电子传递速率与氧化还原中心之间的距离关系，是10倍／1埃的指数负相关！1埃的距离大约就是两个相邻原子之间电子作用的距离，比如蛋白质中带正电和带负电的氨基酸之间形成的氢键，作用距离差不多就是这么远。如果一个基因突变改变了某个蛋白质中的某个氨基酸，原先的氢键就有可能打破，或者形成一个原先没有的氢键。整个氢键网络的构型会改变一点，而氧化还原中心的位置是被氢键网络的一部分束缚而定的，也就有可能稍微移动。这种位移距离可能只有1埃，但通过量子隧道效应会被指数级放大。1埃的位移距离，足以让电子传递速度变慢或者变快整整一个数量级。这就是为什么线粒体的突变会导致如此严重的后果。
线粒体基因组和核基因组不断分歧，会让这种脆弱的平衡更加岌岌可危。在上一章中我们讨论过，有性生殖和两性的演化，很可能都与细胞获得线粒体有关。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。核基因每一代都会在有性生殖过程中发生基因重组，而线粒体基因是母系单亲遗传，几乎不会发生基因重组。更糟的是，以代际间序列变化来衡量，线粒体基因的演化速度比核基因快了10~50倍（至少在动物中都是这样）。这意味着，由线粒体基因编码的蛋白质不但变化得更快，变化的模式也与核基因编码的蛋白质大不一样。尽管如此，二者还必须在几埃的尺度上紧密配合，保持电子在呼吸链中有效传递。呼吸作用，生命力的来源，所有生物的核心代谢过程，居然是这样拼凑出来的！还有比这更荒唐的配置吗？
批注：
电子传递效率和氧化还原中间距离关系对线粒体和细胞核进化的影响

线粒体基因的变化会导致与他们互动的核基因发生代偿性改变，反之亦然。
批注：
注意整体理解这种代偿

美国斯克里普斯海洋研究院（ Scripps Marine Research Institute )的生物学家罗恩·伯顿（ Ron Burton ）提供了一个最好的例子。伯顿研究加利福尼亚虎斑猛水蚤（ Tigriopus californicus ，一种海洋桡足类动物）线粒体与核基因的不兼容性，已经超过十年。桡足类是小型甲壳动物，身长1~2毫米，几乎分布在所有的潮湿环境中。伯顿研究的这种水蚤，生活在南加州圣克鲁斯岛（ Santa Cruz ）的潮间水洼中。他让分布在岛两侧的两群水蚤进行杂交。这两群水蚤的栖息地尽管相隔只有几公里，数千年间却各自独立繁殖。伯顿和同事记录了水蚤杂交中的杂种衰退（ hybrid breakdown ）现象。有趣的是，两个种群杂交产生的第一代子代并没有受到太大影响；但是，用第一代的杂种雌性与原来的亲本种群雄性回交，产生的后代却出现了严重的病态﹣﹣用伯顿论文的标题来形容，就是处于"悲惨状态"。这种回交会产生各式各样的后果，但是平均而言，回交杂种后代都很不健康：它们的 ATP 合成降低了大约40%,反映在存活率、生殖力和发育时间上都显著（这里的发育时间指的是从出生到变态发育阶段所需的时间，取决于身体大小，因此也与生长速度有关）。
这一切的后代品质问题，都可以归咎于线粒体基因与核基因的不兼容性，用一个简单的办法可以解决：杂种雄性后代与母本的纯种雌性回交，产生的后代品质完全回到了正常状态。反向的实验，即用杂种雌性后代与父本雄性回交，就没有任何好效果，后代不但仍然出现病态，还越来越严重。这些实验结果很容易理解：子代的线粒体永远来自母亲，若要良好运作，与它配合的核基因需要与母亲的核基因尽量相似。但杂交的雄性来自基因差异很大的另一个种群，会让母系的线粒体基因与一套不太兼容的核基因搭配运作。杂交的第一代子代问题还不太严重，因为核基因中还有一半来自母亲，与线粒体配合良好。但是，杂种雌性回交产生的第二代子代身上有75％的核基因来自不匹配的种群，就出现了严重的品质衰退。而将雄性杂种与母本的纯种雌性回交，可以让核基因中来自母本的成分增加到62.5%，与线粒体基因的匹配程度得到提升，个体恢复健康。但是反向的杂交操作结果正好相反，母系的线粒体基因有87.5％与核基因不匹配，难怪它们会呈现悲惨的病态。
这就是杂种衰退。我们大多数人熟悉的概念是杂种优势（ hybrid vigour )：远系杂交产生基因优势，因为亲缘关系较远的个体更不容易在相同基因上出现相同突变，所以，继承自母亲和父亲的等位基因很可能是互补的，可以增进个体的品质。但是，杂种优势也仅止于此。如果真让不同种的生物交配，后代很可能无法存活或无法生育，这就属于杂种衰退。事实上，亲缘关系相近的不同物种之间的生殖隔离，远不如教科书中的理论描述得那样滴水不漏。野生状态下的相近物种通常会因为行为模式的差异而忽略彼此；但在圈养状态下经常可以成功交配。传统的物种定义是，如果两个种群交配后产生的后代不可育，则二者划分为不同物种。对于很多相近的物种来说，这其实并不正确。不过，随着时间推移，不同的物种继续分化，确实会逐渐形成生殖隔离，最终，杂交产生的后代确实不可育。同一物种的不同种群必须各自独立繁殖很久（就像伯顿研究的水蚤那样），杂交时才会开始出现生殖隔离。在伯顿的例子中，杂种衰退完全可以归咎于线粒体基因组与核基因组的不兼容。而这种不兼容，是否造成了物种起源中更普遍的杂种衰退现象？我认为有可能。
批注：
杂种衰退和杂种优势，父本和母本选择的原因。

如果他用的不是"杂合性别"这个艰涩的术语，而是直接说"雄性",别人会更容易理解，但普适性会差一些。哺乳动物中的雄性是杂合的（或称异形配子），即它们有两种不同的性染色体：一条 X 和一条 Y 染色体。雌性有两条 X 染色体，所以它们的性染色体是纯合的（ homozygous ),或称同形配子（ homogametic )。鸟类和某些昆虫的情况正好相反。它们的雌性反而是异形配子，有 W 和 Z 两种染色体；雄性则是同形配子，有两条 Z 染色体。假设有两个亲缘关系很近的物种，雄性与雌性杂交，生下了可以存活的后代。但仔细考察这些杂种后代会发现，要么所有的后代只有雄性或雌性一种性别；要么虽然两种性别都有，但是其中一种不育或残废。霍尔丹法则指出，这个缺少或者有缺陷的性别，在哺乳类中是雄性，在鸟类中是雌性。自1922年以来，科学家搜集到了多达数百个符合霍尔丹法则的物种，广泛分布在很多动物门中。例外情况非常少，在生物学这个充满例外的领域中格外引人注目。
批注：
在杂交育种中杂合性别更容易出现不育

大部分线粒体疾病都会导致神经肌肉退化，影响大脑和骨骼肌，因为它们的代谢率高。其中，视力往往最容易受影响，因为视网膜和视神经细胞的代谢率是全身所有细胞中最高的。莱伯氏（ Leber ' s ）遗传性视神经萎缩症（线粒体疾病的一种）就会直接影响视神经，导致失明。线粒体疾病的症状表现很难概括，因为它们的严重程度与很多因素有关，比如突变的种类、数量，以及在不同组织中的分布情况。但无论这些因素具体如何，线粒体疾病总是会影响代谢需求最高的组织。
……
这就是为什么代谢率至关重要。给定线粒体的能量输出不变，代谢率较快的细胞更容易出现供给不足。不只是线粒体疾病，正常的衰老或者老年病都更倾向于影响代谢需求最高的组织，以及代谢需求更高的性别。雄性的代谢率较快（至少哺乳动物是如此），如果线粒体有遗传缺陷，通常都会在代谢需求更高的性别﹣﹣也就是雄性身上暴露出来。很多线粒体疾病确实在男性身上更常见：以莱伯氏遗传性视神经萎缩症为例，男性的发病率比女性高5倍；帕金森病很大程度上也与线粒体有关，男性的发病率比女性高2倍。当受到线粒体﹣核不兼容的影响时，雄性受到的影响比雌性更严重。原先独立繁殖的两个动物种群如果进行远系杂交并产生了这种不兼容（即杂种衰退），那么杂种衰退在代谢率较高的性别中最明显；在这个性别身上，又以代谢率最高的组织受到的影响最为严重。又一次，从所有复杂生物都需要两个基因组的基础事实出发，通过推论预测了这些后果。
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。
批注：
代谢率高的性别更容易发生不育或无法成活

自由基泄漏触发细胞死亡（凋亡）的临界点，不同物种之间应该不同，这取决于它们的有氧代谢能力。有氧需求很高的生物，需要线粒体基因组与核基因组完美匹配。如果自由基以较高的速率从运作不良的呼吸链中泄漏，就说明兼容性不够好。如果对基因组兼容性要求很高，细胞就会对自由基泄漏很敏感，即使较低的泄漏也会成为匹配不佳的警报，触发细胞凋亡（低门槛）。相反，如果有氧需求不高，细胞敏感自杀就没有什么好处。这样的生物可以忍受更多的自由基泄漏，不会触发细胞凋亡程序（高门槛）。对于高／低死亡门槛的特征预测，列在图的两侧。理论上，鸽子有典型的低门槛，而大鼠有典型的高门槛。这两种动物的体型和基础代谢率都相仿，但是鸽子的自由基泄漏率低得多。这些预测的正确性还有待验证，然而有一个不争的事实：大鼠只能活三四年，鸽子却可以活三十年。
批注：
有氧代谢能力和线粒体疾病的关系

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。其中有一些反应性极强，比如恶名昭彰的氢氧自由基（ hydroxyl radical ,. OH )；其他的相对比较温和，比如超氧自由基。
……
他们认为，自由基的本质具有破坏性，能够损坏蛋白质，造成 DNA 突变。这些看法都正确。更糟糕的是，自由基分子会引起连锁反应，让附近的分子（通常是膜脂质）一个接一个地抢夺下一个分子的电子，毁坏细胞中的脆弱结构。这些理论认为，自由基最终会在细胞中引起溃堤式的大破坏。想象一下：自由基在线粒体中泄漏，与周围各式各样的分子发生反应，其中当然包括邻近的线粒体 DNA 。被损坏的线粒体 DNA 开始累积突变，有些突变会扰乱 DNA 的功能，结果制造出错误的呼吸蛋白，自由基泄漏变得更严重。如此恶性循环，越来越多的蛋白质和 DNA 遭到破坏，不久衰退就会蔓延到细胞核，爆发成一场"错误灾变"( error catastrophe )。
批注：
自由基与刷老及死亡

知识点1：生命率理论是错的
生命率理论认为懒人活的长是因为少运动，所以自由基泄露少，而自由基泄露是衰老的原因。
错误原因1：实验测试细胞呼吸产生1%-5%的自由基是在大气环境，而体内氧气浓度低，导致自由基泄露比实验低几个数量级；
错误原因2：人在运动中自由基泄露水平会降低，而不是理论假设的增高；

知识点2：人的最长寿命大约在120-125岁
作者认为这是受大脑中神经突触网络的复杂度，以及其他组织中的干细胞数量决定。也有其他学者提出不同的决定论，但对最长寿命的预测都差不多。