达尔文的生命树倒了

为了说明不同物种在亲缘关系上的远近，100多年前达尔文发明了生命树的概念。这棵在历史上曾起过重要作用的生命树，如今却被分子生物学家砍到了，但这也许并非坏事。

1837年7月的一天，达尔文突然来了一阵灵感，他思索了一会儿，然后拿起笔在一本红皮笔记本上画下了一棵树的草图。

这不是一棵普通的树，而是他用来说明不同物种在进化史上亲缘关系的树，被称为“生命树”；它展示了从一个物种是如何进化出许多分支物种的；它还指出各个物种在时间上出现的先后。达尔文认为生命树反映了大自然的真实情况。

自那时起，生命树成了理解生物进化的一个基本概念。在生命树的最根部，是地球上所有生命的共同祖先，从这个祖先出发，生长出一条粗壮的树干，这条树干向上生长的过程中不断分叉；每一个分支代表一个物种；大多数分支最后走进了死胡同，它们所代表的物种已经灭绝，但少数却存活下来。所以生命树是地球上现有以及曾经出现过的生命的完整记录，每一物种，大到鲸鱼，小到细菌，都可以在这棵树上找到自己的位置。

在过去的150多年里，生物学家的一项重要任务就是不断给这棵挂满生命的巨树添补细节，以便把所有物种“一网打尽”。这个目标看来几乎伸手可及，但现在却破灭了。因为有越来越多相反的证据表明，生命树并不能反映大自然的真实情况，是一个需要抛弃的过时的概念。

分子生物学造了生命树的反

那么发生了什么，事情竟然来了一百八十度的转弯？在这场戏中唱主角的是DNA。1953年，DNA双螺旋结构的发现为进化生物学开辟了新的前景。因为生命进化的历史都写在遗传物质上，我们只要读出DNA序列以及其他生物分子譬如RNA和蛋白质，就能还原生命的进化历程。早先，生物学家确信，分子生物学必将为达尔文的生命树提供更有力的证明，在生命树上越接近的物种，它们的DNA、RNA和蛋白质应该越相似。

刚开始一切进展顺利。最早能被测序的分子是RNA。1970年代，通过比较不同动物、植物以及微生物的RNA序列，分子生物学家开始更准确地画出生命树的蓝图，甚至还在其上添上了生物的一类重要分支——古菌，原先它们被错误地划到了细菌的类别里。到1980年代中期，人们普遍乐观地认为先进的分子技术将帮助我们完善这棵生命树。

【小资料】古菌

古菌是最古老的生命体，它们通常生活在各种极端自然环境下，如大洋底部的热泉、盐碱湖等。古菌的细胞膜和细胞壁的结构与细菌的有所不同，所以要与细菌区别开来。古菌和细菌合起来就是我们所说的原核生物，这类生物没有细胞核。而真核生物的细胞内有细胞核。

但到了1990年代早期，随着生物学家可以对细菌和古菌的DNA进行测序，而不再只局限于它们的RNA，问题就来了。人们原以为，DNA测序的结果会支持以往通过RNA测序画出的生命树，有时候情况的确如此，但有时候却并不。譬如RNA测序告诉我们，物种A比起物种C来在亲缘上更接近物种B，但DNA测序的结果则恰恰相反。

产生矛盾的原因是达尔文关于生命树的概念是错的。达尔文假设生命树上的各个物种只存在垂直的亲缘关系，即后来物种的基因完全来自祖先物种的遗传，但要是不同物种之间也在经常地交换遗传物质或者说杂交呢？

事情的确如此：当需要确定细菌或古菌在生命树上的位置时，只有假设它们曾经与别的物种经常性地交换遗传物质才能解释清楚，有时候这种基因交换在种间跨度很大，这个过程我们叫“水平基因交换”。

最初人们假设“水平基因交换”只是个小角色，它所交换的基因无非决定生命的一些次要功能，但后来证明这一点错了，生物的一些重要功能也来自水平基因交换。

从生命树到生命网

于是，有科学家开始重新审视生命树的概念。早在1993年有人提出，对于细菌和古菌，生命树与其说是一棵树，不如说是一张网。1999年，有人甚至声称生命的历史并不能用一棵树来代表，生命树并不能反映大自然真实的情况。

这样，科学家就生命树是否真实的问题展开了激烈的争论。许多人利用电脑继续画生命树，另一些人则建议放弃。

2008年，德国海涅大学的生物学家为这场争论提供了更有力的证据。他们调查了181种原核生物的近50万个基因序列，发现80%的序列存在水平基因交换的迹象。

更让人吃惊的是，水平基因交换还把“黑手”伸进了真核生物的领域：在由两个原核生物，一个是细菌，另一个是古菌融合而成的真核生物中，种系关系看起来更像是一个环，而不是一根树枝。

生命树还进一步被生物之间一种叫内共生的关系所“玷污”。科学家普遍认为，在真核生物进化的早期，曾经吞入两个原核生物，这两个原核生物侥幸躲过被消化的危险，在它的体内保留了下来，形成一种互利合作的共生关系；现在则变成了真核生物体内的细胞器：一个是细胞动力的来源——线粒体，另一个是植物进行光合作用的场所——叶绿体。而这些被吞噬的原核生物，把自己很大一部分基因贡献给了宿主生物，形成杂合体基因。这就好比一个大单位吞并了一个小单位之后，为了集体的利益，不得不让小单位的人也进入领导层参与管理一样。更有甚者，两个真核生物也会形成这种“你中有我，我中有你”的内共生关系。

这种两个物种基因共享的现象至今还在发生。大多数真核生物是单细胞生物，像阿米巴虫、藻类等等。在它们身上，发生水平基因交换的频率堪比细菌。它们之间的关系远不是一棵树所能表达的。

也许你会想，微生物之间发生基因交换跟我们有什么关系？毕竟我们所熟悉的生物，譬如动物和植物之间的关系能用一颗树来准确表达。

但是你要知道，生物学是关于所有生命的一门科学。微生物在地球上生活了至少38亿年，而多细胞生物才出现6.3亿年。而且即使在今天，细菌、藻类等单细胞生物占地球上全部物种的90%以上，从个体数量来说，也远超过多细胞生物。如果因多细胞生物的进化类似树形，就由此就断言地球上所有生命之间的关系也是树形，那显然是以偏概全。生命树不过是错综复杂的生命网的一个局部现象，就好比在一条曲线上截取一小段，看起来像直线一样。

动植物的关系也不能用生命树完全描述

更要命的是，即便动物和植物的进化也不能完全用生命树来表示。例如，在植物的进化过程中，杂交就起到过非常重要的作用。生物学家经过统计发现，近14%的现存植物是通过杂交产生。

有些生物学家甚至确信，杂交也是动物进化的一个不可忽视的动力，并且至今还在发挥着作用。据调查，近10%的动物经常性地与别的物种杂交，包括我们人类。比如有证据表明，早期的现代智人曾经与我们已经灭绝的近亲直立人和尼安德特人进行过杂交。而且杂交也并不是破坏动物关系树形结构的唯一因素，事实上，水平基因交换在动物身上也扮演着一个不小的角色。随着多细胞生物基因测序的顺利进行，人们在DNA上发现越来越多的“外来客”。比如2008年，美国得克萨斯州大学的科学家在包括老鼠、丛猴等8种动物身上发现一种特殊的DNA片段，而在包括人和大象等在内的25种动物身上却没有。这说明这个片段是通过水平基因交换进入那8个物种的，媒介很可能是病毒、细菌或者寄生虫。还有在几年前，人们在一头奶牛身上发现蛇的DNA片段，也是一个例子。

在人身上，估计有40%~50%的基因是通过以病毒为媒介的水平基因交换得来的，有的基因至今还发挥着重要的生理功能。在其他大型动物身上，大概也是类似的情况。

当然，没有人说生命树的概念在动物和植物的谱系中已经毫无用处，事实上大约51%的多细胞生物之间的关系依然可以用生命树来很好地描述。我们只是说，在整个地球生命的范围内，达尔文的生命树已不再适用。但生命树倒了，并不意味着进化论错了，只是说进化比达尔文原先想象的要复杂得多。

当然，有些生物学家的观点更激进。他们把生命树的倒掉视为即将来临的一场生物学革命的开始：达尔文进化论中核心的“生存竞争”的观念应该让位给由水平基因交换所揭示的“合作共生”的观念。由此，我们的一些生物学基本观念都要来一场大的转变。

不管如何，生命树的倒掉都是一件值得庆贺的事，因为这意味着我们对进化的认识跃上了一个新的台阶。