達爾文的生命樹倒了
為了說明不同物種在親緣關係上的遠近，100多年前達爾文發明了生命樹的概念。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，但這也許並非壞事。
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，然後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係的樹，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的先後。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，生長出一條粗壯的樹榦，這條樹榦向上生長的過程中不斷分叉；每一個分支代表一個物種；大多數分支最後走進了死胡同，它們所代表的物種已經滅絕，但少數卻存活下來。所以生命樹是地球上現有以及曾經出現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多年裡，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，以便把所有物種「一網打盡」。這個目標看來幾乎伸手可及，但現在卻破滅了。因為有越來越多相反的證據表明，生命樹並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
那麼發生了什麼，事情竟然來了一百八十度的轉彎？在這場戲中唱主角的是DNA。1953年，DNA雙螺旋結構的發現為進化生物學開闢了新的前景。因為生命進化的歷史都寫在遺傳物質上，我們只要讀出DNA序列以及其他生物分子譬如RNA和蛋白質，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，原先它們被錯誤地划到了細菌的類別里。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境下，如大洋底部的熱泉、鹽鹼湖等。古菌的細胞膜和細胞壁的結構與細菌的有所不同，所以要與細菌區別開來。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，而不再只局限於它們的RNA，問題就來了。人們原以為，DNA測序的結果會支持以往通過RNA測序畫出的生命樹，有時候情況的確如此，但有時候卻並不。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測序的結果則恰恰相反。
產生矛盾的原因是達爾文關於生命樹的概念是錯的。達爾文假設生命樹上的各個物種只存在垂直的親緣關係，即後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常地交換遺傳物質或者說雜交呢？
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，只有假設它們曾經與別的物種經常性地交換遺傳物質才能解釋清楚，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「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，但後來證明這一點錯了，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
於是，有科學家開始重新審視生命樹的概念。早在1993年有人提出，對於細菌和古菌，生命樹與其說是一棵樹，不如說是一張網。1999年，有人甚至聲稱生命的歷史並不能用一棵樹來代表，生命樹並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。他們調查了181種原核生物的近50萬個基因序列，發現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，種系關係看起來更像是一個環，而不是一根樹枝。
生命樹還進一步被生物之間一種叫內共生的關係所「玷污」。科學家普遍認為，在真核生物進化的早期，曾經吞入兩個原核生物，這兩個原核生物僥倖躲過被消化的危險，在它的體內保留了下來，形成一種互利合作的共生關係；現在則變成了真核生物體內的細胞器：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併了一個小單位之後，為了集體的利益，不得不讓小單位的人也進入領導層參與管理一樣。更有甚者，兩個真核生物也會形成這種「你中有我，我中有你」的內共生關係。
這種兩個物種基因共享的現象至今還在發生。大多數真核生物是單細胞生物，像阿米巴蟲、藻類等等。在它們身上，發生水平基因交換的頻率堪比細菌。它們之間的關係遠不是一棵樹所能表達的。
也許你會想，微生物之間發生基因交換跟我們有什麼關係？畢竟我們所熟悉的生物，譬如動物和植物之間的關係能用一顆樹來準確表達。
但是你要知道，生物學是關於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6.3億年。而且即使在今天，細菌、藻類等單細胞生物佔地球上全部物種的90%以上，從個體數量來說，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係也是樹形，那顯然是以偏概全。生命樹不過是錯綜複雜的生命網的一個局部現象，就好比在一條曲線上截取一小段，看起來像直線一樣。
動植物的關係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。生物學家經過統計發現，近14%的現存植物是通過雜交產生。
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，並且至今還在發揮著作用。據調查，近10%的動物經常性地與別的物種雜交，包括我們人類。比如有證據表明，早期的現代智人曾經與我們已經滅絕的近親直立人和尼安德特人進行過雜交。而且雜交也並不是破壞動物關係樹形結構的唯一因素，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上發現越來越多的「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種動物身上發現一種特殊的DNA片段，而在包括人和大象等在內的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現蛇的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毫無用處，事實上大約51%的多細胞生物之間的關係依然可以用生命樹來很好地描述。我們只是說，在整個地球生命的範圍內，達爾文的生命樹已不再適用。但生命樹倒了，並不意味著進化論錯了，只是說進化比達爾文原先想像的要複雜得多。
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台階。
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