能量，性，自杀（译文科学）

生物学研究，如何步入“知天命”之年
              中国科学院动物研究所   邹征廷

如果把每个自然科学学科都看作一个人，那么学科的发展也仿佛人的一生。得益于19世纪生物演化和遗传学理论的奠基，以及分子生化技术的飞跃，生命科学在20世纪“三十而立”，确立了学科理论框架。而世纪之交的基因组测序技术的应用，实现了能解决很多具体生物学问题的范式转移，直到今日，人类可以说对任何生命现象的具体机制能够做到“四十而不惑”。那么，自然而然的问题是，我们应该如何继续发展生物学研究，做到“五十而知天命”？在我看来，尼克•莱恩博士的这本《能量，性，自杀》，给出了一些实质性的线索和方向。

想要知道生物学“天命”的，肯定不止我一个人。2001年人类基因组计划草图完成的时候，年龄还小的我从电视新闻里次听到了“碱基”这个词，并震惊于随处可见的动物植物背后，居然有如此复杂难懂的概念。初中时，我着迷于物理——能用简洁定律描述世界的“万物之理”，是初谙世事的“中二少年”合适的理想。而到了高中，我在生物课本里与当年的“碱基”重逢，再一次被生命系统的复杂机制所震撼。在背过了遗传定律和分子生物学知识，了解了“是什么”（What）之后，我希望知道复杂生命背后的“为什么”（Why）和“如何”（How），这也许是我研究生物学的初动力。

然而大学课程大部分时候是在告诉我，生命系统的细节还可以更复杂、更超乎想象。有句话流传很广：“生物学的定律，就是所有定律都有例外。”且不论这句话里的逻辑问题，它反映了生物学专业学生的普遍困惑；甚至有人说，生物是文科，学好生物主要是要背书，记住零零碎碎的生化反应、基因和通路。

对于我自己来说，这种困惑在进入演化生物学领域后有所缓解。生物学家恩斯特•迈尔认为演化理论提供了生物学中的Why和How，也就是生命系统之所以如是的“终极原因”（ultimate cause）。演化生物学家杜布赞斯基有名言道：“没有演化之光照耀，生物学的一切都毫无道理。（Nothing in biology makes sense except in the light of evolution.）”但是，很多生物学家也往往略带戏谑地把这句话反过来——没有生物学之光照耀，演化研究的一切都毫无意义——为什么这么说呢？

到目前为止，演化生物学的核心是建立在自然选择和中性学说等理论框架下的数学模型，在描述基因组（也就是四个“碱基”字母排列而成的序列）的演化规律、追溯物种分化历史（即构建系统发育历史“演化树”）等方面已经非常成功——基因组演化的数学规律，来源于碱基序列和蛋白质序列变化的生物化学规律，这些相对简单的规律不管在细菌中还是人类中都大同小异。

然而，我们熟知的自然选择等演化驱动力，其本质是千万种不同的环境因素，对生物体生存繁衍效率的影响。一方面，环境因素可能是物理的、化学的乃至来自其他生物的，复杂多样；另一方面，这些因素又是施加在生物体本身，也就是所谓“表型”上，而不是针对基因组蓝图。静止、一维的基因组蓝图，如何展开成为运动着的三维生命系统，这个“基因型—表型映射”的鸿沟，现代生物学还远未填平。大部分的演化生物学研究，关注于对生物多样性的解释，即个别物种如何适应其生存的具体环境，而对于多样性背后的“终极原因”，例如生命演化为关键的那些表型变化——真核细胞、有性繁殖、多细胞生物发育等等——如何发生以及由什么环境因素驱动，我们大多数人仍然只有模糊的概念。

在本书中，莱恩博士试图为这些关键表型的适应性演化事件提出一个统一而简单的驱动因素解释，那就是能量，以及其代言人——线粒体。

在“用统一的规律描述研究对象”这条现代自然科学发展之路上，物理学显然比生物学要领先不少。有关能量守恒和转化的三条热力学定律，可能算得上是物理学中重要的“终极理论”之一。1944年，薛定谔正是基于热力学第二定律，在《生命是什么》一书中指出生命系统消耗能量获取有序（即“负熵”）的本质。因此，无论演化出怎样的多样性，生命系统都必须吸收能量、利用能量。

本书在部分就指出了两个没有例外的生物学规律： 所有生物都通过生物膜两侧的质子梯度来产生可用的能量；所有的真核生物都有线粒体。随后，好像电影中的主角逐渐揭露巨大的阴谋一样，作者利用几条跟线粒体能量转化相关的简单事实，向我们展示了复杂生命演化过程中为重要的几个Why和How。

以真核细胞的起源过程为例： 在科研中，证明两个事件之间确定的因果关系比发现二者的相关性要更有挑战，也更令人信服。林恩•玛格利斯的内共生学说提出，真核生物细胞中的线粒体来自被其祖先吞噬的α变形菌。本书则进一步指出线粒体是复杂的真核生物产生的充分必要条件： 细菌的能量产生于其细胞膜上，细胞体积的增大会带来单位体积能量产生速率的下降，体积受限于此的细菌不可能包含足量的遗传物质来指导复杂的生命活动；而线粒体带来的能量产生机制的内化，不仅解除了细胞的体积限制，还给予细胞“挥霍”能量合成遗传物质、运动捕食的机会，成就了复杂的真核细胞。不仅如此，共生起源的线粒体能够在演化中精简其基因组，逐渐形成独立于细胞核的线粒体基因组，虽然仅包含呼吸作用的核心元件，却是动态调整呼吸作用速率、避免自由基堆积破坏细胞的必要“自治”；而没有经过共生事件的细菌则不可能从无到有演化出这种“自治”，也就不可能自己产生内化的能量产生机制了。因此，有且只有通过线粒体共生，真核细胞的复杂性才有可能在演化中出现。

进一步的论述听起来更像是线粒体在成功入驻真核细胞之后的“一盘大棋”： 由于停滞的呼吸作用会产生对细胞结构尤其是遗传物质的破坏，线粒体运行的核心策略是保持整条呼吸链不停运行，哪怕一部分能量变成热量散失掉也无伤大雅——因而产生了温血动物；在单细胞真核生物中，寄居细胞内的线粒体不希望宿主坏掉，因而在细胞发生损伤时促进其与另外细胞的融合修复——因而产生了性；而在多细胞生物中，同样的线粒体化学信号则启动细胞的凋亡，避免不受控的细胞增殖，并且决定了多细胞生物体细胞和生殖系细胞必须隔离开来；线粒体和细胞核基因的演化速率迥异，但在同一个个体中又必须互相兼容，这决定了性别的数量为二，只有一种生殖细胞可以携带线粒体……

后，既然已经谈到了细胞的凋亡，本书自然也指出了我们作为多细胞生物的死亡与线粒体和能量之间的关系： 随着高突变率带来的基因突变增加，细胞中的无缺陷线粒体越来越少，能量产生效率的下降终导致细胞凋亡，器官衰竭。相应地，作者也给出了延年益寿的灵丹妙药，那就是降低呼吸链中自由基泄漏水平。“自由基”可能是普通大众在生活中常常会听到的字眼，作为能破坏细胞结构的高反应活性基团，它通常出现在各种抗氧化剂类保健食品的宣传中；但是吃进胃里的抗氧化剂，无助于封堵小小线粒体膜上透过的自由基。从“减少自由基”的角度出发，似乎减少对身体和细胞的使用、避免消耗和“磨损”，才是长寿之道。然而，本书指出了我们作为“负熵体”的宿命： 自由基并不是罪人，而是重要的能量调节信号，不同物种的自由基泄漏量与其运动能量需求相匹配，反而是鸟类和蝙蝠这类因飞行而有高能量需求的生物，演化出了更低的自由基泄漏量，因此相对同样条件的陆生哺乳类来说寿命更长。“生命在于运动”，诚不我欺。

事实上，演化从来不是一味的“更高更快更强”抑或是“活得更久”，而是以功能与环境“刚刚好”的匹配为目标。究其终极原因，也可以说是能量： 生物体为了功能更强总要耗费更多能量，如果不能“变现”成生存的优势，这种功能增强就难以在自然选择中保留下来。因此，我们今天看到的生命形态和现象，可以说都是在千万年的演化中经历了精打细算，每一点能量都得到了利用，而不同的能量利用策略，也造就了万千的生物多样性。

经典的自然纪录片中少不了食肉动物捕猎食草动物的震撼场景，其本质是能量的消耗战。采用短跑追猎的猫科动物往往选择与自己体型匹配的猎物来弥补相应的能量消耗： 猎豹捕食羚羊，狮子捕食更大体型的斑马。看似威风的猎豹，因为追求速度而身材苗条，没有多少能量储备，日常处在饿死的威胁中，必须有策略地在激烈的捕猎中分配能量；一次奔跑追逐的失败，或者一处拖后腿的伤痛，就意味着失去生命。而其猎物瞪羚以跳高跳远著称，甚至会用原地跳高来向猎豹进行“武力炫耀”，表明自己充足的能量储备，劝对方不要白花心思。

能量是演化军备竞赛中的永恒主题。猫科的近亲犬科动物，采取了不同的能量策略，以良好的耐力进行长距离追猎和骚扰，拖垮能量转化效率更低的食草动物。在海洋和天空中，动物们也同样以不同的能量策略各居其位： 在温暖的热带海洋，鲨鱼等冷血的捕食者得以维持肌肉的反应灵活性；而裹着厚厚脂肪的海生哺乳类和企鹅，则以其内温性的优势，在高纬度的冰冷海水中成为优势的捕猎者。长距离飞行的鸟类，擅长储存和代谢脂肪来产生迁徙时持续的能量供给；以雉鸡为代表的短途飞行鸟类，则更多使用糖类代谢来获取疾飞瞬间的爆发力。

至于我们人类自己，从上世纪中期就有理论提出，饮食中肉类比例的增加使得耗能的大脑发育和运行成为可能，促进了人类祖先的智力演化。从农业文明兴起到两次工业革命，对能量的更有效产生和使用是人类文明进步的根本动力。今日，伴随着大数据计算和人工智能的飞速进步，我们发现其能源消耗将会成为继续发展的限制；而可能为我们这个物种提供无限清洁能源的可控核聚变技术，在人们的翘首期盼中逐步接近实现。

本书不仅阐释了真核细胞产生过程的一种理论，也继续向前追溯，提到了依赖膜结构而存在的化学渗透能可能是生命初起源的动力。因此，从“负熵机器”在地球上开始存在，到人类的生存、发展、疾病和衰老，能量或许是制约生命系统发展的重要因素，也应该是我们思考演化乃至生物医学问题的思路和基础。通过这本书，我们能看到作者试图提出生物学理论的“天命”所在： 能量，或者说线粒体的能量产生机制，可以解释很多基本而关键的生命现象为何产生（Why）、如何产生（How）。

当然，作者指出书中很多想法并无具体证据和机制，生命系统的复杂程度也难以仅凭单一因素构建模型、做出预测，但阅读本书让我倍受鼓舞。如前所述，现代生物学研究在还原论思想的指导下，已经能将生命系统的各个层次、各种状态拆解描述得颇为细致；作为生物学科研工作者，或许我们应该更多地以“知天命”的心气，去尝试进一步探究生命系统中的统一规律，而非仅仅是多样性的故事。事实上，本书阐述的很多事实，我已经急不可耐地想要在我关注的演化问题上加以考虑。而作为非专业人士的读者，也可以从阅读莱恩博士思路清晰而又引人入胜的文字中，获得为专业严谨的科学知识和思维逻辑，以及窥探生命“终极原因”的美好体验。

序言

在《银河系搭车客指南》中，福特•大老爷花了15年搜索资料以修正指南中关于地球的词条。词条里原本的用词是“无害的”，而后他冗长的论文被附加在指南里，用以解释为何终修正成了——“基本无害”。我怀疑有太多的新版本遭受着同样的命运，如果不是因为荒谬的编辑上的考虑，也至少是由于内容缺乏有意义的改变。自从《能量，性，自杀》的个版本出版以来已经过去了15年，我抵制任何蹩脚的修改。有人说，甚至达尔文也通过多次修正弱化了他关于《物种起源》的争论，在这当中，他回应批评并有时将他的观点导向了错误的方向。而我更希望我的原著能自圆其说，即使之后被证明是错误的。让我举一个例子说明原因。

这本书是关于线粒体的，线粒体是我们细胞中的一个微小的“发电厂”，它提供了我们生存所需的所有能量和许多我们生存所必需的分子建筑模块。它们起源于约15到20亿年前在宿主细胞内居住的细菌，并保留一个微小但至关重要的基因组。这个线粒体基因组是我们通过卵细胞从我们的母亲那里单独遗传的；而来自父亲的存在于精子中的线粒体基因组，却被破坏了。这种性别不对称在复杂的生命中几乎是普遍存在的，作为两性之间深的区别之一，雌性可以将线粒体传递给后代，而雄性不可以，甚至在微观的单细胞生物中也不行，即使是在这些生物中，两性之间没有任何其他可见的区别。

我们所不太确定的是为什么会是这样。在这本书的第六章，我讨论并提出两种性别使得自然选择能够选择好的线粒体基因——从亲本一方中分离出单一类型的线粒体DNA，并使它“测试驱动”，以观察与新个体细胞核中其他基因的配合情况。但我也注意到这里有一个潜在的问题，因为我们继承了两组核基因，分别来自我们的父母双方，那么如果其中一组核基因与我们的线粒体基因配合默契，而另一组却没有，那又会怎样呢？我觉得，父亲的一些直接与线粒体相关的核基因可能被关闭（或“印记”），从而保证线粒体功能的优化。但是，自从写了这本书之后，我了解到这不是事实，在这种情况下，没有一点证据可以证明父系基因会被打上印记。

这些事情令我耿耿于怀。从那以后，我花了7年时间和伦敦大学学院的一位好同事，安德鲁•波米安科夫斯基，一起研究这个问题，并吸引了几位非常有天赋的学生。我相信我们找到了答案，我们意识到“性”和“两性”有两个不同的目的。性就是在每个人的核基因中产生差异，使我们每个人的基因都是独一无二的。如果我们都是克隆人，我们都可能被同一种致命的疾病消灭，也许是从一台肮脏的电话机上感染的；事实上，个体之间无数的差异意味着我们每个人面对变化的环境，无论是好是坏，都会有微妙的不同，我们中的一些人会比另一些人活得更长。

。。。。。。

人类总是仰望星空，想知道我们为什么会在这里，我们是否在这个宇宙中是孤独的。我们问为什么世界充满了动植物，这一切没有发生的可能性有多大？我们来自何方,我们的祖先是谁,我们的命运将是怎样？
对生命、宇宙和一切的问题的答案神秘而简短:线粒体。
因为它告诉我们分子是如何在我们的星球上产生生命的，为什么细菌会主宰这个星球这么长时间。
它告诉我们个真正复杂的细胞是如何形成的,以及为什么从那时起,地球上的生命就沿着复杂性斜坡上升到如今我们周围的繁荣景象。
它向我们展示了为什么燃烧能量的温血生物会崛起,冲破了环境的枷锁；为什么我们有性行为、有两种性别、有孩子,为什么我们必须坠入爱河。
它还向我们展示了为什么我们在这片苍穹下的日子是有限的,为什么我们必须终变老和死去。它们也向我们展示了,怎样做才能改善我们的晚年生活,以避开身为人类的诅咒———老化的痛苦。
就算它没有告诉我们生命的意义,它至少能让我们理解生命为何是这般模样。
如果这都没有意义,那这世界上还有什么是有意义的呢?

人类总是仰望星空，想知道我们为什么会在这里，我们是否在这个宇宙中是孤独的。我们问为什么世界充满了动植物，这一切没有发生的可能性有多大？我们来自何方,我们的祖先是谁,我们的命运将是怎样？
对生命、宇宙和一切的问题的答案神秘而简短:线粒体。
因为它告诉我们分子是如何在我们的星球上产生生命的，为什么细菌会主宰这个星球这么长时间。
它告诉我们个真正复杂的细胞是如何形成的,以及为什么从那时起,地球上的生命就沿着复杂性斜坡上升到如今我们周围的繁荣景象。
它向我们展示了为什么燃烧能量的温血生物会崛起,冲破了环境的枷锁；为什么我们有性行为、有两种性别、有孩子,为什么我们必须坠入爱河。
它还向我们展示了为什么我们在这片苍穹下的日子是有限的,为什么我们必须终变老和死去。它们也向我们展示了,怎样做才能改善我们的晚年生活,以避开身为人类的诅咒———老化的痛苦。
就算它没有告诉我们生命的意义,它至少能让我们理解生命为何是这般模样。
如果这都没有意义,那这世界上还有什么是有意义的呢?

尼克•莱恩（Nick Lane）
英国演化生化学家，也是英国伦敦大学学院的荣誉教授，作家，英国伦敦大学学院遗传学、演化和环境系的演化生物化学教授，伦敦大学学院线粒体研究学会的创始成员，并领导了该学院关于生命起源的研究计划。
莱恩曾获得2015年生物化学协会奖，2016年皇家学会迈克尔•法拉第奖，并在《自然》《科学》和《细胞》等国际期刊上发表过80余篇论文。
莱恩写过四本关于进化的书籍，被翻译成25国语言。《独立报》称他为“我们时代令人激动的科普作家之一”。

致谢001
序言001
导言线粒体：  世界的隐秘统治者001

章 有希望的怪物：真核细胞的起源025
节 深的演化鸿沟035
第二节 追寻祖先048
第三节 氢假说064
第二章 生命力：质子动力与生命起源079
第四节 呼吸作用的意义085
第五节 质子动力102
第六节 生命的起源113

第三章 内幕交易：复杂性的基础127
第七节 细菌为何如此简单139
第八节 为什么线粒体使复杂性成为可能158

第四章 幂次定律：尺寸与复杂性上升的斜坡179
第九节 生物中的幂次定律187
第十节 温血革命213

第五章 谋杀还是自杀：个体的艰难诞生225
第十一节 体内的冲突239
第十二节 个体的建立258

第六章 性别之战：史前人类与性别的本质273
第十三节 性别的不对称279
第十四节 史前人类考古的性别启示291
第十五节 为什么有两种性别311

第七章 生命的时钟：  为何线粒体终将杀死我们321
第十六节 线粒体衰老理论329
第十七节 自动校正机的消亡347
第十八节 治疗老化？362

后记374
词汇表386
译后记393
致谢

人类总是仰望星空，想知道我们为什么会在这里，我们是否在这个宇宙中是孤独的。我们问为什么世界充满了动植物，这一切没有发生的可能性有多大？我们来自何方,我们的祖先是谁,我们的命运将是怎样？
对生命、宇宙和一切的问题的答案神秘而简短:线粒体。
因为它告诉我们分子是如何在我们的星球上产生生命的，为什么细菌会主宰这个星球这么长时间。
它告诉我们个真正复杂的细胞是如何形成的,以及为什么从那时起,地球上的生命就沿着复杂性斜坡上升到如今我们周围的繁荣景象。
它向我们展示了为什么燃烧能量的温血生物会崛起,冲破了环境的枷锁；为什么我们有性行为、有两种性别、有孩子,为什么我们必须坠入爱河。
它还向我们展示了为什么我们在这片苍穹下的日子是有限的,为什么我们必须终变老和死去。它们也向我们展示了,怎样做才能改善我们的晚年生活,以避开身为人类的诅咒———老化的痛苦。
就算它没有告诉我们生命的意义,它至少能让我们理解生命为何是这般模样。
如果这都没有意义,那这世界上还有什么是有意义的呢?

尼克•莱恩（Nick Lane）
英国演化生化学家，也是英国伦敦大学学院的荣誉教授，作家，英国伦敦大学学院遗传学、演化和环境系的演化生物化学教授，伦敦大学学院线粒体研究学会的创始成员，并领导了该学院关于生命起源的研究计划。
莱恩曾获得2015年生物化学协会奖，2016年皇家学会迈克尔•法拉第奖，并在《自然》《科学》和《细胞》等国际期刊上发表过80余篇论文。
莱恩写过四本关于进化的书籍，被翻译成25国语言。《独立报》称他为“我们时代令人激动的科普作家之一”。

充满令人吃惊的见识，同时也诉说了自然及生命的起源。
——《经济学人》年度好书
连恩的力作和许多议题都密切相关，从天体生物学（探讨宇宙间复杂生命的共通性），到根本的问题（生命的起源），乃至于千古大问（是否有可能在一两个世纪内延长人类的寿命？）。这样的一本书无法赋予生命意义，却以一种前所未有的连贯性，解释了生命的运作、理路和内在逻辑。
——《展望杂志》
大胆！书中提出了至少两个可以验证的重大原创假设，这些部分有资格被视为手文献。本书是为每一位对二十一世纪科学中深刻的问题感到兴趣的读者而写的，其中心思想的论述清晰有力，严肃而影响深远。它提供了一个新的切入点，说明为何我们存在于此。请务必一读。
——《自然》
现代生物学必须诉说的故事中，有意思的一则。
——《卫报》
有趣又好读。连恩完成了一项艰巨的任务，他在这个复杂的领域中撷出精选的层面，并使之浅显易懂；他应用了许多巧妙的比喻，引人入胜。
——《科学》
我不相信会有人读过本书，却没有为生物建构机制的奇巧、复杂，以及惊险程度感到惊讶。在本书中，连恩欣喜地向我们揭示了这些秘密，相信阅读本书的读者也会感受到和他相同的心情。
——《大众科学》
非常发人深省的一本书。作者对这个领域的知识令人印象深刻，他探