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

　　1837年7月的一天，達(dá)爾文突然來(lái)了一陣靈感，他思索了一會(huì)兒，然后拿起筆在一本紅皮筆記本上畫下了一棵樹(shù)的草圖。

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

　　自那時(shí)起，生命樹(shù)成了理解生物進(jìn)化的一個(gè)基本概念。在生命樹(shù)的最根部，是地球上所有生命的共同祖先，從這個(gè)祖先出發(fā)，生長(zhǎng)出一條粗壯的樹(shù)干，這條樹(shù)干向上生長(zhǎng)的過(guò)程中不斷分叉;每一個(gè)分支代表一個(gè)物種;大多數(shù)分支最后走進(jìn)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(lái)。所以生命樹(shù)是地球上現(xiàn)有以及曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的生命的完整記錄，每一物種，大到鯨魚，小到細(xì)菌，都可以在這棵樹(shù)上找到自己的位置。

　　在過(guò)去的150多年里，生物學(xué)家的一項(xiàng)重要任務(wù)就是不斷給這棵掛滿生命的巨樹(shù)添補(bǔ)細(xì)節(jié)，以便把所有物種“一網(wǎng)打盡”。這個(gè)目標(biāo)看來(lái)幾乎伸手可及，但現(xiàn)在卻破滅了。因?yàn)橛性絹?lái)越多相反的證據(jù)表明，生命樹(shù)并不能反映大自然的真實(shí)情況，是一個(gè)需要拋棄的過(guò)時(shí)的概念。

分子生物學(xué)造了生命樹(shù)的反

　　那么發(fā)生了什么，事情竟然來(lái)了一百八十度的轉(zhuǎn)彎?在這場(chǎng)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(jìn)化生物學(xué)開(kāi)辟了新的前景。因?yàn)樯M(jìn)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(jìn)化歷程。早先，生物學(xué)家確信，分子生物學(xué)必將為達(dá)爾文的生命樹(shù)提供更有力的證明，在生命樹(shù)上越接近的物種，它們的DNA、RNA和蛋白質(zhì)應(yīng)該越相似。

　　剛開(kāi)始一切進(jìn)展順利。最早能被測(cè)序的分子是RNA。1970年代，通過(guò)比較不同動(dòng)物、植物以及微生物的RNA序列，分子生物學(xué)家開(kāi)始更準(zhǔn)確地畫出生命樹(shù)的藍(lán)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(cuò)誤地劃到了細(xì)菌的類別里。到1980年代中期，人們普遍樂(lè)觀地認(rèn)為先進(jìn)的分子技術(shù)將幫助我們完善這棵生命樹(shù)。

　　【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(xì)胞膜和細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)與細(xì)菌的有所不同，所以要與細(xì)菌區(qū)別開(kāi)來(lái)。古菌和細(xì)菌合起來(lái)就是我們所說(shuō)的原核生物，這類生物沒(méi)有細(xì)胞核。而真核生物的細(xì)胞內(nèi)有細(xì)胞核。

　　但到了1990年代早期，隨著生物學(xué)家可以對(duì)細(xì)菌和古菌的DNA進(jìn)行測(cè)序，而不再只局限于它們的RNA，問(wèn)題就來(lái)了。人們?cè)詾椋珼NA測(cè)序的結(jié)果會(huì)支持以往通過(guò)RNA測(cè)序畫出的生命樹(shù)，有時(shí)候情況的確如此，但有時(shí)候卻并不。譬如RNA測(cè)序告訴我們，物種A比起物種C來(lái)在親緣上更接近物種B，但DNA測(cè)序的結(jié)果則恰恰相反。

　　產(chǎn)生矛盾的原因是達(dá)爾文關(guān)于生命樹(shù)的概念是錯(cuò)的。達(dá)爾文假設(shè)生命樹(shù)上的各個(gè)物種只存在垂直的親緣關(guān)系，即后來(lái)物種的基因完全來(lái)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(shuō)雜交呢?

　　事情的確如此：當(dāng)需要確定細(xì)菌或古菌在生命樹(shù)上的位置時(shí)，只有假設(shè)它們?cè)?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(shí)候這種基因交換在種間跨度很大，這個(gè)過(guò)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(gè)小角色，它所交換的基因無(wú)非決定生命的一些次要功能，但后來(lái)證明這一點(diǎn)錯(cuò)了，生物的一些重要功能也來(lái)自水平基因交換。

　　從生命樹(shù)到生命網(wǎng)

　　于是，有科學(xué)家開(kāi)始重新審視生命樹(shù)的概念。早在1993年有人提出，對(duì)于細(xì)菌和古菌，生命樹(shù)與其說(shuō)是一棵樹(shù)，不如說(shuō)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(shù)來(lái)代表，生命樹(shù)并不能反映大自然真實(shí)的情況。

　　這樣，科學(xué)家就生命樹(shù)是否真實(shí)的問(wèn)題展開(kāi)了激烈的爭(zhēng)論。許多人利用電腦繼續(xù)畫生命樹(shù)，另一些人則建議放棄。

　　2008年，德國(guó)海涅大學(xué)的生物學(xué)家為這場(chǎng)爭(zhēng)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(wàn)個(gè)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(jìn)了真核生物的領(lǐng)域：在由兩個(gè)原核生物，一個(gè)是細(xì)菌，另一個(gè)是古菌融合而成的真核生物中，種系關(guān)系看起來(lái)更像是一個(gè)環(huán)，而不是一根樹(shù)枝。

　　生命樹(shù)還進(jìn)一步被生物之間一種叫內(nèi)共生的關(guān)系所“玷污”?？茖W(xué)家普遍認(rèn)為，在真核生物進(jìn)化的早期，曾經(jīng)吞入兩個(gè)原核生物，這兩個(gè)原核生物僥幸躲過(guò)被消化的危險(xiǎn)，在它的體內(nèi)保留了下來(lái)，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(xì)胞器：一個(gè)是細(xì)胞動(dòng)力的來(lái)源——線粒體，另一個(gè)是植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)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(xiàn)給了宿主生物，形成雜合體基因。這就好比一個(gè)大單位吞并了一個(gè)小單位之后，為了集體的利益，不得不讓小單位的人也進(jìn)入領(lǐng)導(dǎo)層參與管理一樣。更有甚者，兩個(gè)真核生物也會(huì)形成這種“你中有我，我中有你”的內(nèi)共生關(guān)系。

　　這種兩個(gè)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(xì)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(xì)菌。它們之間的關(guān)系遠(yuǎn)不是一棵樹(shù)所能表達(dá)的。

　　也許你會(huì)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(dòng)物和植物之間的關(guān)系能用一顆樹(shù)來(lái)準(zhǔn)確表達(dá)。

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

　動(dòng)植物的關(guān)系也不能用生命樹(shù)完全描述

　　更要命的是，即便動(dòng)物和植物的進(jìn)化也不能完全用生命樹(shù)來(lái)表示。例如，在植物的進(jìn)化過(guò)程中，雜交就起到過(guò)非常重要的作用。生物學(xué)家經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，近14%的現(xiàn)存植物是通過(guò)雜交產(chǎn)生。

　　有些生物學(xué)家甚至確信，雜交也是動(dòng)物進(jìn)化的一個(gè)不可忽視的動(dòng)力，并且至今還在發(fā)揮著作用。據(jù)調(diào)查，近10%的動(dòng)物經(jīng)常性地與別的物種雜交，包括我們?nèi)祟?。比如有證據(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(jìn)行過(guò)雜交。而且雜交也并不是破壞動(dòng)物關(guān)系樹(shù)形結(jié)構(gòu)的唯一因素，事實(shí)上，水平基因交換在動(dòng)物身上也扮演著一個(gè)不小的角色。隨著多細(xì)胞生物基因測(cè)序的順利進(jìn)行，人們?cè)贒NA上發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的“外來(lái)客”。比如2008年，美國(guó)得克薩斯州大學(xué)的科學(xué)家在包括老鼠、叢猴等8種動(dòng)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(dòng)物身上卻沒(méi)有。這說(shuō)明這個(gè)片段是通過(guò)水平基因交換進(jìn)入那8個(gè)物種的，媒介很可能是病毒、細(xì)菌或者寄生蟲。還有在幾年前，人們?cè)谝活^奶牛身上發(fā)現(xiàn)蛇的DNA片段，也是一個(gè)例子。

　　在人身上，估計(jì)有40%~50%的基因是通過(guò)以病毒為媒介的水平基因交換得來(lái)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(dòng)物身上，大概也是類似的情況。

　　當(dāng)然，沒(méi)有人說(shuō)生命樹(shù)的概念在動(dòng)物和植物的譜系中已經(jīng)毫無(wú)用處，事實(shí)上大約51%的多細(xì)胞生物之間的關(guān)系依然可以用生命樹(shù)來(lái)很好地描述。我們只是說(shuō)，在整個(gè)地球生命的范圍內(nèi)，達(dá)爾文的生命樹(shù)已不再適用。但生命樹(shù)倒了，并不意味著進(jìn)化論錯(cuò)了，只是說(shuō)進(jìn)化比達(dá)爾文原先想象的要復(fù)雜得多。

　　當(dāng)然，有些生物學(xué)家的觀點(diǎn)更激進(jìn)。他們把生命樹(shù)的倒掉視為即將來(lái)臨的一場(chǎng)生物學(xué)革命的開(kāi)始：達(dá)爾文進(jìn)化論中核心的“生存競(jìng)爭(zhēng)”的觀念應(yīng)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(xué)基本觀念都要來(lái)一場(chǎng)大的轉(zhuǎn)變。

　　不管如何，生命樹(shù)的倒掉都是一件值得慶賀的事，因?yàn)檫@意味著我們對(duì)進(jìn)化的認(rèn)識(shí)躍上了一個(gè)新的臺(tái)階。