一 所有生命的一個祖先
2024 年夏天，英國布里斯托大學的一個團隊在《自然·生態與演化》上，給地球上所有細胞生命的共同祖先畫了一幅像。
畫像是這樣的：它生活在約四十二億年前。那時地球剛成形三億多年，月球離地球比今天近得多，海洋剛剛穩定下來。
地質學家把這段最早的時間叫冥古宙，名字取自希臘神話裡的冥王，過去以為那時的地球像地獄一樣，到處是熔岩。後來澳大利亞傑克山的鋯石改變了這個印象：四十四億年前的鋯石裡，氧同位素的樣子說明，它們形成時已經碰到過液態的水。那時的太陽比今天暗三成左右，天空裡掛著一個大得多的月亮，潮水一天裡要漲落得比今天猛烈得多。
它已經是一個像樣的細胞，複雜程度和今天的細菌差不多，基因組約二百七十五萬個鹼基對，約有兩千六百個基因。今天一個普通的細菌，大約有四千個基因。
它不用氧氣，那時的空氣裡本來也幾乎沒有氧。它從氫氣裡取電子，把二氧化碳一步步裝配成有機物，排出醋酸一類的小分子。
它已經有了造蛋白質的整套機器，有了一台旋轉的能量機器，甚至可能已經有了一套對付病毒的免疫系統：能記住入侵者的一段序列，下次再來，認出來就剪斷。它也不是孤零零的，它排出的廢物，很可能餵養著同一個海底的別的微生物。
這就是今天所有細菌，所有古菌，所有動物，植物和真菌，包括讀這篇文章的你，共同的祖先。生物學家叫它最後共同祖先，英文縮寫讀起來像一個常見的人名"盧卡"，很多人乾脆就這麼叫它。
這幅像沒有一塊化石作依據。四十二億年前的岩石幾乎都沒有留下來，留下來的也不可能標明"這是它"。
畫像是從今天活著的生物身上倒推出來的：比較它們共有什麼，缺什麼，再一步步推回去。這一篇講的，就是這幅像是怎麼畫出來的，哪些筆畫很穩，哪些筆畫還在晃。
這個念頭最早來自達爾文。1837 年，他在一本隨身的筆記本裡畫了一張小小的分叉圖，一根主幹分出幾枝，枝上再分枝，圖的上方寫著兩個字："我想"。二十二年後，《物種起源》的結尾寫道：從類比推斷，地球上一切曾經活過的生物，很可能都來自某一個原始的形式。
達爾文給出了思想，沒有給出找到它的辦法。把這件事變成一個能用數據回答的問題，要等到一百多年以後，人們學會了讀分子。
先說清這個名字。"最後"說的是往回追的時候，所有譜系最後一次匯到一起的那個點，不是時間上第一個出現的生命。
人類自己有一個好例子。今天地球上所有活著的人，往回追家譜，會在某個時候匯到同一個人身上。2004 年的一項模型估計，這個人可能只生活在幾千年前。
第五篇會講到，所有現代人的母系祖先"線粒體夏娃"，約生活在二十萬年前，那只是沿著母親一條線往回追的結果。人類當然比這些都古老得多，在他之前活過無數人，只是他們的血脈要麼斷了，要麼早已匯進了同一條線裡。
生命也一樣。最後共同祖先之前，可能已經有過很長一段生命史：最早的膜，最早的代謝，最早會複製的分子。
它同時代也可能有許多別的生命，只是它們沒有留下今天的後代，就不在這棵樹上。第八節會回來講它們。
所以最後共同祖先是一個關係的名字。它的定義是"今天所有後代往回追的匯合處"。假如明天所有的細菌都滅絕了，只剩古菌和它們的後代，這個匯合點就會立刻往後移，移到古菌那一支內部去。四十二億年前的那個祖先沒有變，變的是誰還活著。
關係不會留在岩石裡。 即使真有一顆四十億年前的細胞完好地保存下來，擺在顯微鏡底下，也沒有辦法證明它恰好就是那個節點：它可能是祖先的表親，可能是祖先的祖先，可能是同時代的旁支，也可能是它的某個後代。這個對象只能從活著的後代身上反推。
這個系列說的構，說到底是劃一條線：線裡的算數，線外的不算。線可以是人劃的，比如一套判據，也可以是自然劃的，比如一層膜。
這一篇的線，劃在"今天還有後代"這件事上：有後代的，都匯進這個節點。沒有後代的，不管它們當時活得多麼興旺，都不在線裡。
二 共同的裝置
畫像的第一筆，來自一個驚人的事實：地球上所有的細胞，用的是同一套核心裝置。
1961 年，美國國立衛生研究院的尼倫伯格和馬太，把一段只由一種字母重複組成的人工核糖核酸放進試管，加入細胞裡提取出來的造蛋白質的機器，結果造出了一長串只由苯丙氨酸連成的蛋白質。
遺傳密碼的第一個"字"就這樣被破譯了：三個一樣的字母，對應一種氨基酸。幾年之內，六十四個密碼子全部被讀了出來：六十四種三字母組合，對應二十種氨基酸和表示"到此為止"的停止信號，很多氨基酸有好幾個同義的寫法。1968 年，尼倫伯格和另外兩位研究遺傳密碼的學者分享了諾貝爾獎。
接下來的發現更讓人意外。細菌，酵母，玉米，老鼠和人，用的幾乎是同一本密碼本。同一個三字母組合，在大腸桿菌裡對應哪種氨基酸，在人身上也對應哪種。
只有線粒體和少數生物做過一點小改動。比如人的線粒體裡，一個在別處表示"停止"的組合，被讀成了色氨酸。
1968 年，克里克把這本密碼本叫作"凍結的偶然"：它最初怎麼定下來，也許有很多偶然，可一旦所有的蛋白都靠它來寫，改動任何一個字，都會讓成千上萬個蛋白同時出錯，於是它就凍住了。
共同的不只是密碼本。造蛋白質的那台機器叫核糖體，幾乎每一種細胞裡都是同一種設計：一大一小兩個亞基，中間夾著信使，一個一個地把氨基酸接上去。
2000 年前後，研究者終於看清了核糖體的原子結構，發現把氨基酸接起來的那一步，是由核糖體裡的核糖核酸完成的，周圍的蛋白質只是幫手。核糖體裡真正幹活的，是核糖核酸。 這個發現讓很多人相信，生命在用 DNA 和蛋白質之前，曾經有過一個主要靠核糖核酸的階段。2009 年，看清核糖體結構的三位科學家分享了諾貝爾化學獎。
構成蛋白質的二十種氨基酸，處處是同一套，除了沒有左右之分的甘氨酸，都用左手的那一種，右手的版本在生命裡幾乎不用。為什麼偏偏是左手，至今沒有定論。
1969 年落在澳大利亞默奇森鎮的一顆隕石裡，研究者找到了幾十種氨基酸，其中幾種左手的版本略多一點。有人猜，生命的偏好，也許在落到地球之前就被太空裡的某種過程推了一把。
細胞付賬用的能量分子，都是同一種三磷酸腺苷。一個成年人一天裡造出又用掉的三磷酸腺苷，加起來差不多和他自己的體重一樣重，細菌用的也是這種分子。基因都寫在 DNA 上，先抄成 RNA，再翻譯成蛋白質。
這批東西，不太可能各自獨立發明好幾次。最簡單的解釋是：它們全部來自同一個來源。
2010 年，美國布蘭迪斯大學的西奧博爾德把這個"最簡單的解釋"做成了一次正式的統計檢驗。他挑了二十幾個所有生命都有的蛋白質，比較"所有生命來自一個共同祖先"和"來自幾個獨立起源"兩種模型，哪一個更能解釋今天看到的序列。
結果是，共同祖先的模型勝出的賠率，是十的兩千八百六十次方比一。 宇宙裡的原子總數，也不過十的八十次方左右。
有了共同的裝置，就能比較。每個生物體內都有一批做同樣工作的分子，同一件工作的那個分子，在不同的生物裡由不同的序列拼成，而序列可以一個字母一個字母地比對。
兩個生物在同一個分子上差得越少，通常說明它們分開得越晚。把許多生物兩兩比一遍，就能畫出一張關係圖：誰和誰先分開，誰和誰後分開。這就是分子層面的生命樹。
看長相也能畫樹，可它走不遠。狗和狼像，所以它們是近親。狗和魚不像，所以遠。一旦跨到差異很大的類群之間，長相就失靈了：兩種生物可以因為過著相似的日子而長得像，卻沒有很近的共同祖先。
第九篇講埃迪卡拉時還會遇到這個麻煩。相似可以來自共同的祖先，也可以來自各自獨立地變成相似的樣子，只有前一種能用來建樹。分子能把這兩種情況分得清楚得多。
把樹往回追，所有的枝條都匯到一處。那個匯合點，就是最後共同祖先。
三 樹的形狀
要重建祖先，先得知道樹長什麼樣。這棵樹的形狀，本身有過一場四十年的爭論。
在伍斯之前，生命樹已經被畫過好幾次。1866 年，德國的海克爾畫了一棵三大枝的樹：植物，動物，還有一枝裝著各種單細胞生物。
1969 年，美國的惠特克把生物分成五個界：動物，植物，真菌，原生生物和細菌。這些樹都是照著看得見的形態和營養方式畫的，單細胞生物之間誰近誰遠，幾乎無從下手。
1977 年，美國伊利諾伊大學的伍斯和福克斯，做了一件當時看來很古怪的事。他們不看形態，也不看代謝，只挑了一個分子來比對所有的單細胞生物：核糖體上的一段核糖核酸。
選它有三條理由。所有的細胞都有，所以能拿來比一切生物。它變得很慢，能留住極古老的信號。它又沒有完全不變，還留得下可比的差異。
他選的這段核糖核酸，後來成了認識微生物的標準工具。今天從土壤，海水或者人的腸道裡發現一種從沒見過的細菌，第一步幾乎都是測這一段，把它放到伍斯畫出的那棵樹上去。
那時沒有自動測序儀。伍斯用放射性同位素標記這段核糖核酸，用酶把它切成碎片，在濾紙上跑開，再把感光膠片壓上去，一張張地辨認膠片上的斑點。成千上萬張膠片，在實驗室的燈箱上看了十來年。
他們得到一個當時相當刺眼的結論。此前，生物被分成兩大類：有細胞核的，和沒有細胞核的。細菌屬於後者，"沒有細胞核"被當成一個筐。
伍斯發現，筐裡其實裝著兩個極深分化的譜系，一類是普通的細菌，另一類是一些住在沼澤，熱泉和牛胃裡，能放出甲烷的微生物。一頭牛一天打嗝放出的幾百升甲烷，主要就是它胃裡的這類微生物造的。兩者的差別，和它們與有細胞核的生物之間的差別一樣大。
他把後一類叫作古細菌，後來改稱古菌。1977 年 11 月，《紐約時報》在頭版報道了這項研究，標題說科學家發現了一種比動植物這類複雜生物更古老的生命形式。
很多同行不相信，伍斯為此被冷落了好些年。1990 年，伍斯和德國的坎德勒等人聯名，把細菌，古菌和有細胞核的真核生物，正式確立為三個最高一級的類群，叫三域，域比過去的界高一級。2003 年，他獲得了專為諾貝爾獎不涉及的學科設立的克拉福德獎，2012 年去世。
三域的圖上，細菌在一側，古菌和真核生物是兩個平級的姐妹。1984 年，美國加州大學洛杉磯分校的萊克提出了另一種畫法：真核生物不是古菌的姐妹，而是長在古菌裡面的一支。
他比較的是核糖體的外形，在電子顯微鏡下，真核生物的核糖體和某一類耐熱古菌的核糖體長著同樣的小突起。他把那類古菌叫作"黎明細胞"。
這個想法當時沒有成為主流。能比較的特徵太少，古菌的樣本又窄，深處的枝條還容易被一種假象干擾：演化得特別快的兩支，即使毫無親緣，在圖上也會被拉到一起，這叫長枝吸引。
轉折來自北冰洋的海底。格陵蘭和挪威之間的洋中脊上，有一片熱液噴口，2008 年被發現，黑色的煙囪像一座城堡，發現者用北歐神話裡那個善變的神洛基，給它起名叫洛基城堡。2015 年，瑞典烏普薩拉大學的團隊從附近海底的泥裡，組裝出一類此前完全未知的古菌的基因組，叫洛基古菌。
它的來路很特別。沒有人見過這種生物。研究者把一坨泥裡所有的遺傳物質一股腦提取出來，全部測序，再用計算把屬於同一個生物的片段拼回去。
拼出來的基因組裡，有一批過去認為只有真核生物才有的蛋白的近親：給細胞塑形的骨架蛋白，給膜上的小泡打包運貨的蛋白。兩年後，這一類被擴展成一個大家族，仍用北歐神話，取名阿斯加德古菌，阿斯加德是眾神居住的地方。
家族裡的幾支，分別用北歐眾神的名字命名：洛基，索爾，奧丁，海姆達爾。在親緣樹上，真核生物落在了這個家族的裡面。2023 年的一項大規模分析，把真核生物最近的親戚，定位到海姆達爾那一支裡的一個小群。
然後有人把它養了出來。2020 年，日本海洋研究開發機構的井町寬之等人報告，他們從日本南海海槽兩千五百多米深的海底泥裡，花了約十二年，終於養出了一株阿斯加德古菌。
十二年裡，他們在實驗室裡模擬深海沉積物的條件，一點點富集這種長得極慢的東西，一次細胞分裂要二十天左右。他們用希臘神話裡盜火的普羅米修斯給它命名。
養出來的細胞極小，約半微米，球形，會伸出一根根細長的，分枝的觸手。裡面沒有細胞核，沒有內膜，沒有任何真核細胞器。
它分解氨基酸，放出氫氣和甲酸，這些產物必須被身邊的夥伴微生物不停地吃掉，它的反應在能量上才划算。它離不開夥伴。
一個離不開夥伴，伸著長長觸手的小古菌，讓"真核細胞起源於古菌和細菌的長期共生"有了一個活生生的樣子。第五篇會講那場共生。
今天的主流看法是，真核生物長在古菌裡面，生命樹的最高一級是兩大支：細菌和古菌。阿斯加德裡具體哪一支離真核最近，還在爭。
樹的根在哪裡，是另一個難題。普通的關係圖，可以找一個已知在這群之外的類群作參照，從它那邊看進來，這叫外群。
所有細胞生命的樹，沒有外群，找不到第四種生命來當參照。1989 年，日本九州大學宮田隆的團隊和美國的戈加滕等人，各自想出了同一個巧辦法：有些基因在最後共同祖先之前就已經自我複製過一次，變成了兩個副本，兩個副本後來各自演化，可以互相當外群。兩組用兩類古老的重複基因，得到了同一個方向：根落在細菌一支，和古菌加真核一支之間。
樹的形狀直接決定重建的結果。在三域的圖上，一個基因如果細菌，古菌和真核都有，像是三次獨立的保留，很容易被推回祖先。
在兩大支的圖上，真核是古菌裡面較晚長出的一支，"真核也有"就不再是獨立的第三份證據。重建祖先時真正起作用的深層對照，只剩細菌和古菌兩邊。
四 這個祖先有什麼
2016 年，德國杜塞爾多夫大學馬丁的團隊，給這個祖先開出了第一份認真的基因清單。
他們從近兩千個細菌和古菌的基因組裡，取出約六百一十萬個編碼蛋白質的基因，先把功能相近，序列相似的歸成一堆一堆，同一堆裡的基因，被認為來自同一個祖先基因。一共歸出約二十八萬六千五百堆。
然後開始篩。一堆基因要被算作"祖先就有的"，必須同時出現在細菌和古菌的多個大類群裡，它自己內部的關係圖還必須乾淨：細菌那邊的序列聚成一支，古菌那邊的聚成另一支，分得清清楚楚。
這條規則是為了擋住橫著傳過來的基因，第六節會講它們。篩完之後，剩下三百五十五堆。每一千堆裡，只有一堆乾淨到能過關。
由這三百五十五堆推出來的祖先是這樣的：不用氧氣，靠氫氣取得電子，能把二氧化碳變成有機物，體內很多酶的活性中心由鐵和硫構成，喜歡高溫，還能把空氣裡的氮固定下來。
馬丁的團隊據此認為，它生活在海底一個富含氫氣，二氧化碳和鐵的地方，很像今天海底那種鹼性的熱液噴口。第三篇將會講到的大西洋中部的"失落之城"，那些最高可達六十米的白色煙囪，就是這種地方的活樣板。它是 2000 年一次深海考察在大西洋中脊附近的一座海底山上偶然撞見的，噴出的是溫熱的鹼性水，和黑煙囪那種滾燙的酸性熱液完全不同。
馬丁和英國地球化學家拉塞爾，在 2003 年聯名系統地論證了生命起源於這種鹼性熱液噴口：岩石和海水反應放出氫氣，噴口內外的酸鹼差，像一塊天然的電池。祖先把二氧化碳裝配成有機物的那條路線，今天一類叫產乙酸菌的細菌還在用，它可能是地球上最古老的固碳路線。
八年後，布里斯托的團隊用完全不同的辦法做了同一件事。他們先用三百五十個古菌和三百五十個細菌的基因組建了一棵大樹，再把幾千個基因家族各自的小樹，一個個放到大樹上去比。
他們不扔掉可疑的基因，而是在模型裡明確允許基因橫向轉移，複製和丟失，然後算出"這個祖先擁有某個基因"的概率。在最嚴格的標準下，得到三百九十九個功能單元，和馬丁團隊的三百五十五在同一個量級。
然後他們多走了一步。他們把所有基因的存在概率，高的，中的，低的，全部加起來，再借助現代基因組裡"可靠的核心基因佔總數多少"的比例，估算出這個祖先完整基因組的規模：約二百七十五萬個鹼基對，約兩千六百五十七個蛋白編碼基因。這就是第一節那幅畫像的來歷。
三百五十五和兩千六百五十七，差了近十倍，兩個數字都對，回答的是不同的問題。 好比清點一間舊庫房。
一種做法是只登記那些標籤完好，來源可查的箱子，登記完是三百五十五個。另一種做法是把所有箱子都看一遍，給每個箱子估一個"原本就在這裡"的可能性，再把可能性加起來，得到兩千六百五十七。
前一種漏掉的多，後一種更依賴估計：登記的辦法，幾乎每一個都可靠，卻漏掉了很多真的在庫房裡的箱子。估算的辦法，不漏，可每一個數都靠估計。
更早的研究，因為規則不同，還給出過八十個，五百七十二個，一千五百個上下。它們像一排刻度不同的尺子，各自在自己的規則下是準的。
兩千六百多個基因，夠做很多事。布里斯托的團隊在祖先的基因裡找到了整套造蛋白質的機器，核心的代謝網絡，能量機器，還有一類今天細菌用來記住並剪斷病毒的免疫系統的零件。
這套免疫系統的發現本身是一個故事。二十世紀九十年代，西班牙阿利坎特大學的莫希卡在研究海邊鹽田裡的古菌時，注意到它們的基因組裡有一段段奇怪的重複序列，重複之間夾著一些不知來歷的片段。
他花了十來年才弄明白，那些片段來自曾經入侵過的病毒：細胞把病毒的一小段抄進自己的基因組，留作檔案，下次同樣的病毒進來，就照著檔案把它剪斷。2012 年，美國的杜德納和法國的沙爾龐捷把這套剪刀改造成了編輯基因的工具，2020 年獲得諾貝爾化學獎。如果布里斯托的推斷沒錯，這把剪刀的祖先，四十多億年前就已經在用了。
一個能記仇的細胞，說明它身邊已經有病毒在打轉。它排出的醋酸和氫氣，在模型裡正好能餵養別的微生物，它們一起組成了一個小小的生態系統。四十二億年前的海底，可能已經有了一張食物網。
喜不喜歡高溫，還有另一種查法：把古老的蛋白質"復活"。研究者先從今天的序列推算出幾十億年前某個祖先蛋白的序列，再在實驗室裡把它合成出來，測它在多少度下還能工作。
2008 年，美國的研究者用這個辦法復原了細菌祖先的一種參與造蛋白質的古老因子，它在六十多攝氏度下依然穩定。後來日本的研究者復原的另一種古老酶，耐熱得更厲害。一個幾十億年前的蛋白，在今天的試管裡重新折疊，重新幹活。
幾個特徵，兩項研究的判斷不完全一樣。馬丁團隊的祖先明顯喜歡高溫，布里斯托的團隊則認為證據沒那麼一邊倒。固氮的本事，也有人認為是後來才從別處傳進來的。畫像的輪廓很穩，細節還在晃。
五 這個祖先缺什麼
數完有什麼，反過來數它缺什麼。缺的那幾樣，恰恰是最讓人困惑的。
先看複製 DNA 的機器。1999 年，美國國立衛生研究院的庫寧等人系統比較了細菌和古菌複製 DNA 的零件，發現一個至今仍然成立的反差。
跟 DNA 有關的一些外圍環節，比如合成原料，修補損傷，兩邊是同源的，來自同一個祖先。可真正負責複製染色體的那幾個核心零件，好幾處兩邊各是各的：負責把新鏈一個字母一個字母接上去的酶，細菌用一類，古菌用另外的一到兩類，它們的結構和序列說明，它們不是同一個祖先酶的兩個後代，就像蝙蝠的翅膀和昆蟲的翅膀。負責起頭的酶，負責把雙鏈拉開的酶，兩邊也屬於不同的家族。
兩大類生物都用雙鏈 DNA 存信息，都要把雙鏈打開，都要起頭，都要沿著模板延伸。幹的是同一件事，幹活的核心零件，卻有好幾處是兩套不同的東西。
這個觀察二十多年沒有被推翻，對它的解釋卻有四種，至今沒有一種被排除。
頭一種解釋和一個更大的設想相連。1986 年，美國哈佛大學的吉爾伯特給這個設想起了名字，叫"RNA 世界"：在 DNA 和蛋白質分工之前，核糖核酸既存信息，又當催化劑，一身兩職。
第二節說過，核糖體裡真正接氨基酸的正是核糖核酸，這是那個世界留下的化石。照這種解釋，祖先還主要用 RNA 存信息，現代這套 DNA 複製，是兩支分開之後各自定型的。它的難處是，兩邊共享那麼多跟 DNA 有關的外圍機器，這些機器為什麼那麼古老。
另一種解釋認為，祖先已經用 DNA，只是兩大類後來分別把複製的核心換掉了。它的難處是，在不停止複製染色體的情況下，怎麼完成這麼大的替換，好比一邊開著車一邊換發動機。
還有一種解釋說，祖先同時有兩套甚至多套複製系統，細菌和古菌後來各自丟掉了不同的部分。這樣就不用假定複製被發明了兩次，換來的是一個比想象中更複雜的祖先。
最後一種解釋把病毒請了進來：早期的病毒各自帶著自己的複製機器，把不同的機器帶進了不同的細胞譜系。病毒至今還是複製機器的大寶庫，許多病毒的聚合酶，在細胞裡找不到近親。它的難處是，這麼古老的病毒譜系，沒有化石，也沒有連續的記錄可以核對。
再看膜。伸出你的兩隻手，它們形狀一樣，你卻沒法把左手翻過來和右手重疊，大拇指總在相反的一側。分子也可以這樣：同樣的原子，同樣的連接，卻有兩個互為鏡像，不能重疊的版本。
細菌的膜脂和古菌的膜脂，正是這種關係。細菌膜脂的骨架用一種構型，古菌用它的鏡像。連接的化學鍵不同，掛在上面的油性長鏈也不同。
三層差異同時存在，生物學家叫它膜脂分歧。古菌的膜格外結實，有的古菌膜脂兩頭相連，橫跨整層膜，像一根根訂書釘。美國黃石公園接近沸騰的酸性熱泉裡，就住著這樣的古菌，在別的細胞早已散架的溫度和酸度裡照常過日子。
祖先的膜是什麼樣，也有好幾種設想：現代的膜已經在了，兩大類後來換了合成系統。祖先的膜是混的，兩型脂質都有，後來兩支各自固定了一種。
祖先只有更簡單的膜，鏡像還沒有固定。最激進的一種說，祖先沒有自己的膜，住在海底熱液噴口岩石的小孔裡，礦物的孔壁就是它的細胞壁。
混合膜曾經被認為不可能，理由是相反鏡像的脂質混在一起不穩定。2011 年，有人用人工混合的膜證明它可以穩定存在。
2018 年，荷蘭格羅寧根大學的研究者改造大腸桿菌，讓它在自己的細菌型膜脂之外，再合成大量古菌型的膜脂，改造後的細胞照樣生長分裂。一個細胞可以同時住在兩種鏡像的膜裡。
它確定擁有的東西，也要說清楚。造蛋白質的核糖體，核心零件在所有生命裡高度同源，比複製機器統一得多。
遺傳密碼幾乎處處相同。運送氨基酸的那類小分子，基本結構非常保守。製造能量貨幣的那台旋轉機器，細菌型和古菌型雖然分化很深，工作原理和一部分零件的古老複製，可以追到兩大類分開以前。
第三篇將會講到這台機器：膜兩側的離子高低差推著它轉，每轉一圈造出幾個能量分子。用膜兩側的離子差來發電，這個原理古老得很。最初用的是哪一種離子，還說不準。
所以這個祖先是一個奇特的混合：它有一整套高度細胞化的翻譯和能量裝置，卻重建不出一套兩邊同源的現代複製系統，也定不下膜是哪一型。有人據此認為它還沒有完全細胞化，更像一個鬆散的共同體。
布里斯托的兩千六百多個基因，則站在相反的方向，更像一個原核細胞等級的祖先。缺的那幾樣，是這幅畫像裡最有意思的空白。
六 橫著走的基因
所有的重建，都壓在一個假定上：基因主要是從親代傳給子代的。在細菌身上，這個假定並不牢靠。
1928 年，英國衛生部的醫官格里菲斯在研究肺炎鏈球菌時，做了一個奇怪的實驗。一種菌株表面有莢膜，能讓小鼠感染死去，另一種沒有莢膜，無害。
他把有毒的那種加熱殺死，和活的無害菌一起注射進小鼠，小鼠死了，從它們體內分離出來的，是活的，帶莢膜的有毒菌。死細菌裡的某種東西，把活細菌變了樣。
1944 年，美國洛克菲勒研究所的埃弗里等人證明，那種東西就是 DNA。兩年後，美國的萊德伯格和塔特姆又發現，大腸桿菌之間可以直接"接合"，一個細胞把一段 DNA 遞給另一個，萊德伯格因此在三十三歲時獲得了諾貝爾獎。
基因可以橫著走，有好幾條路。細菌可以直接從周圍的水裡撿一段 DNA 裝進自己的基因組。可以通過一根臨時搭起來的細管，從另一個細菌那裡接過來一段。
還可以被病毒帶著搬家：病毒從一個細菌裡出來時，順手夾帶了一段宿主的 DNA，再注射進下一個細菌。這三條路都不管對方是不是自己的親戚。這叫橫向基因轉移。
它離日常生活很近。1959 年，日本的研究者發現，痢疾桿菌對好幾種抗生素的耐藥性，可以整套地從一個細菌傳給另一個，甚至從無害的大腸桿菌傳給痢疾桿菌，耐藥基因裝在一小圈能獨立複製的 DNA 上，叫質粒。醫院裡的細菌耐藥性擴散得那麼快，一個重要原因，就是耐藥基因可以整段地在細菌之間傳遞，不需要它們是親戚，甚至不需要是同一個物種。
它有多普遍。2008 年，德國的研究者分析了一百八十一個細菌和古菌的基因組，估計每個基因組平均至少有八成的基因，在歷史上的某個時候參與過橫向轉移。這是幾十億年累計的"至少發生過一次"，好比說"八成的人一生中至少搬過一次家"，不是說八成的人現在住在剛搬進的房子裡。
1998 年，伍斯提出了一個更徹底的想法。他認為，在生命極早的階段，細胞的各個零件還沒有互相鎖死，彼此的依賴很鬆，一個外來的零件很容易裝上去，橫向交換是常態。
隨著細胞的設計越來越整合，零件之間的依賴越來越緊，一個外來的版本得同時適配越來越多的夥伴，橫向替換就越來越難，穩定的垂直譜系才慢慢突顯出來。2002 年，他把這個轉折正式叫作達爾文閾值。
照這個想法，樹不是從一開始就在那裡的，樹形本身，可能是演化中後來才出現，並且越來越清晰的性質。 這是一個理論模型，沒有人測出過它發生在哪一年。
1999 年，加拿大達爾豪斯大學的杜利特爾在《科學》上寫道：如果細菌，古菌和早期真核生物的基因組都混著來自多種來源的大量基因，那麼把整個基因組強行放進一個嚴格分層的分類，可能沒有天然的基礎。
他同時說，基於分子序列的分類仍然不可缺少。他懷疑的是另一件事：存在一棵唯一的，對每一個基因都正確的生命樹。
同一年，美國加州大學洛杉磯分校的萊克等人提出了一個很漂亮的假說。參與大型，緊密協作系統的基因，比較獨立的基因更難橫向轉移成功。
核糖體有幾十個零件，彼此嚴絲合縫，一個外來的零件得同時和這幾十個都對得上，才能被接受。一個管某一步代謝的酶，通常只要把自己那一步做好。
後來的研究發現，這個趨勢是真的，只是沒有絕對的屏障。有人在一種耐高溫的細菌裡，把最經典的那段用來建樹的核糖體核糖核酸，換成了來自別的門的版本，細胞仍然能活。
大量橫向轉移和一個縱向的骨架，可以同時存在。 用幾十到上百個保守的核心基因，仍然能穩定地恢復細菌和古菌的主要骨架。越往外圍，網絡越密。
2018 年有人比較了一百零五個同屬一科的細菌的基因組，發現三十三個跟光合作用有關的基因，各自的關係圖和物種的關係圖大範圍對不上，至少要七次整套搬家，才能解釋今天的分布。
一支細菌今天會光合作用，這個本事未必是從它的祖先那裡繼承來的。物種的譜系是一條線，光合作用基因的譜系是另一條線，兩條線並不重合。
七 什麼時候
最後共同祖先生活在什麼時候。回答這個問題，要靠分子鐘。
二十世紀六十年代初，美國加州理工學院的祖克坎德爾和鮑林比較了不同動物的血紅蛋白，發現兩種動物分開得越久，血紅蛋白序列的差別就越多，而且差別的增長大致是勻速的。
他們據此提出，分子裡積累的變化可以當鐘用。就像兩份被人抄了很多遍的文本，錯字越多，說明它們從同一個底本抄開得越早。
分子鐘一出場就闖了一次禍。1967 年，美國加州大學伯克利分校的薩里奇和威爾遜，用免疫學的辦法比較人和黑猩猩的血清蛋白，算出兩者分開只有約五百萬年。
當時古人類學界的主流看法是一千五百萬年以上。爭論持續了十幾年，最後分子鐘這一邊基本贏了。
這個比喻立刻帶出兩個麻煩。一個麻煩是抄寫的速度不一樣。有的譜系變得快，有的慢，同一個分子在不同支系上的速率可以差好幾倍。
現代的做法是允許速率在樹上變化，再用統計方法去估計它。另一個麻煩是，鐘只給相對的先後，要換算成多少年，必須至少有幾個節點被獨立地釘住時間，而這些釘子只能來自化石和岩石。
2024 年布里斯托團隊的年代，是這樣釘的。所有細胞生命的樹沒有外群，他們就用五組在祖先之前已經複製過的古老基因。
同一次分歧會在兩個副本上各留下一個節點，兩個節點必須是同一個時間，把它們綁在一起，就避開了"沒有外群"的難題。他們用了十三個校準點，最古老的上限來自約四十五億一千萬年前的月球形成，最深的生物校準，來自約二十九億五千萬年前的一項地球化學約束。
結果是約四十二億年前，可信區間約在四十億九千萬到四十三億三千萬年前之間。換一個速率模型，下界會挪動約九千萬年，把不同分析都算進去，範圍從約三十九億四千萬到四十五億二千萬年前。
更早的研究也指向很老的年代。2018 年，一項用一百零二個物種，二十九個保守基因的工作，把這個祖先推到三十九億年以前。2023 年，布里斯托團隊另一項研究能量機器的工作，大體放在四十五億二千萬到四十三億二千萬年前之間。
最難的地方在於，釘子都離目標很遠。四十億年前的單細胞生物，化石通常只能說明"這裡有生命"，很難說明它屬於細菌的哪一支，更不可能標注"這是最後共同祖先"。
實際能用的生物校準點，大多比目標年輕十億年以上，再把速率從那裡往樹根外推。樹根附近的時間，很大程度上取決於這段外推怎麼做。
岩石這邊，也有自己的線索。澳大利亞西部的傑克山，有一些四十一億年前的鋯石顆粒，2015 年，研究者在其中一顆裡找到了一小粒石墨，它的碳偏輕，和生物留下的碳相似。
這不能證明那時已經有生命，可它和"四十二億年前已經有一個複雜細胞"的畫像並不衝突。上一篇講過約三十五億年前明確的生命證據，共同祖先必須比它們更早。
算一下這意味著什麼。地球約四十五億年前形成，月球約四十五億一千萬年前在一次大碰撞裡誕生：一個火星大小的天體撞上了原始的地球，濺出的碎片聚成了月亮。
第一篇講過，人們一度以為約三十九億年前還有過一場密集的隕石轟炸，現在看來它可能並不存在。按布里斯托的年代，即使它存在，生命也已經在它之前出現，並且扛了過去。如果最後共同祖先生活在約四十二億年前，那麼從地球成形到出現一個有兩千六百個基因的細胞，只用了三億年上下。
而在它之前，還得有一段更早的生命史，把膜，密碼，核糖體一件件造出來。生命在這顆行星上，來得出奇地早。
八 沒有留下後代的
最後共同祖先的定義，只要求今天所有的細胞生命往回追匯合在它那裡，並不要求它那個時代只有它。
在最後共同祖先之前，還有一段更長的故事。1871 年，達爾文在給朋友胡克的信裡設想過生命最初的樣子：在某個溫暖的小池塘裡，有氨，磷酸鹽，光，熱和電，一種蛋白質樣的化合物在那裡生成，準備經歷更複雜的變化。那段歷史裡的主角，大多沒有留下後代。
當時可能有比它更早分出去的譜系，有和它同時代，後來滅絕的姐妹群，也可能有遺傳交換頻繁，邊界說不清的一群群微生物。它們有沒有留下什麼。
2005 年，美國科羅拉多大學的哲學家克萊蘭甚至提出，地球上也許至今還活著一個"影子生物圈"：一些和我們不共享祖先，用不同化學的微生物，因為我們的檢測方法都是照著已知生命設計的，所以一直沒被發現。這個設想至今沒有找到任何證據，卻點出了一個要害：我們去找生命，用的是按我們自己的樣子做的網。
目前沒有任何一種地球化學信號，能被可靠地指認為"來自一個不屬於最後共同祖先後代的獨立譜系"。碳同位素，硫同位素，古老的微小結構，即使能證明當時有生物活動，也分辨不出它的譜系身份。
一個譜系如果沒有留下後代，沒有把可識別的基因橫向傳給後來活下來的譜系，也沒有留下帶著譜系特徵的物質記錄，用現存的基因組，原則上恢復不了它。關於它的信息，已經不可逆地丟了。
如果它曾經把基因橫著傳給活下來的譜系，理論上可能在今天的基因組裡留下一些孤零零的，接不上主幹的深支基因。可要把"來自一個滅絕的早期譜系"，和"演化得特別快"，或者"來自一個還沒採到樣的現生類群"區分開，極其困難。
病毒和細胞的糾纏，至今寫在我們自己身上。人的基因組裡，約有百分之八是古代逆轉錄病毒插進來的遺跡，它們在幾千萬年裡一代代傳下來，有的還被借去派上了用場：胎盤裡幫助細胞融合的一種蛋白，就來自一個古老病毒的外殼基因。
病毒常被拿來填這個空。有人長期主張，一些病毒的核心複製基因非常古老，病毒也許不只是後來從細胞裡逃出去的片段，甚至可能參與過把不同的複製系統帶進早期細胞，就是第五節的最後一種解釋。
病毒裡確實有一些廣泛分布，在細胞裡找不到簡單對應的蛋白。可病毒和宿主之間的基因交換太頻繁，病毒之間又沒有像核糖體那樣通用的標記，建不出一棵能可靠接到細菌和古菌根部的病毒樹。
巨型病毒曾經讓人以為找到了第四種生命。1992 年，英國布拉德福德一座醫院冷卻塔的水裡，分離出一種寄生在變形蟲裡的微生物，個頭大到在普通顯微鏡下就能看見，起初被當成一種細菌。
2003 年，法國的研究者確認它其實是一種病毒，基因數量超過了一些細菌，取名擬菌病毒，意思是"模仿細菌的病毒"。十年後，法國馬賽的研究者又在智利外海和澳大利亞的水塘裡找到了更大的潘多拉病毒，基因組比很多細菌還大，絕大多數基因在已知生物裡找不到對應。2010 年，有人比較巨型病毒的幾種蛋白，發現一些關係圖把它們放在三大類生物之外的一個深支上，於是提出"第四域"。
一年後有人重新分析，認為那些深支是長枝吸引和模型選擇造成的。2014 年更廣泛的分析認為，巨型病毒可以由小型的 DNA 病毒一步步從宿主那裡收集基因而長大，用不著一個滅絕的第四域。到今天，沒有一個被普遍接受的第四細胞域，也沒有一個被廣泛接受的"影子譜系"候選。
構裝不下，又消不掉的那部分，這個系列叫餘項。這一篇的構是一個節點，位置清楚：今天所有細胞生命往回追，匯合在那裡。它的餘項有兩個。
第一個餘項，是建材本身在流動。樹要成立，基因就得主要從親代傳給子代，可細菌的基因大量地橫著走。
核心基因還留著可辨認的縱向骨架，越往外圍越像一張網。如果伍斯是對的，樹形本身就是後來才慢慢結晶出來的，這個節點所在的那一段，可能正是樹還沒有完全成形的時候。
第二個餘項，是那些沒有留下後代的生命。它們在證據能夠觸及的範圍之外。 最後共同祖先本身沒有標本，是因為它是一個關係，關係不留在岩石裡。和它同時代，沒有後代的那些生命，連關係都沒有留下：它們既不在岩石裡，也不在任何活著的基因組裡。
兩種缺席分不開的局面，後面還會一次次出現。第九篇的埃迪卡拉生物，第十一篇的化石記錄，問的都是同一個問題：一樣東西在記錄裡沒有，是它從來不在，還是它在過卻沒留下痕跡。
於是這個節點是這樣畫出來的：用活著的生物共有的東西去定位它，用它們共同缺的東西描出它的輪廓。共有的那部分，一直被橫向轉移攪動著。缺席的那部分裡，混著兩種分不開的東西：從來沒有存在過，和存在過卻沒有留下任何痕跡。
一個四十二億年前的細胞，兩千六百個基因，吃氫氣，排醋酸，也許已經會記住病毒。這幅像的輪廓一年比一年清楚，它的四周卻始終是一片看不見的空白。判據還在篩。基因還在橫著走。