一 你身上有兩套 DNA
你身體裏幾乎每一個細胞，都帶着兩套彼此獨立的 DNA。一套在細胞核裏，你從父母那裏各拿一半。而另一套在別的地方，只從母親那裏來。
那個地方叫線粒體——細胞裏負責把食物和氧氣轉換成能量的小結構，常被叫作細胞的發電廠。一個細胞裏通常有幾百到上千個，心肌，肝臟這些耗能大戶裏尤其多。
而每一個線粒體裏，都有好幾份自己的 DNA。所以一個細胞裏這套 DNA 的拷貝數，可以是細胞核那套的上千倍。
精子尾巴的根部也纏着一圈線粒體，那是它游泳的發動機。可父親那一側的線粒體在受精之後基本被清除掉，所以這一套 DNA 是沿母系單線傳下來的。
正因爲只走母系，它成了追溯祖先的好工具。順着它往回追，今天所有人的母系線，都匯到約十幾萬到二十萬年前非洲的一位女性身上，人稱線粒體夏娃。
她不是當時唯一的女人，只是所有人的母系線恰好都走到了她這裏。它也能認親：1993 年，英國的菲利普親王提供了血樣，幫着認出了末代沙皇皇后和女兒們的遺骨——沙皇皇后的姐姐，是他的外祖母。
線粒體 DNA 變得快，也常被拿來分辨近緣的物種：給動物做"條形碼"，常用的就是線粒體裏的一段基因，市場上的魚肉是不是標籤上寫的那種魚，就靠它來查。它的基因哪一個出了錯，都可能引起疾病，而且只從母親傳下來。
2015 年，英國立法允許一種辦法：把母親有缺陷的線粒體，換成另一位女性捐出的健康線粒體。生下來的孩子，帶着三個人的 DNA。 2025 年，英國紐卡斯爾的醫生報告，用這種辦法已經生下了八個孩子。
問題是：細胞的一個零件，爲什麼會有自己的 DNA。你的肝臟沒有自己的一套 DNA，你的骨頭也沒有。細胞裏那些負責運輸，降解，合成的結構，統統沒有。爲什麼偏偏這個零件有。而它不只是有 DNA。
它用自己的一套機器來讀這些 DNA 造蛋白質，而這套機器更像細菌的，不像細胞其他部分的。有些專門殺細菌的抗生素能干擾它，卻不干擾細胞質裏的同一類過程。它外面包着兩層膜，而不是一層。它靠一分爲二來增殖，而不是被細胞重新造出來。
最後這一條尤其說明問題。細胞裏的大多數結構，在細胞分裂時是重新組裝出來的。而線粒體不是——它自己長大，自己一分爲二，像細菌那樣。把這些放在一起，有一個解釋異常簡潔：它曾經是一個細菌。
很久以前，一個細胞把另一個細胞吞了進去，卻沒有消化掉它。被吞進去的那個留在裏面，繼續複製，逐漸失去獨立生活的能力，最後變成了宿主的一個零件。
這個解釋叫內共生——一個生物住進另一個生物體內，從此不再分開。它今天寫進了中學課本，可從有人提出到被普遍接受，隔了大半個世紀。
1905 年，俄國植物學家梅列施科夫斯基在一本德文雜誌上發表論文，主張植物細胞裏負責光合作用的葉綠體，來自曾經獨立生活的藍藻樣生物。二十年代，美國解剖學家沃林走得更遠，聲稱能從動物組織裏把線粒體單獨培養出來。
如果成立，這是最直接的支持：線粒體要是還能獨立培養，它就還是細菌。可那些培養物排除不了外來細菌的污染，別人重複不出來，反倒連累了這個想法的名聲。
1967 年，美國生物學家馬古利斯發表了《有絲分裂細胞的起源》，署的名字是林恩·薩根——那是她第一段婚姻留下的姓，前夫是天文學家卡爾·薩根。她把好幾個細胞結構放進同一個內共生的框架：線粒體來自呼吸型細菌，葉綠體來自光合細菌，真核細胞的鞭毛來自螺旋體。
前兩條後來得到了強有力的分子證據，第三條沒有。流傳很廣的一個說法是這篇論文被十五家左右的期刊退過稿，這個數字出自她本人多年後的回憶。
從二十世紀二十年代到七十年代，反對意見前後歸結起來有五條，每一條都站得住腳。第一，線粒體裏到底有沒有自己的遺傳物質，直到六十年代初都沒人直接看見過。
第二，像不像不能當證據：雙層膜，細菌般的大小，一分爲二的增殖，都和內共生相容，可僅憑這些說不出供體是誰。第二篇講過，相似可以來自共同祖先，也可以來自各自演化成相似的樣子。
第三，控制權高度集中在細胞核：大量線粒體蛋白是細胞核編碼的。在蛋白怎樣被送進線粒體還沒弄清的時候，這可以被讀成"不像獨立細菌"的證據。
第四，是沃林那批培養實驗留下的壞名聲。第五，馬古利斯理論裏後來沒被接受的那一部分，連帶着讓人懷疑整套說法。
改變判斷的，是一件件具體的發現。最早的兩件，就出在馬古利斯那篇論文之前，她也正是拿它們當依據。
1962 年，有人在一種綠藻的葉綠體裏看到了像 DNA 的區域。次年，一對夫婦研究者在雞胚的線粒體裏看到了帶着 DNA 特徵的細絲。
第一條反對意見被直接拆掉了。可拆掉一條，不等於論證成立。尤其是第三條，要等蛋白怎樣被送進線粒體弄清楚以後，才從反對的證據變成支持的證據。
接下來是造蛋白質的機器。線粒體和葉綠體裏的那一套被確認是細菌型的，某些專殺細菌的抗生素也能干擾它。有些抗生素的副作用，就來自誤傷了線粒體裏這臺細菌式的機器。
但這些證據有一個共同的天花板：它們能說明"像細菌"，說不出"和哪一類細菌最近"。跨過這道天花板的是序列。
1975 年到 1976 年，有人拿紅藻葉綠體的核糖體 RNA——就是第二篇裏那個用來建樹的分子——和原核生物比，發現它落在藍細菌那一邊。1978 年，美國的施瓦茨和戴霍夫把蛋白和核酸序列放在一起比，給原核生物，真核生物，線粒體和葉綠體畫出了系統關係。
這就是第二篇那棵樹在這裏的用處：只要能建樹，就能問"它落在哪一根枝上"，而這是形態相似回答不了的。兩條共識也不是同一天形成的。
葉綠體和藍細菌的關係定得早些，也直觀些。線粒體和它那一類細菌的關係，需要更多序列和更複雜的校正，那是下一節的事。
二 供體在哪一支，以及什麼時候
線粒體來自細菌，這一點有強證據。可它具體來自哪一支，長期定不下來，原因很具體。
線粒體已經在細胞裏待了約二十億年。在這二十億年裏，它的基因組一直在快速變化——比自由生活的細菌快得多，因爲很多原本受選擇約束的功能已經不需要了。於是它在關係圖上表現爲一根特別長的枝。而長枝恰恰是最容易被放錯位置的。
先說它屬於哪個大類。阿爾法變形菌是細菌裏的一個大類羣，既有許多住在別的細胞裏的種類，也有許多自由生活的海洋細菌，豆科植物根瘤裏那些固氮的根瘤菌也屬於這一類。線粒體和這個大類的深層關係，有強序列支持。定不下來的，是它在這個大類內部的具體落點。
立克次體那一目——引起斑疹傷寒的病原就在其中——一度是最有影響力的候選，因爲它們全都住在別的細胞裏，和線粒體一樣。1998 年，瑞典的研究者測出了斑疹傷寒病原的基因組，發現它和線粒體有許多相像的地方，一時被看作線粒體最近的親戚。
可住在細胞裏，本身就會讓序列變得飛快，組成也跟着偏，這恰恰是製造長枝吸引的條件，也就是第二篇說過的那種假象：演化得特別快的兩支，即使毫無親緣，在圖上也可能被拉到一起。
2018 年，一項工作擴大了取樣，專門處理這種偏差，最好的模型把線粒體放在當時已知的所有阿爾法變形菌的外側。2022 年又有人用更精細的模型，得到"線粒體是大多數已知阿爾法變形菌的姐妹"這個結果。所以今天能說的是：線粒體來自和阿爾法變形菌同源的一支，而它最近的活親戚，也許已經不在了，也許還沒被找到。
時機的問題更麻煩，它繞着一個圈，有點像先有雞還是先有蛋。現代細胞吞掉一個細菌，靠的是一整套裝置：細胞骨架推動膜變形，把目標包起來，形成小泡，再融合。這套裝置很複雜，而且耗能。
如果假定完整的吞噬裝置先存在，細菌的進入就很好描述——但必須解釋：一個還沒有內部"發電廠"的宿主，是怎麼先建起這套耗能裝置的。反過來，如果線粒體較早進入，又必須說明：一個還不會吞東西的宿主——今天的變形蟲和白細胞，喫東西，抓細菌，靠的都是吞——是怎麼和細菌建立起足夠緊密，最終把它收進體內的關係的。
1998 年，馬丁和米勒提出了氫假說，影響最大。宿主是一個靠氫氣過活的古菌型細胞，而細菌夥伴在不同條件下能夠呼吸，也能產氫。
兩者最初靠交換物質綁在一起，用不着預先存在的吞噬系統。這有點像兩家店鋪挨着開，一家的廢料正好是另一家的原料，挨得久了，就併成了一家。第二篇講過的阿斯加德古菌，就是今天找到的離這個宿主最近的一類親戚。
這個假說的強項是：它能解釋爲什麼許多厭氧真核生物仍然有線粒體變來的結構。後來的基因組研究證明，曾被列爲"天生沒有線粒體"的許多生物，其實都帶着線粒體的退化版本。它解釋不了的部分同樣具體：它不直接給出細胞核，內膜系統和複雜細胞骨架是怎樣一步步來的。
2014 年，一對堂兄弟——鮑姆兄弟，一位研究細胞的形狀，一位研究植物的演化——提出的內外翻轉模型換了個幾何：宿主的細胞膜向外長出大量突起，把貼在它外表面的線粒體前身包圍起來。
這些突起擴大，融合，就成了細胞質和內膜，而今天的細胞核，對應的是祖先細胞原來的主體。它能同時處理"核膜和內膜連成一片"和"不需要先會吞噬"這兩件事，困難是關鍵的中間形態沒有直接記錄。
也有模型認爲，線粒體進來的時候，宿主已經相當大，有動態的膜，細胞骨架，甚至已經會吞東西。"有些真核生物天生沒有線粒體"的舊說法已經被否定，但這類晚期進入的模型並沒有因此全部出局。
今天有把握的是：最後一個真核共同祖先——從酵母，海帶到人，都是它的後代——已經有線粒體，也已經有複雜的真核細胞裝置。這些裝置誰先誰後，一直排不出來。 2025 年底有一項研究，按基因複製發生的先後來排，認爲細胞核，細胞骨架，膜運輸，連吞東西的裝置，都比線粒體來得早，線粒體是最後才進來的。它還不是定論，卻給晚期進入那一方添了一大塊砝碼。
這個共同祖先活在什麼時候，分子鐘的答案從約十億年前到二十三億多年前都有，那時陸地上沒有一株植物，海裏也沒有一個動物。差別來自化石校準點的選擇，模型，取樣，以及怎樣定義這個共同祖先。
三 正在發生的併入
內共生不只發生在二十億年前。2024 年，美國和日本的研究者在《科學》上宣佈：一種海洋單細胞藻類體內的一支藍細菌，已經變成了它的一個細胞器，專門負責固氮。
研究者給它起名叫固氮質體。宿主是一種顆石藻，身上披着五邊形的碳酸鈣小片。研究者估計，這對夥伴從約一億年前就開始一起過日子了。
固氮，是把空氣裏的氮氣變成生物能用的氮。植物和動物自己都做不到這件事：豆科植物靠的是根瘤裏的細菌，莊稼靠的是化肥。
在此之前，人們知道的真核細胞器裏，沒有一種會固氮。研究者說，這套系統也許能爲一個很誘人的方向提供線索：有一天把這樣的細胞器裝進莊稼。
這支藍細菌早在 1998 年就從太平洋的海水裏被檢測到，可它的宿主一直養不活。日本的一位研究者前後出海採樣三百多次，花了十幾年，才把這種藻在實驗室裏養了起來。有了活的材料，研究者纔看清它們怎樣一起過日子。
證據有三條。蛋白質組顯示，宿主細胞核編碼的三百多種蛋白被送進了這個共生體。共生體的分裂和宿主的細胞週期同步：宿主一分爲二，它也跟着一分爲二，平均分給兩個子細胞，大小也總和宿主成比例，就像線粒體和葉綠體那樣。它的基因組已經大大縮水，只剩一百四十萬個鹼基對上下，缺了完整的光合裝置和好幾塊核心代謝。
那麼它算不算細胞器。爭的主要不是這些觀測，而是"細胞器"這個詞的界線劃在哪裏。基因組小不能算數：許多只能住在細胞裏的細菌，基因組極小，仍然被叫作共生菌。
分裂同步和穩定地傳給後代也是強指標，但一些共生菌也做得到。有些硅藻體內也住着固氮的藍細菌，整合的程度各不相同，就不宜統統叫作細胞器。
最強的一條是宿主的蛋白被送了進去：這說明它已經離不開宿主供貨。生物學裏沒有一條"滿足幾個條件就自動改稱細胞器"的規則。
拿一個不算數的例子比一比就清楚了。有一種海蛞蝓喫藻類的時候，會把藻的葉綠體留下來，藏進自己的細胞，靠它們曬太陽過上好幾個月。
可至今沒發現宿主往這些葉綠體裏送蛋白，它們也不會跟着海蛞蝓的細胞分裂。偷來的葉綠體不會複製，用壞了就得再喫。
另一個活樣本，人們認識得更早。一類叫保利內拉的帶殼變形蟲，多住在淡水裏，體內有一個負責光合作用的結構，叫色素體，一個細胞裏只有兩個，形狀像兩根香腸。
它來自另一支藍細菌，是一次和葉綠體完全無關的獨立併入。早期的估計說它至少發生在六千萬年前，2016 年的分子鐘給出的上限，在九千萬到一億四千萬年前。
這比葉綠體那次年輕了一個數量級以上，於是很多中間狀態還看得見。它的色素體基因組約一百零二萬個鹼基對，編碼約八百六十七個蛋白，而近緣的自由生活藍細菌有約兩千九百一十七個。
它只留下了約四分之一到三成，葉綠體則已經縮到不足百分之五。它們來自不同的併入事件，卻讓我們看見相似整合過程的不同階段；年輕的一支，並不保證會走到同一個終點。
宿主的細胞核裏，已經找到幾十個明確來自這支藍細菌的基因。2012 年的實驗直接顯示，宿主細胞核編碼的蛋白進入了這個色素體。
2017 年的蛋白質組工作又證明，送進去的蛋白遠不止那幾十個轉移基因的產物。它已經是一個必須靠宿主供應蛋白才能運轉的系統。
併入還能一層套一層。有的藻類吞進去的，本身就是一個已經帶着葉綠體的真核細胞。結果是一個套娃：外層是宿主，中間是被吞那個細胞的殘骸，最裏面纔是最初那個藍細菌的後代。有些類羣的葉綠體因此外面包着三到四層膜，有兩類藻甚至還留着被吞那個細胞的細胞核的一點殘餘。
海裏的硅藻——地球上約五分之一的光合作用出自它們——還有引起赤潮的許多甲藻，祖上都走過這一步。讓人得瘧疾的瘧原蟲也是：它體內還留着一個早已不會光合作用的退化葉綠體，有的抗瘧藥打的就是它。這個退化的葉綠體，到二十世紀九十年代才被認出來。
這樣的二次併入發生過幾次，沒有統一的整數答案。紅藻來源和綠藻來源的複雜葉綠體不可能來自同一次事件，所以至少兩次，把彼此獨立的幾個類羣也算上，保守的計數已經到了至少三次。
四 基因組去了哪裏
1981 年，英國劍橋的一個組把人的線粒體 DNA 完整測了出來，這是人身上最早被完整讀出的一套基因組。人類線粒體基因組是一萬六千五百六十九個鹼基對，三十七個基因——其中十三個編碼蛋白，其餘的編碼翻譯所需的 RNA。作爲參照，一種自由生活的阿爾法變形菌，基因組約四百萬個鹼基對，三千七百多個基因。
人類線粒體只有它的約二百四十分之一。不過基因組的長度，和保留下來的祖先基因數，不是一回事。
有些蠅子草——石竹科裏的一類野花——線粒體基因組約一千一百三十萬個鹼基對，還拆成了一百多條環狀的小染色體。西伯利亞落葉松的約一千一百七十萬個。
這些數字超過許多細菌基因組的總長度。而它們的基因數並沒有按比例擴大。擴張來自非編碼序列，重複序列和外來序列。
所以討論"基因組去了哪裏"，要比較的是還能幹活的基因，不是長度。
典型的葉綠體基因組約十二萬到十六萬個鹼基對，通常約一百到一百二十個可識別基因，比線粒體多得多，光合作用的不少核心零件還留在原地。而自由生活的聚球藻約二百七十萬個鹼基對。
所以葉綠體那一側的縮減，和線粒體這一側是同一個形狀：都縮到了自由生活近親的極小一部分，而縮的程度各譜系不同。
那些不見了的基因去了哪裏。有三條路。轉移到細胞核之後繼續幹活。直接丟失——因爲宿主已經有同功能的系統，或者這個功能不再需要。或者被別處來的基因替代。
保利內拉把這一點變得可以直接看見：它的色素體相對近緣自由生活藍細菌只保留了約四分之一到三成的基因，而已經檢測到的明確來源的核基因是數十個。剩下的那個差額，大部分屬於基因丟失，不是全部轉核。
所以"搬家"只說對了一小半。大部分基因不是搬走了，是沒了——因爲宿主已經有同樣功能的系統，或者那個功能在細胞內部不再需要。真正搬走的是少數，留下的是更少數。
搬走的那一部分，可以直接測。1990 年，有人在酵母的線粒體裏放進一個只有進了細胞核才能起作用的基因，測到它逃進細胞核的頻率，大約每十萬次細胞分裂裏兩次。而反向的核 DNA 進入線粒體，至少低約十萬倍。
十萬倍這個不對稱很要緊。它說明這不是一個雙向的隨機擴散，而是一條有方向的單行道：東西往核裏走，基本不往回走。
2003 年的菸草實驗同樣巧：在葉綠體的基因組裏放進一個只有進了細胞核才能表達的基因。在約二十五萬個後代中取得了十六個獨立的整合事件，相當於約每一萬六千個花粉裏，就有一個帶上了轉移過去的葉綠體 DNA。
這件事在人身上也還在發生。每個人的細胞核裏，都帶着幾百段來自線粒體的舊片段，研究者管它們叫核線粒體片段。
一項人羣基因組研究找到了一百四十一個此前沒記錄過的插入位點，不同人羣，甚至不同個體，帶着的近期插入各不相同。更大規模的分析又測到了剛剛發生的新插入，大約幾千次出生裏就有一次。
換個說法：每幾千個新生兒裏，大概就有一個帶着一段剛剛從線粒體搬進細胞核的 DNA。這個過程沒有停，它就發生在此刻。 這些片段有時還會給法醫和研究古代 DNA 的人添亂：細胞核裏的舊片段，可能被誤當成線粒體 DNA。
五 轉移不走的那一部分
既然轉移持續在發生，而且已經進行了約二十億年，那麼問題就變成：爲什麼還剩下十三個。而在回答之前，得先說清一件事：那十三個蛋白，現在是怎麼被造出來的。
絕大多數線粒體蛋白，是在細胞質裏造好，再被運進線粒體的。線粒體的膜上有專門的通道，蛋白帶着一段"地址標籤"，被識別，拉過膜，在裏面摺疊成形。所以理論上，任何一個線粒體基因都可以搬到細胞核去——只要它的產物還能被送回來。
那麼爲什麼有十三個送不回來。這一問有好幾套解釋，每一套都解釋不了全部。
第一套：就地控制。英國的艾倫 1993 年提出的這個想法主張：呼吸鏈的核心零件如果由位於同一個線粒體內部的基因控制表達，就可以直接響應局部的狀態。而這個線粒體忙不忙，有沒有出問題，細胞核在遠處未必知道。
支持它的一點很清楚：保留得最穩定的那批基因，高度集中在呼吸鏈的核心膜蛋白上。
它解釋不了的是：線粒體基因組還保留翻譯所需的 RNA 和核糖體蛋白，而這些不直接參與電子傳遞。反過來，那些丟了呼吸鏈的線粒體變體，大多連基因組也一起丟了，這一點倒正合它的預期。
第二套：太油了，運不過去。這裏需要一個畫面。蛋白質是由氨基酸串成的鏈，而不同氨基酸有的親水，有的怕水。
呼吸鏈的核心零件是嵌在膜裏的，所以它們的表面必須是怕水的——否則待不住膜裏。而一個極度怕水的蛋白，在細胞質的水環境裏會發生什麼。
它會抱團。就像一滴油在水裏會聚成球一樣——分子之間互相粘住，再也打不開。或者它會誤入別的膜，或者卡在轉運通道裏過不去。
2002 年的一項研究給出了直接支持：在大豆這類豆科植物裏，一個線粒體基因已經自然搬進了細胞核，它編碼的蛋白怕水程度明顯降低了。而實驗性地降低怕水程度，也可以改善導入。2016 年，有人在人的細胞裏試着把其中兩個基因搬進細胞核，再讓造出的蛋白找回線粒體，居然成功了一部分。
它解釋不了的是：仍然留在線粒體裏的親水蛋白和 RNA 基因。以及爲什麼怕水程度相似的蛋白，在一個譜系已經搬走，在另一個譜系仍然留着。
第三套：密碼不一樣。DNA 是用三個字母一組來編碼氨基酸的，而這本密碼本幾乎所有生物通用。
而多條線粒體譜系已經把某些三字組重新指定了含義。人的線粒體裏，就有一個在別處表示"停"的三字組，被讀成了一種氨基酸。於是一個線粒體基因如果未經改變就搬到使用標準密碼的細胞核，可能被翻譯成不同的氨基酸，或者提前終止。
它同樣不是普遍答案。很多譜系與核密碼的差異有限。序列在轉移之後也可以通過突變改變相關的三字組。而密碼的重新指定本身，還可能發生在大批基因搬家之後。
此外還有轉運信號的約束，基因本身的鹼基組成，以及就地裝配的需要。目前沒有"一個原因解釋全部"的共識。要判斷這幾套解釋誰強誰弱，有一個直接的檢驗：不同譜系保留下來的基因，是不是收斂到了同一小組。
人類線粒體的十三個蛋白編碼基因，編碼的全部是呼吸鏈和那臺旋轉裝置上的核心膜蛋白：七個屬於呼吸鏈上的第一個質子泵，三個屬於最後一個，兩個屬於那臺旋轉裝置，還有一個在中間。
它們全部是嵌在線粒體內膜上，直接參與"把質子泵到膜外"或者"讓質子流回來推動轉輪"的零件。也就是第三篇講的那套水壩系統裏，最核心的幾塊。換句話說：最難搬走的那些基因，恰好編碼着最深地嵌在膜裏的那些蛋白。
這個極小的集合，強烈符合"膜裏的核心零件更容易留下"的趨勢。不過別的生物留下的，並不都是這十三個。
1997 年測序的一種原生生物的線粒體基因組約六萬九千個鹼基對，保留約九十七個基因，是已知最接近基因豐富祖先狀態的線粒體之一。另一種保留約一百個。有些譜系比動物多保留數倍的基因。
跨線粒體最強的部分收斂，發生在細胞色素氧化酶，細胞色素還原酶複合體的核心亞基，以及那臺能量合成裝置的核心膜亞基這幾類。而具體哪些亞基仍由線粒體編碼，會因譜系而變。
所以留下來的既不是隨便幾個，也不是一份人人相同的名單：都是同幾類零件，具體是哪幾個卻各家不同。 這說明約束是疊加的，不是單一的。
不同譜系留下部分相同、又不完全相同的基因，提示共同約束與譜系差異都要考慮。「怕水與膜裝配」和「就地控制」都可能參與解釋；僅憑這份名單，不能判定哪一種機制單獨就足夠，也不能用「沒有搬完」代替對機制的研究。
另一端是完全失去。2016 年，有人報道一種厭氧的單細胞真核生物，完全沒有線粒體，也沒有任何線粒體變來的結構。
它住在毛絲鼠——就是常被當作寵物養的龍貓——的腸子裏。這不是顯微鏡沒找到：它的基因組和轉錄組裏也沒有找到維持線粒體蛋白輸入，鐵硫中心形成所需的那一整套標誌蛋白。
而它不是線粒體獲得之前殘留至今的分支。系統證據表明它的祖先曾經有線粒體，後來完全失去了。關鍵的替代變化之一，是獲得了一套細胞質裏的系統，使原本依賴線粒體的鐵硫中心合成可以在細胞質中完成。
所以，所有已知的真核譜系都追溯到曾經有線粒體的祖先，而少數譜系後來可以把它全部丟掉。基因組還可以在結構消失之前先消失。
賈第蟲——喝了不乾淨的水鬧肚子，它是常見的元兇之一——那個退化的線粒體沒有基因組，主要保留鐵硫蛋白裝配的功能。滴蟲的那個通常也沒有自身基因組，卻保留着線粒體來源的蛋白輸入系統以及部分能量代謝。
完整線粒體，仍保留能量代謝的退化版，主要做鐵硫裝配的退化版，以及徹底沒有——這是一系列不同的終點。"有線粒體"和"沒有線粒體"的二分法描述不了它。
而判斷一個結構是否還在，要看它剩餘的代謝，蛋白輸入和遺傳整合，不是只看那個最醒目的祖先功能。光合作用丟失，不等於葉綠體立即消失，瘧原蟲就是例子。呼吸鏈丟失也不等於線粒體衍生結構立即消失。
六 還有什麼是新的
真核細胞的"真核"，說的就是它有一個真正的細胞核：遺傳物質被兩層膜包起來，和細胞的其他部分隔開。人的一個細胞核裏，DNA 拉直了約有兩米長，卻要塞進一個直徑只有幾微米的核裏。細菌和古菌沒有這層包裝，合稱原核生物。
真核細胞多出來的，也不只是一個線粒體和一個核。它還有一整套內部的膜，能把貨物裝進小泡運來運去，有一副會變形的細胞骨架，很多還會把別的東西整個吞進去。這些東西從哪來，是真核起源裏最難的部分。
細胞核怎麼來的，有三類說法。一類說它是宿主自己的膜往裏折，包住了遺傳物質。今天核膜的外層和細胞裏另一套叫內質網的膜系統——一大片摺疊起來，專門造蛋白和脂質的膜——連成一片，核孔和運貨小泡外面那層蛋白也共用同一種摺疊，都和這個說法相容。可今天的連續，恢復不了古代的幾何過程：往裏凹，或者第二節那種由內往外翻，都能造出核膜和內質網的連續，講的卻是相反的歷史。
第二類說它來自一種大型 DNA 病毒。這類病毒進了細胞，會自己圍出一個帶膜的複製小區，把複製和翻譯分在兩處，和細胞核有幾分像。
可這類病毒和真核細胞長期互相交換基因，共有的蛋白說不清是誰給了誰，也找不出一棵像線粒體那樣穩定的供體樹。
不過病毒確實做得出這種東西。2017 年有人發現，一種感染細菌的巨型病毒，進了細菌以後會用蛋白圍出一個像細胞核的小隔間，把自己的 DNA 關在裏面複製，還用一種像微管的蛋白絲把它推到細菌的正中間。
第三類說細胞核本身也來自一次內共生，可今天的細胞核裏，找不到一個能認出是獨立細菌或古菌的小基因組。
三類說法都沒有勝出。能確定的是另一件事：最後一個真核共同祖先已經有了複雜的核孔。一個核孔由幾百到上千個蛋白拼成，是細胞裏最大的蛋白複合體之一，每秒能放過上千個分子。2010 年有人在各類真核生物的基因組裏，都找到了核孔主要部件的同源物。
細胞骨架給出了一個更乾脆的結果。過去的教科書說原核生物沒有細胞骨架，這句話已經被推翻。細菌裏有一類蛋白，2001 年解出的結構和肌動蛋白——我們的肌肉收縮就靠它——幾乎一樣，也能連成絲。
另一類參與細菌分裂的蛋白，1998 年解出的結構和微管蛋白同屬一種摺疊。
它們和真核的那一套屬於同一個古老的家族，只是各自獨立演化了很久，誰也不是誰的直接前身。所以造細胞骨架的零件，在真核細胞出現之前就有了。第二篇講過的阿斯加德古菌，基因組裏也帶着一些過去以爲只有真核生物纔有的細胞骨架和膜運輸基因。
把這些零件組織成一套能推動膜，運輸貨物，拉開染色體的網絡，是後來的事。細胞分裂時把染色體拉向兩邊的紡錘體，就是微管搭起來的。
真核的新東西，更多在於家族的擴張，新的聚合方式，分子馬達和調控的組合。神經細胞裏，分子馬達揹着裝貨的小泡，沿着微管一步一步地走，每步八納米，從脊髓一路走到腳趾，要走上一米。
內膜系統也一樣。跨真核的基因組比較顯示，最後一個真核共同祖先已經有一套非常完整的膜運輸機器，不只是一個簡單的內質網。有些零件能在古菌裏找到更深的同源，但大量家族的擴張，發生在真核這一支自己身上。
有把握的是：最後一個真核共同祖先已經同時有線粒體，細胞核，核孔，複雜的膜運輸和成熟的細胞骨架。這些東西誰先誰後，還在爭，第二節那項 2025 年的研究認爲線粒體來得最晚。
線性染色體還帶來了一個新問題。細菌的染色體多是環狀，沒有末端。線性染色體的兩端，每複製一次就會短一點。
真核細胞用末端的一段段重複序列來緩衝，再用一種專門的酶把它補回來。這種酶叫端粒酶，和它有關的發現在 2009 年拿了諾貝爾獎，獲獎的三位裏，就有第三篇裏研究生命起源的紹斯塔克。
我們的大多數體細胞裏，端粒會隨着一次次分裂慢慢變短，而大多數癌細胞，都把這種酶重新打開了。不同真核生物的末端並不都一樣，人類的那一套不能直接套到祖先身上。
七 一次被推翻的證據
化石這一側，借用第一篇的分法：甲層是較廣泛接受的，乙層是有道理但還站不穩的。
到約十六億五千萬年前，已經有較廣泛接受的真核微化石，屬於甲層。它們是一個個直徑幾十微米的小囊，帶着複雜的壁面裝飾，突起和分枝，在顯微鏡下像長刺的小海膽，或者鑲了花邊的小球，研究者管這類說不清歸屬的微化石叫疑源類。
認它們是真核，靠的不是個頭大，是這些壁面結構和可塑的形態，很難由已知的原核細胞做出來。其中有一批，出自中國華北燕山一帶的地層。
另一件甲層材料叫班吉藻，是一串串附着生長的細胞絲，和今天紅藻的某些生長方式極像，是已知最早能歸到現生類羣的多細胞生物之一。2018 年有人重新測定它所在岩層的年齡，把它從約十二億年前改到約十億四千七百萬年前，年輕了一億五千萬年。它出自加拿大北極的一座島上，第七篇還會講到它。
乙層裏有一件很漂亮的材料。2017 年，瑞典的研究者用同步輻射做斷層掃描，在印度中部約十六億年前的岩石裏，看到了兩類化石的三維細胞結構，解釋爲紅藻。有的細胞裏還能看到一塊塊菱形的小結構，研究者認爲那是葉綠體裏負責固碳的一個部件。
如果成立，紅藻的記錄會一下子往前推五億多年。可它只有形態，沒有獨立的分子信息，所以先放在乙層。
接下來是一次證據被完整推翻的經過。1999 年，當時還在澳大利亞讀博士的德國青年布羅克斯和同事在《科學》上報告，西澳大利亞約二十七億年前的岩石裏有一類分子，叫甾烷。
甾烷是膽固醇一類分子在漫長埋藏之後留下的穩定碳骨架。膽固醇一類分子——體檢單上的膽固醇就是其中之一——在真核生物裏普遍存在，在細菌裏則罕見。
所以在岩石裏找到甾烷，通常被當作真核生物的痕跡。如果這些分子和岩石同齡，真核生物在二十七億年前就已經存在，比最早的真核化石早了將近十億年。
後來的問題不在"儀器看錯了"，在於這些分子是不是真的和岩石同齡。2008 年有人測了岩石裏一粒粒有機質的碳同位素，指出這些分子是在約二十二億年前岩石受熱變質之後才進去的，很可能是後來的流體帶進去的。
2012 年，幾個實驗室聯手，用前所未有的乾淨辦法，在西澳大利亞重新鑽取了同一批地層的巖芯，再分頭獨立分析。2015 年發表的結果是：新鮮巖芯內部的甾烷濃度，和程序空白差不多——測出來的量，和什麼樣品都不放時儀器讀到的背景一樣。而按老辦法採集的巖芯外表面，高出空白一個數量級以上。
這項研究還發現，真正屬於那套古老岩石的有機物，早已被地熱烤得面目全非，而此前報告的那些甾烷，相對"年輕"。那些用來論證二十七億年前真核生物的甾烷，不再有效。 推翻它的那篇論文，作者裏就有 1999 年的布羅克斯本人。後來他用同一類分子，在約六億五千萬年前的岩石裏，讀出了藻類在海洋裏的一次大擴張。
污染能從三個地方來。鑽探，樣品表面和實驗處理，都能帶進現代或較年輕的有機物。地下流體能在漫長的地質時期裏，把較年輕的有機物送進更老的岩石。而即使完全沒有現代污染，只要分子進入的時間晚於沉積，它也不能證明沉積那時的生命。
2023 年又有新的分子證據：有人報告了最早約十六億四千萬年前的一類原始甾體分子，它們是今天合成膽固醇一類分子時的早期中間產物，合成路線比現代的短，並用模擬實驗建立了對應關係。論文題目的前半句就是"複雜生命的失落世界"：造出這些分子的，可能有細菌，也有一批早已滅絕的，處在真核譜系根部的生物，在海裏繁盛了幾億年。
它比 1999 年那個說法年輕約十億年，分子類型也不同，不是舊主張的恢復。一條證據線被推翻之後，同一條線上後來的新證據，不會自動繼承舊的主張。
八 一次，和還沒走的那十三個
線粒體給了真核細胞什麼。2010 年，倫敦大學學院的生物化學家萊恩和提出氫假說的馬丁給了一個很有名的答案：能量。
他們的論證是這樣的。一個細菌要多產能，得擴大呼吸用的膜，而細菌的呼吸膜就是包住整個細胞的那層細胞膜。
擴大它，就得把整個細胞變大，可細胞變大之後，基因組還是那一份，要供應更大的體積。真核細胞卻可以有幾百上千個線粒體，每一個都有自己的呼吸膜，每一個只留極小的一份基因組，大部分蛋白由一個大得多的細胞核編碼。
他們算出的數字是：攤到每一個基因頭上，真核細胞可支配的能量，約是原核細胞的二十萬倍。這是模型的產物，不是逐個基因測出來的。萊恩後來把這個想法寫進了一本很暢銷的科普書。
質疑同樣是定量的。林奇是研究基因組演化的美國學者，他一向主張，基因組變大變複雜，很多時候不是被選擇推出來的，而是小種羣裏隨機漂變的結果。
2015 年，林奇和馬里諾夫算了一個基因從複製，轉錄到造出蛋白，再到蛋白更新的全部成本，認爲基因本身在細胞能量預算裏的佔比，不足以構成"沒有線粒體就養不起大基因組"的障礙。2017 年的一項跨物種比較，把實際的代謝功率按細胞體積，表面積和生物量換算，也沒有發現線粒體讓真核細胞單位體積的產能跳上一個數量級。
還有一個直接的落差。典型的細菌有三四千個蛋白編碼基因，現生真核生物多在六千到四萬個之間，實際只是它的一倍半到十倍左右，不是二十萬倍。
理論上的餘量要真有那麼大，基因數爲什麼只漲了幾倍。可能基因數不是由能量單獨決定的，也可能模型的分母選得不對，兩種可能都還沒被排除。
第三條質疑，是一個肉眼看得見的細菌。2009 年，法國的一位研究者在加勒比海瓜德羅普島的紅樹林裏第一次採到它，十幾年後，2022 年，研究者才正式描述了這種巨型硫細菌：平均一個細胞長九毫米多，最長的接近兩釐米，大小和形狀都像一根睫毛。它的名字意思是"壯麗的硫珍珠"。一般的細菌只有幾微米，它大了幾千倍。
它的基因組有一千一百多萬個鹼基對，比多數細菌大，同一套基因組在一個細胞裏有幾十萬份。它的 DNA 和造蛋白質的機器，集中在許多有膜包着的小囊裏。細胞中間是一個巨大的液泡，佔掉大部分體積，把有活性的部分擠成薄薄一層貼在外圍，擴散的距離因此很短。
它推翻的是細菌個頭的舊紀錄：此前已知最大的細菌也不到一毫米，它一下子大了約五十倍。它沒有推翻的，是"巨大的細菌得靠特殊結構解決擴散和基因表達的問題"——那個大液泡，那幾十萬份基因組和那些小囊，正說明這些問題真實存在。
那些小囊，也還不能說是細胞核的同源物。所以能說的是：線粒體大大改變了真核細胞造能量的空間佈局，這一點沒有爭議。它是不是一道沒有它就過不去的門檻，還在爭。
至於誰多，第四篇已經算過：按碳算，真核生物佔了絕大多數，主要是陸地植物的功勞。按細胞數算，原核生物在地球上總體壓倒性地佔優。
真核這套組織出現過幾次。現存真核生物共享細胞核，核孔，細胞骨架，膜運輸系統和線粒體祖先這一大批複雜的同源系統，可以追溯到同一個最後共同祖先。
所以按"有現代真核基本組織的譜系"算，地球上只有一次可以確認的起源。這個事實不能拿來推算這種組織在別的行星上出現的概率：樣本只有一個。
可內共生本身發生過不止一次：葉綠體一次，保利內拉獨立一次，複雜的葉綠體又經過多次二次併入，固氮細胞器是另一次，也很年輕。"真核基本組織只追溯到一次"和"內共生只發生過一次"，不是同一句話。
現在回到這一篇的構。這個系列說的構，不只是人造的判據：凡是劃出邊界，決定什麼算在裏面的東西，都算。在這一篇裏，它是一個更高層級的單位。
一個自由生活的細胞被併入另一個細胞，失去了獨立複製的能力，它的基因組被拆開，大部分功能被搬走或者刪掉。整合完成之後，這個更高層級的單位開始作爲一個整體被複製，被選擇。
這是這個系列裏第一次，被選擇的單位換了一層。前面幾篇裏，一個構裝不下的時候，辦法是修修補補，或者往外擴張，或者換一個同一層的新構。這一篇的辦法不一樣：換層。原本能各自複製的兩個單位，合成了一個共同繁殖的新單位。
構裝不下，又消不掉的那部分，這個系列叫餘項。這一篇的餘項，是那一小把轉移不走的基因。它不是"還沒搬完"。
線粒體這段併入的歷史已延續約二十億年，人類線粒體仍保留十三個蛋白編碼基因。今天仍能測到線粒體 DNA 片段進入細胞核，大約幾千次出生裏一次；但片段進入，不等於核裏已經能造出可送回線粒體、正常工作的蛋白。搬進細胞核，和搬走一項功能，不是同一步。
二十億年，幾千次出生裏一次，剩十三個。這不是一個特例。保利內拉那個年輕的色素體，也還保留着祖先約四分之一到三成的基因。葉綠體那一側，同樣留着一百多個。這些仍保留自身基因組的細胞器說明，併入不一定意味着把原有的遺傳系統全部清空。
你身上幾乎每一個細胞裏，那十三個基因此刻都還待在線粒體那一小圈 DNA 上，用一臺細菌式的機器，照着一本改過幾處的密碼本被讀出來。這是餘項最純的一種形態：被完整測出，被完整承認，而且被持續嘗試搬運，它仍舊留在原地。至於它爲什麼不走，沒有一條理由能解釋全部。
極強的怕水性，就地控制的需要，轉運與裝配的限制，鹼基組成，譜系特有的密碼——每一條都解釋一部分。留下來的都是同幾類零件，具體是哪幾個卻各家不同。
這個構做到了前面幾篇沒有做到的事：它換了層。它沒有做到的，是把併入的那一方完全化開。