生物演化史上的“黑洞”，可能需要物理学来填补丨展卷( 二 )
科学家是充满好奇心的人 ， 如果这个问题确实像我说的这么严峻 ， 它本应该广为人知 。 然而实际情况并非如此 ， 科学界对这个问题的意识远没有明确 。 现有的各种解释互相争论 ， 但大都晦涩难懂 ， 反而掩盖了问题本身 。 另一个难点在于 ， 问题的相关线索分散在众多不同的研究领域之中：生物化学、地质学、种系发生学、生态学、化学和宇宙学 。 几乎没有人能成为所有这些领域真正的专家 。 生物学现在正处于“基因组革命”的进程之中 ， 我们掌握了成千上万种生物完整的基因组序列 ， 包含亿万数位的代码 。 在这些数字化的生物信息中 ， 从远古遗留至今的线索经常互相矛盾 ， 令人迷惑 。 对这些数据的解读要求研究者拥有精深的逻辑、计算和统计技能 ， 生物学上的理解反倒被挤到了从属地位 ， “有当然好 ， 没有也无大碍” 。 大数据研究方法的迷雾在我们周围涌动 ， 争论交缠 。 每当稍稍拨开迷雾 ， 更加离奇的新课题就会涌现 。 科学家曾经的自信从容逐渐消失 ， 我们现在面对着一幅崭新的生物学场景：真实、严峻、令人不安 。 然而 ， 从一个研究者的角度来看 ， 能够发现一个重要的新课题并寻求答案 ， 非常激动人心！生物学中最大的问题还有待解决 ， 本书正是我起手的尝试 。
细菌和复杂生命有什么样的关系？早在17世纪70年代 ， 荷兰科学家安东尼·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）在自制的显微镜下发现微生物时 ， 对这个问题的初步研究就开始了 。 他镜头下生机勃勃的“微型动物” ， 让当时很多人都难以置信 。 但这些生命的存在 ， 很快被同样天才的罗伯特·胡克（Robert Hooke）再次证实 。 列文虎克还发现了细菌 ， 他在1677年那篇著名的论文中写道：它们“小到令人难以置信；以我视野中能看到的估计 ， 100个这样极其微小的动物排成一行 ， 宽度也超不过一粒细砂；如果我的估计正确 ， 那么一百万个加起来 ， 也不会比一粒细砂重” 。 不少后世的研究者怀疑 ， 列文虎克是否真的用他简单的单镜头显微镜观察到了细菌 。 现在已经没有争议：他确实做到了 。 可以通过两点证明：首先 ， 他发现细菌无处不在——雨水中 ， 海水中 ， 并不仅仅在自己的牙齿上才能找到；其次 ， 他通过敏锐的直觉发现了两种微生物的区别 ， 一种被他称为“非常微小的动物”（即细菌） ， 另一种则是“巨大的怪物”（实际是单细胞的原生生物 ， protists） 。 他区别二者的依据 ， 在于观察到后者旺盛的运动行为和“小脚”（纤毛）；他甚至注意到有些较大的细胞由多个小“液泡”组成 ， 并与细菌进行了比较（当然他用的不是这些现代术语） 。 几乎可以肯定 ， 列文虎克在这些液滴中观察到了细胞核 ， 即所有复杂细胞贮藏基因的地方 。 接下来 ， 关于这个课题的研究停滞了几个世纪 。 在列文虎克发现微生物50年后 ， 著名的分类学家卡尔·林奈（Carl Linnaeus）把所有微生物不加区别地分在Vermes门（意为“蠕虫”）的Chaos属（意为“无形状”） 。 到了19世纪 ， 与达尔文同时代的德国演化论学者恩斯特·海克尔（Ernst Haeckel）才再次确认微生物之间存在重大差别 ， 并把细菌与其他微生物区分开来 。 20世纪中期以前 ， 关于细菌的生物学认知没有多少进展 。
生物化学的统一 ， 使细菌研究迈入了一个关键阶段 。 此前 ， 细菌花样百出的新陈代谢能力让它们似乎无法归类 。 它们可以依靠任何物质生存 ， 从混凝土到电池液到气体 。 如果这些完全不同的生活方式没有任何共同点 ， 我们用什么依据来确定细菌的分类呢？如果无法归类 ， 我们又怎能理解细菌呢？正如化学元素周期表为化学研究带来了理论的统一 ， 生物化学也为细胞演化研究带来了秩序 。 另一位荷兰人阿尔贝特·克吕沃尔（Albert Kluyver）阐明：生命令人眼花缭乱的多样性 ， 其实是由非常相似的生物化学过程支撑 。 呼吸作用、发酵作用和光合作用虽然各有区别 ， 但全都有共同的生物化学基础 。 这种概念的整合 ， 证明了所有生物起源于一个共同的祖先 。 克吕沃尔认为 ， 在生物化学层面 ， 对细菌成立的理论 ， 对大象也成立；细菌和复杂生物之间几乎没有界限 。 细菌的代谢多样性远超复杂生物 ， 但二者最基本的生命活动过程都很相似 。 克吕沃尔的学生科内利斯·范尼尔（Cornelis van Niel） ， 以及罗杰·斯塔尼尔（Roger Stanier） ， 可能是那个时代最能理解细菌的本质不同于其他生物的科学家 。 他们认为 ， 细菌就像原子 ， 不可再分 。 它们是最小的生物功能单位 。 很多细菌和人类一样能进行有氧呼吸 ， 但必须通过整个细菌才能执行这种功能 ， 细菌没有人类细胞中专门进行呼吸作用的组件 。 细菌繁殖时会分裂 ， 但从功能角度来说 ， 细菌不可再分 。
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