為什麼植物動物有共同祖先

『貳』 動物和植物是同一祖先嗎

一篇介紹生物三域的文章

生命樹之根

一篇介紹生物三域的文章從林奈開始，博物學家們使用一套等級系統將種類繁多的生物進行分類：
相似的種歸為一屬，相似的屬歸為一科，然後是目、綱、門，最後歸為動物和
植物兩界。達爾文首先指出，生命的等級系統，實際上是生物進化的結果：同
一種的個體都來自同一祖先，相似的種來自同一祖先，相似的屬來自同一祖先
如此追溯下去，他得出結論說：「所有的動物和植物都是從某一原型傳下來的
……在這個地球上曾經生存過的所有有機體，大概都是從某一原型傳下來的。」
如果我們按時間順序來看，就會發現生命的傳代就象一棵不斷分支的大樹，樹
根就是最早的共同祖先，位於樹的頂端的枝葉，就是今天的各個物種。達爾文
並向分類學家們發出了根據共同祖先理論構建生命的自然譜系的號召，但同時
他也指出了其困難性：「我們沒有任何家譜或徽章；我們必須根據長久遺傳下
來的任何性狀去發現和追蹤我們的自然譜系中的許多分歧的傳代線。」以後生
物分類學的發展，實際上都是在為這句話做注腳。

在當時，所有的生物都被分成動物和植物兩界。雖然微生物已經被發現，
但也被歸入這兩界：那些較大的、較活潑的微生物被歸入動物界，較小的、較
不活潑的被歸入植物界。德國生物學家海格爾首先挑戰這種簡單的二分法。他
指出，許多原生生物象植物那樣能夠進行光合作用，但是也象動物那樣能夠游
動，必須另立一界：原生生物界。在二十世紀的早期，細菌被從植物界分出來，
另立細菌界。1959年，就在分類學進入分子時代的前夕，真菌也從植物界分了
出來，另立真菌界。這樣，生命樹就有了五根主幹。

但是，細菌和其他四界的差別，遠遠超過了其他四界之間的差別。特別是
到了六十年代利用電子顯微鏡研究細胞結構，這種差別更為突出：細菌的細胞
沒有細胞核、細胞器，屬於原核生物；而其他四界的生物的細胞有細胞核、細
胞器，屬於真核生物。因此，又有人主張，在界之上應設立一個更高的等級：
超界或「帝國」（「界」的英文原意為「王國」）。其中，原核超界包括細菌
界，真核超界包括原生界、植物界、真菌界和動物界。這個兩超界五界系統，
到現在仍然是被博物學家廣泛接受的最通行的分類系統。

在分子生物學興起之前，我們要確定一種生物在生命譜系中的位置，只能
根據器官、組織、細胞的形態結構。動物的形態結構復雜，可供辨別的特徵繁
多，因此描繪動物的譜系比較容易。描繪植物、真菌和原生生物就要困難得多。
最困難的，是確定細菌彼此之間的親緣關系。即使在顯微鏡下，也很難比較細
菌的形態結構的同異。到了六十年代，大多數微生物學家都放棄了這種努力，
宣布用傳統的方法沒法描繪細菌的譜系。恰恰在這時候，分子生物學的創立為
分類學提供了一個強有力的工具。在六十年代中葉，加州理工學院的朱克坎德
（Emile Zuckerkandl）和鮑林（Linus Pauling）首先指出，我們可以通過比
較不同物種的同一種蛋白質或基因的序列確定不同物種之間的親緣關系。所有
的基因都會發生隨機的突變，這些突變如果能改善其編碼的蛋白質的功能或對
蛋白質的功能沒有影響，就會被保留下來。這樣，當兩個物種從同一祖先分離
之後，他們的基因將會產生差異，隨著時間的推移，差異會越來越大。比較兩
個物種的基因的差異程度，就有可能確定他們的親緣關系。

在六十年代末期，當DNA測序法剛剛被發明出來之時，伊利諾大學的伍斯
（Carl Woese）及其同事就開始通過測定DNA序列研究生命樹。如果要能夠追溯
到生命樹的根部，需要比較一種在所有的生物中都存在的基因。核糖體（細胞
中製造蛋白質的場所）中的RNA在所有的生物中都存在。這種RNA分子共有三個
亞單位（23S，16S，5S）。伍斯他們選擇了其中的一個亞單位16S的基因。到
了七十年代末，伍斯實驗室已比較了大量的物種的16S RNA的基因。他們發現，
原生生物中的某些成員，特別是那些生活在極端環境下（比如溫泉中、火山口）
的成員，雖然其細胞結構看上去跟其他成員相似，但基因序列卻差異很大。他
們將這類原生生物稱為古菌，將其他原生生物稱為真細菌。在他們看來，古菌、
真細菌和真核生物應被視為生命樹的三大分支。接下來的二十年間，對其他基
因的研究支持了這個觀點。在1990年，伍斯等人提出了一個新的分類系統，反
對將生物分成原核和真核兩個超界，認為應該分成細菌、古菌和真核三個域。
在域之下各有幾個界，其中真核域繼續保留原生、植物、真菌、動物四界。目
前，三域劃分已被普遍接受，但將細菌、古菌再分成幾界的系統卻未被接受。
畢竟，分類不能僅僅考慮親緣關系，還需要顧及現存生物的分化程度。與真核
生物相比，細菌和古菌內部的分化不大，似乎也就沒必要再分成幾界。

真核生物應該是從原核生物進化來的。那麼，它是從細菌還是古菌進化來
的呢？光是比較一個基因是看不出來的，因為三者的差異程度相似。這時候必
須比較兩個基因，而且這兩個基因必須是從以前的同一個基因通過重復、分化
演變來的。編碼延伸因子（參與將DNA轉錄成信使RNA的蛋白質）EF-1和EF-2的
基因正是這樣的基因。結果表明，古菌和真核生物的親緣關系比他們與細菌的
關系更緊密，也就是說，真核生物很可能是從古菌進化來的。其他的結果也支
持這一點。比如，古菌的核糖體的蛋白質組分更接近於真核生物，其RNA聚合
酶也更接近真核生物。這樣，我們就可以推測，大約在38億年前，由最早的共
同祖先－－一種原始的細胞生物－－進化成了細菌和古菌，之後，又由古菌進
化成了真核生物。細菌也通過「內共生」方式參與了這個進化過程：一種需氧
細菌被古菌吸收演變成了真核細胞中的線粒體，以後又有光合細菌成了葉綠體。

但是，這種已被普遍接受的景象，最近又面臨著挑戰。按照這個觀點，細
菌和古菌最早分離，那麼，古菌就不該有來自細菌的基因，然而研究發現，許
多古菌含有大量的來自細菌的基因，表明兩者之間存在基因交流。而且，真核
生物的基因應該只來自古菌，只有那些參與細胞呼吸（線粒體）或光合作用
（葉綠體）的基因才可能來自細菌，但是，研究也發現，真核生物的許多既不
參與細胞呼吸也不參與光合作用的基因同樣來自細菌，表明細菌和真核生物之
間除了「內共生」，還有其他的基因交流。此外，還有一部分真核生物的基因
來源不詳，既非來自古菌也非來自細菌，有人推測可能是來自很早就滅絕了的
第四個未知的域。這些結果表明，最早的共同祖先可能不是一種原始細胞生物，
而是一群原始細胞生物，它們只有很少的基因，各不相同，但是彼此之間能夠
進行基因交流，形成了一個細胞共同體。以後，再從這一個共同體中分化出了
細菌、古菌和真核生物，而且，在真核生物還只是單細胞時，三者之間也存在
大量的基因交流。

如果這個新觀點是正確的話，它表明達爾文所設想的生命樹雖然總體上正
確，但是樹根並不是一條，而是縱橫交錯。