本文原刊于举目官网2024.06.26

潘柏滔

什么是共生？

“共生”，根据维基百科，其定义与简介如下：

“共生”，在英文或希腊文中，字面意思就是：“共同”和“生活”。这是两生物体之间生活在一起的交互作用，甚至包含不相似的生物体之间的吞噬行为。术语“宿主”，通常被用来指共生关系中较大的成员，较小者称为“共生体”。

共生依照位置可以分为外共生，内共生。就外共生而言，共生体生活在宿主的表面，包括消化道的内表面或是外分泌腺体的导管。而内共生，共生体生活在宿主的细胞内，或是个体身体内部，但可能在细胞外。

美国微生物学家玛葛莉丝（L. Margulis），深信共生是生物进化的机制。她说：“大自然的本性就厌恶任何生物独占世界的现象，所以地球上绝对不会有单独存在的生物。”（注1）

20世纪以来的科学研究结果推测，细胞内的叶绿体和粒线体，也可能是内共生的形式之一。

一切生物都由细胞构成—— 没有核膜的原核细胞（prokaryote。如细菌）和有核膜的真核细胞（eukaryote。如人类）。而粒线体（mitochondria）和叶绿体（chloroplast），都属于真核细胞的一部分。前者是细胞的发电机，后者是细胞的光合作用食物制造厂。它们的特性，如基因组，基因运作机制，基因调节系统，核糖，抗生素抗药性等，差不多与细菌（原核细胞）完全一样，却与真核细胞相异。而一些真核细胞中独有的新陈代谢作用，它们也可进行。

这是如何形成的？一种理论认为，可能是一个原生动物吞吃一个细菌时，不将它消化掉，而是形成一种“共生”状态（endosymbiogenesis 或 endosymbiosis）。智慧设计论则认为，粒线体和叶绿体与真核细胞的共生，可能是因为它们彼此依赖，乃是出于设计者巧妙的安排——这种解释，更为合理，因为要按照一套共生的互助模型，才可进化而来。

除了粒线体和叶绿体的例子以外，最近更有新的例子：硝基体（nitroplast），也支援这种原核细胞被真核细胞使用并超越“共生”、进化为细胞器的过程。（见参考资料1，2）

硝基体：支持共生论的突破

虽然粒线体和叶绿体的共生理论已广被接受，但是很少有其他生物模型系统，可以提供相关资讯，使我们更完整地了解，细菌如何经过共生程式，変成真核细胞内的细胞器，及其过程和途径。

在2024年4月12日发表的《科学》杂志的封面文章中，加州大学圣克鲁斯分校团队、劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）、加州大学三藩市分校、国立台湾海洋大学和日本高知大学的合作者表明，原核细胞UCYN-A 依赖于其宿主藻类细胞的蛋白质以及细胞器的复制和分裂过程，与藻类细胞的过程紧密配对，支持它形成藻类细胞的硝基体的假设。即原核细胞被真核细胞吞噬，并超越共生、进化成为细胞器的过程。（见图）

上图：硝基体的进化和功能

真核细胞中的多种细胞器，包括线粒体、叶绿体和硝基体，都是从内共生细菌的整合。

在藻类细胞Braarudosphaera bigelowii 中，叶绿体将无机碳变成葡萄糖，为线粒体中的呼吸链提供营养，并促进硝基体中的固氮作用。这些作用所产生的营养, 包括葡萄糖，氨和 ATP，加上外部掺入的化合物（磷，矿物质营养素和维生素），是细胞新陈代谢的组成部分，导致细胞生长和分裂（来源：参考资料3）

不同微分干涉对比 （Differential Interference Contrast）显微照片，显示了大型宿主藻类细胞与共生原核细胞UCYN-A的关系：SB（UCYN-A），Pls（Plastid），Nu（Nucleus）。 （来源：参考资料4）

科学家用 X 射线断层扫描，显示了处于细胞分裂周期（cell cycle）不同阶段（cytokinesis，growth and reorganization细胞质分裂、生长和重组）的藻类细胞： UCYN-A，现在被认为是一种细胞器的固氮实体，是青色的（UCYN-A）。藻类细胞核（Nucleus）为蓝色，线粒体（Mitochondria）为绿色，叶绿体为淡紫色（Chloroplasts or Plastids）。（图片来源：Valentina Loconte/伯克利实验室。参考资料4）

X 射线断层扫描的结果，和蛋白质组分析表明：（1）UCYN-A 已整合在藻类细胞的架构中，与其他细胞器如粒线体和叶绿体同步运作，并且（2）它接收藻类细胞编码的蛋白质基因组的互动。因此，UCYN-A似乎具有早期固氮细胞器的分子和细胞特征。

进化与智慧设计

硝基体的研究，建立藻类细胞B. bigelowii 作为重要的模式系统，帮助生物学理解细胞器发生的过程，并将影响以生物工程改造増进固氮能力的农业植物的设计，改进粮产品质，减少化学肥料的应用。这有助解决世界粮荒和环保的问题。

若根椐普遍进化论的物竞天择理论的推展，大自然生物遵从适者生存、彼此残杀、强者得生的基本机制。正如达尔文所言：“如果能证明．任何物种的结构的一部分曾经为了另一物种专有的利益而形成，它将歼灭我的理论，因为这样的现象不能通过自然选择的过程而来。”（注2）然而粒线体、叶绿体和硝基体的共生，却并不符合这一机制。智慧设计论对此的解释——这是出于设计者巧妙的安排，反而更为合理，因为它们的确是按照一套共生的互助模型，才可进化而来。（参考资料6，7）

2016年11月，伦敦皇家学会（Royal Society of London）在召开为期3天的“进化生物学新趋势”会议中，终于承认了新达尔文进化论有问题。

伦敦皇家学会这样一个彻底以进化论为主流的科学组织，其早期创办人，大科学家如 罗伯特•波义耳（Robert Boyle, 1627-1691）和牛顿（Isaac Newton, 1642-1767），也相信智慧设计论。Peter A. Corning将于2024年7月出版的一篇主流学术文章，也指出进化论的弱点， 认为到了抛弃新达尔文主义的综合论的时候了。他比上述的一些生物学家在“进化生物学新趋势”会议上提出的“扩展合成”，走得更远：新达尔文进化论不是需要扩展，而是需要被一套新的理论代替！（参考资料5）

当代生物界有许多内共生的例子。在形成过程中建立相互依存的关系，可能是推动物种多样化的主要力量之一。生物形成相互依赖关系的倾向，与纯粹的新达尔文物竞天择的进化论冲突。笔者相信，这可能是善良上帝智慧设计的一部分：祂一边创造不同的生物，另一边使生物共生、融入创作。

线粒体、叶绿体和硝基体的形成，看上去并不是盲目的，而是有目的的。

研究这些细胞器的遗传或改造，智慧设计理论可能提供帮助。正如用在研究生物工程的新兴的系统生物学（Systems Biology），作为一门学科，与工程学有许多共同特征：建基于工程学的精密设计和整合的彼此配搭, 将细胞视为一套嵌入式电脑系统, 而非以无目的强者得胜的进化机制, 来作为发展方向。

虽然主流进化论学者仍困囿于“科学只研究自然现象”，回避有超自然因素的智慧设计论，但对智慧设计论友善的学术论文已与日皆增。那些相信创造主以祂的智慧、大能创造和维护宇宙的科学家，更能带来科学的突破。

注：

1. Lynn Margulis, Dorion Sagan, Dazzle Gradually: Reflections on the Nature of Nature (White River Junction, Vermont: A Science Writers Book, 2007), 155.

2. Charles Darwin, The Origin Of Species (London: Penguin Books, 1859), 228–9.

参考资料：

1. https://www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674（24）00182-X.pdf

2. https://www.science.org/toc/science/384/6692

3. https://www.science.org/doi/10。1126/science.ado8571

4. https://www.science.org/doi/10。1126/science.adk1075

5. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S007961072400035X?via%3Dihub

6. Integration and Confrontation of Worldviews: Evolution and ID （in Chinese）（1）

7. Integration and Confrontation of Worldviews:Evolution and ID （in Chinese）（2）

作者来自香港，获生物学博士和神学硕士学位。在美国惠顿大学（Wheaton College）任教41年（1973-2014），现为该校生物学名誉教授。