单鞭毛生物和双鞭毛生物（一）

真核生物及其中植物和动物的起源

文章摘要

   地球上的真核生物（细胞中有细胞核的生物）出现在大约21亿年前，要弄清真核生物如何由原核生物（细胞中没有细胞核的生物）演变而来，以及对真核生物，特别是现在仍然为单细胞的真核生物进行分类，是一件非常困难的事情。基因组时代的到来使这样的问题有被解答的可能。近年来的研究表明，是线粒体的获得使原核细胞变成了真核细胞，细胞核是基因中内含子大量出现后形成的，用途是避免没有加工完毕的信使核糖核酸（mRNA）被用来指导蛋白质的合成。原核生物的数个基因融合成真核生物的单个基因，是一个概率很小的事件，可以用来追踪真核生物分化的过程。不同真核生物中融合基因的状况表明，真核生物可以分为单鞭毛生物和双鞭毛生物两大类，前者包括真菌和动物，以及仍然为单细胞的变形虫门和领鞭毛虫门的真核生物，而后者包括绿藻、红藻和陆生植物，以及另一些仍然为单细胞的真核生物。动物是从领鞭毛虫演化而来的，而植物的祖先是绿藻中的双星藻。

地球上的生物至少有几百万种，可以分为原核生物（prokaryotes，即细胞中没有细胞核的生物）和真核生物（Eukaryotes，即细胞中具有细胞核的生物）两大类。原核生物比较原始，大约出现在35亿年前。现存的原核生物可以分为古菌（Archaea）和细菌（Bacteria），它们基本上都是单细胞生物，大小和形状也相似，所以古菌曾经被归入细菌的范畴。但是后来的研究发现，古菌和细菌还是有许多差别，例如古菌和细菌的核糖体核糖核酸（rRNA，是生物最古老的分子之一，其序列的变化常被用来研究不同生物之间的亲缘关系）就明显不同。古菌用于转录（把DNA上的信息转移到信使核糖核酸mRNA的过程）和转译（把mRNA上的信息转化为蛋白质分子中氨基酸序列的过程）所使用的酶和细菌的不同，而更像真核细胞的酶；古菌像真核细胞那样，DNA上结合有组蛋白，而细菌没有。另一方面，真核生物细胞膜中磷脂的构造和细菌相似，而和古菌不同。在细菌和真核生物的磷脂中，是脂肪酸分子上的羧基与甘油分子上的羟基以脂键相连，而许多古菌生活在严酷的环境中，例如高温、高盐、极端酸碱度等，其磷脂中，是聚异戊二烯的长链以醚键（-C-O-C-）与甘油分子相连，这样的磷脂分子更能够抵抗严酷的环境条件。

真核生物出现在大约21亿年之前，从原核生物发展而来，这可以从真核细胞的分子基本分子构造和原核生物一脉相承得到证明。现存的真核生物可以分为植物（Plants）、真菌（Fungi，例如霉菌和蘑菇）、动物（Animals）三大类，它们多是多细胞生物，也是我们肉眼看得见的生物。植物进行光合作用，利用太阳光的光能，以二氧化碳为碳源合成有机物，所需的不过是阳光、水、二氧化碳和无机盐，属于自养生物。真菌和动物都是异养生物，依靠别的生物身上的有机物生活，但是获得有机物的方式不一样。真菌不能吞食，只能吸收现成的有机物，或者分泌消化液到细胞外，将有机物中的大分子降解，再吸收降解产物，所以真菌的消化方式是体外消化。动物在消化有机物之前，要将有机物（活的或死的生物，包括动物和植物）先吞进体内，再加以消化，所以动物的消化方式是体内消化。

除了植物、真菌和动物，还有许多单细胞的真核生物，例如衣藻、变形虫、草履虫等，不属于前三类，被统称为原生生物（protists）。原生生物比较原始，像是树干，植物、真菌和动物是从原生生物发展出来的三个大枝，形成树冠，因此这个理论被称为树冠理论（Crown theory）。

这个理论看上去简单明了，但是如果我们要深究一步，了解真核生物以及真核生物中植物、真菌以及动物的起源，却是极为困难的任务，因为真核生物出现在约21亿年之前，最初的那个真核细胞，即现在所有真核生物的祖先（The last eukaryotic common ancestor, LECA）早已不复存在，现存的原生生物看似“简单”，却也已经是经历大约21亿年发展后的产物，要弄清它们在这个长时期中的变化情形，绝非易事。但是这个任务如果不解决，许多问题都难以回答。

例如细胞核是由两层膜包裹的遗传物质DNA，这样的结构有什么必要性？原核细胞没有细胞核，不是活得好好的吗？细菌的细胞由于没有细胞核，合成蛋白质的核糖体可以直接与正在被合成的mRNA接触，所以转录和转译几乎可以同时进行，效率很高，大肠杆菌20分钟就可以繁殖一代。而在真核细胞中，由于合成蛋白质的核糖体不能进入细胞核，mRNA必须要在完全合成后，离开细胞核进入细胞质，蛋白质的合成才能开始，这就降低了蛋白质合成的效率，真核细胞为什么要“自设障碍”呢？

有些原生生物是没有线粒体（mitochondria，真核细胞合成高能化合物三磷酸腺苷ATP的细胞器）的，被认为是比较原始的真核生物。例如寄生在人类小肠内，引起腹泻的“兰氏贾第鞭毛虫”（Giardiaalmblia，简称“贾第虫”）就没有线粒体，被称为“无线粒体原生生物”（amitochondriate）。由于植物、真菌和动物的细胞都含有线粒体，这三大类真核生物曾经被认为是从没有线粒体的原始真核生物获得线粒体以后发展出来的，即真核生物先有细胞核，再获得线粒体。但是如前所说，拥有细胞核是“自找麻烦”的事，真核生物为什么要先发展出细胞核，再获得线粒体呢？还是真核生物先获得线粒体，再发展出细胞核？

如何对原生生物进行分类？由于原生生物基本上都是单细胞生物，大小都差不多，又经历了约21亿年的发展历程，生活方式极为多样，仅依靠结构特点来对原生生物进行分类，可以说是毫无希望。

在多细胞的真核生物中，真菌不运动，细胞有细胞壁和液泡，身体由菌丝组成，有根状结构，菌丝从顶端生长，通过孢子进行繁殖，这些特点和植物非常相似，而不像动物，所以真菌曾经被归入植物，或者被认为是从植物中的藻类发展出来的，因而与植物的关系更近。但是真菌并不进行光合作用，和动物一样是异养的，即从别的生物获得建造自己身体的材料和能量，而且真菌细胞的细胞壁由几丁质（chitin）组成，和动物中昆虫外骨骼的组成相似，和植物细胞的细胞壁由纤维素组成不同。真菌和动物一样，用糖原（glycogen）作为储存碳水化合物的方式，而植物则用淀粉。真菌和动物都含有细胞色素c，而植物没有细胞色素c，在这些方面又像动物。真菌与动物和植物的关系究竟是什么？即真菌和植物的关系更近，还是与动物的关系更近？

只有到了基因组的时代，在基因水平上从“内部”来看生物的演化历程，这些问题的答案才开始浮现。生物化石的形成非常困难和罕见，特别是单细胞的真核生物，但是既然所有的真核生物都由一个共同的祖先发展而来，基因变化的痕迹却是可以保留的。生物之间的关系越远，同一基因的变化（即差异）也越大。从同类基因的相似程度，就可以得出生物演化的线索。但即使这这样，要追溯真核生物形成和分化的过程，也很不容易，几十亿年的演化历程使得一些基因面目全非，平行演化（homoplasy，即由不同的路线得出相同或者相似的基因变化），不同生物之间横向的基因转移，逆向变化（即下一步的演化又恢复了基因原先的状态），都使得生物之间关系的基因分析变得复杂而困难。要攻克真核细胞起源和分化这个难题，仅靠一个或者少数基因是不够的，而必须用多个基因（现在的研究常用数百个基因）、结合蛋白质的空间结构，以及发生率极小的基因变化（例如基因融合）以及特征性的氨基酸序列变化，才能得出比较可靠的结果。下面我们就介绍用这些方法得出的一些结果。这些结果虽然初步，却使我们第一次看到真核生物形成和演化的主要路线。

这些结果表明，真核细胞是先获得线粒体，再发展出细胞核。原生生物可以分为单鞭毛生物（unikont）和双鞭毛生物（bikont）两大类，前者发展出真菌和动物，以及像变形虫这样的单细胞真核生物；后者发展出植物，包括绿藻、红藻和陆生植物，所以真菌和动物的关系比和植物的关系要近。动物是从单鞭毛的原生生物领鞭毛虫（Choanoflagellate）演化而来，而植物则由双鞭毛原生生物中的双星藻（Zygmematales）演化而来。原生生物中囊泡藻界（chromalveolata，例如褐藻）的生物是单鞭毛生物获得双鞭毛的红藻并形成共生关系而形成的。

线粒体的获得使得原核生物变为真核生物

既然被称为“真核生物”，我们自然会想到它和原核生物最重要的区别就是它有细胞核。但是在澳大利亚的淡水湖中，科学家发现了一种细菌，叫做“隐球出芽菌”（Gemmata obscuriglobus）。这些微生物为球形，像酵母菌那样出芽生殖。从它们核糖体RNA（5S和16S rRNA）的序列来看，他们应该属于细菌中的“浮霉菌门”（Planctomycetes）。但奇怪的是，这些细菌却有由两层膜包裹的细胞核，说明细胞核并不是真核生物的专利。

原核生物的DNA是环状的，而真核生物的DNA是线状的，那么是不是具有线状DNA的生物就是真核生物呢？引起莱姆病（Lyme disease）的“伯氏疏螺旋体”（Borrellia burgdorferi）是原核生物，却有一个100万碱基对长的线性DNA。真核生物的其它特征，例如细胞内部的膜系统、基因中的“内含子”（intron），也可以在原核生物中找到。那么真核生物和原核生物最根本的根本区别是什么？是什么事件使得原核生物变成了真核生物？如果要找一个真核生物都有，原核生物绝对没有的特征，那就是真核生物的细胞里有线粒体（mitochondria）。那么线粒体是个什么东西呢？为什么有线粒体的细胞最后变成了真核细胞呢？

线粒体是真核细胞的“动力工厂”，是细胞合成ATP的地方。葡萄糖和脂肪酸在这里被彻底氧化，生成二氧化碳和水，释放出来的能量则被用来合成ATP。线粒体的大小（直径约1微米）和细菌差不多。如果把真核细胞放大到一间房间那么大，线粒体的大小不过相当于一个暖水瓶，所以每个真核生物的细胞可以拥有成百上千个线粒体，相当于细胞的“身体”里面有成百上千个发电厂。细胞有了充足的“电力”供应，做什么事情都有能量保证了。线粒体是用大气中的氧气作为电子受体来氧化葡萄糖和脂肪酸的，所以真核生物的出现和空气中氧含量大大增加的时间(大约是在22亿年前)之后不久。换句话说，是线粒体带来的充足的能量供应使原核细胞变成的真核细胞。那么细胞里面的线粒体是如何出现的呢？

对线粒体的研究发现，线粒体不仅是一个细胞器，而且更像是一个细胞。它被两层膜（外膜和内膜）包裹，有自己的DNA，有自己合成mRNA和蛋白质的系统。它的DNA是环状的，类似于细菌的环状DNA。它合成蛋白质的核糖体（70S）不像真核生物的核糖体（80S），而像细菌的核糖体（70S）。像细菌那样，线粒体的基因是组织在“操纵子”（operon）的，即功能相关的基因共用一个启动子，而不像真核生物那样，每个基因有自己的启动子。线粒体也像细菌那样，通过分裂来繁殖。真核细胞不能“制造”线粒体，所有的线粒体必须从已有的线粒体分裂而来。这也符合“细胞只能来自细胞”的定律。这些事实说明，线粒体是真核细胞中的细胞，是一种原核细胞包裹进了另一个原核细胞变成的。

这个过程是如何发生的，现在已经不可考，但估计不是一种细菌“吃下”另一个细菌造成的。吞食是一个非常复杂的过程，需要有控制细胞形状的“细胞骨架”，还要有类似肌肉收缩的蛋白质使细胞膜运动，包裹另一个细胞，还要有专门“消化”另一个细胞的“溶酶体”。所有这些原核生物都不具备，所以没有细菌吃细菌的事情。而且细菌在细胞膜外面还有细胞壁或者荚膜等形状比较固定的结构，也不适于吞食。一种可能性是一个古菌细胞被机械力压开（例如石头滚动），而又没有彻底将细胞压碎。裂开的古菌在恢复过程中又正好把在附近的一个能够用氧彻底氧化葡萄糖和脂肪酸的细菌包裹进去。由于古菌没有溶酶体，被包裹进去的细菌也不被杀死，最后和古菌形成共生关系。要成功地实现这个过程，估计几率非常小，所以原核生物出现数亿年后，才有这种共生的情况发生。而且从所有真核生物的线粒体基因来看，它们都来自同一个祖先，也就是这样的细胞融合过程只发生过一次，但是就是这次“幸运”的细胞融合导致了真核生物的诞生。

在细菌中，彻底氧化葡萄糖的电子传递链是位于细胞膜（即内膜）上的。电子传递时释放出的能量则被用来把氢离子从细胞内泵到细胞内膜外，建立一个跨膜的氢离子梯度，类似于水坝蓄水。氢离子通过细胞膜再流回细胞时，就带动ATP合成酶合成ATP，像水库里面高水位的水经过水坝带动水轮机发电。在线粒体中，呼吸链也是位于内膜上的（相当于细菌的内膜），电子传递释放出来的能量则把氢离子从线粒体内部泵到内膜之外，即线粒体的内膜和外膜之间。氢离子流回线粒体内部时则带动ATP合成酶合成ATP。所以线粒体合成ATP和细菌合成ATP的结构是一样的，只不过细菌合成ATP的地方以线粒体的形式被带到另一个细胞的内部。

通过对线粒体中基因的分析，发现它们和一类细菌，即“变形菌门”（proteobacteria）中的一种，a-变形菌（alphaproteobacteria）的基因最为相似。变形菌门是一大类格兰氏阴性细菌，外膜主要以脂糖构成。因其形状多变而被称为变形菌。从这些证据，科学家认为，线粒体是一些原核生物的细胞（可能是一种古菌的细胞，因为古菌已经拥有真核生物的一些特征，例如基因转录和蛋白合成所使用的蛋白质以及拥有组蛋白）“吞并”了a-变形菌的细胞，彼此形成共生关系而演变出来的。古菌细胞给a-变形菌的细胞稳定的生活环境，而a-变形菌给古菌细胞提供能量。因此真核细胞实际上是两种细胞的混合物，是“细胞套细胞”，它们各自的DNA至今还在。

在a-变形菌的细胞演变为线粒体的过程中，许多a-变形菌的基因逐渐转移到古菌细胞的DNA中去，使得线粒体DNA中的基因越来越少，最后只剩下为蛋白质合成需要的转移RNA（tRNA）、核糖体RNA（rRNA）的基因、和少数为蛋白质编码的基因。这些蛋白质基本上都是膜蛋白，高度亲脂，如果在细胞质中合成，转移到线粒体中会很不方便，所以它们的基因就留在线粒体中，以便“就地制造”这些亲脂的蛋白质。在不同的真核生物中，线粒体基因转移到细胞核DNA中的程度不同。例如单细胞的真核生物“异养鞭毛虫”（Reclinomonas Americana）的线粒体DNA有6万9千个碱基对，97个基因，其中62个基因为蛋白质编码，算是保留得比较多的。而在人的线粒体中，DNA只有1万6千个碱基对，37个基因，其中13个基因为蛋白质编码。引起人疟疾的疟原虫（Plasmodium falciparum）线粒体的DNA只有6千个碱基对长，含5个基因。尽管不同的真核生物的线粒体DNA大小差别很大，基因数也不一样，但是所有这些线粒体里面的基因都不出变形菌门细菌基因的范围，说明线粒体的确是从变形菌门的细菌变化而来的。

对于“真核生物的细胞都有线粒体”这个说法，也有不同意见。这些意见的根据，是有些真核生物的细胞里没有线粒体。例如前面提到过的贾第虫就没有线粒体，曾经被认为是最原始的真核生物。但是随后的研究发现，这些生物含有“热休克蛋白70”（heat shock protein70，简称Hsp70）的基因，和伴侣素蛋白60（chaperonin60，简称cpn60）和伴侣素蛋白10（cpn10）的基因。这些基因都只有在线粒体或者a-变形菌中发现，而在古菌和革兰氏阳性细菌中没有发现，说明这些“古虫”都曾经获得过线粒体，只不过后来由于寄生生活或在无氧条件下生活，不再需要线粒体，而使线粒体退化。

这些事实都说明，所有的真核生物细胞都曾经拥有过线粒体，只不过后来一些真核生物不再需要线粒体的氧化磷酸化功能而部分或全部失去线粒体，而原核细胞无一例外地不含线粒体，所以线粒体是区别真核生物和原核生物最根本的标志。而且线粒体的作用还不仅是为寄主细胞提供能量，它带来的“内含子”更使得细胞核成为必要，因而是线粒体的出现让原核细胞发展出了细胞核。

“内含子”的“入侵”迫使细胞核出现

线粒体给寄主细胞带来威力强大的“发电厂”的同时，也带来了另一个“不速之客”，那就是“内含子”。它的出现使得细胞核成为必要。要知道什么是内含子，就要从1977年美国两个实验室的意外发现说起。

在上个世纪70年代以前，人们对基因的认识是比较简单的：基因就是DNA分子上为蛋白质编码的区段，再加上控制基因表达的“开关”，即启动子（promoter）。当启动子把基因“打开”时，这段编码的DNA序列就被转录到mRNA分子上，mRNA再指导核糖体合成蛋白质。为蛋白质编码的DNA序列是连续的，mRNA分子中为蛋白质编码的RNA序列也是连续的。在原核生物中，这的确是实际情况。在大肠杆菌中，合成mRNA的过程还没有完成，在附近的核糖体就“迫不及待”地“抓住”mRNA，开始蛋白质合成了。所以在原核生物中，合成mRNA和合成蛋白质是在同一个地方，几乎同时进行的。

这种“编码序列是连续的”的观念在1977年被打破了。在这一年，美国冷泉港实验室的里查德·罗伯兹（Richard J. Roberts）和麻州理工学院的飞利浦·夏普（Phillip A.Sharp）同时在研究引起人感冒的腺病毒（adenovirus）。这种腺病毒的主要蛋白叫做“六邻体”（Hexon），是包裹病毒DNA的表面蛋白质。他们先从被病毒感染的细胞中提取到六邻体的mRNA。为了寻找病毒DNA中为六邻体蛋白编码的部位，他们让mRNA和病毒的DNA“杂交”，即让六邻体mRNA的序列和DNA分子上相应的序列通过碱基配对彼此结合。出乎他们意料的是，六邻体mRNA和DNA的四个区段结合，这四个区段之间没有和mRNA结合的部分则游离出来，形成三个环。这个结果使他们认识到，腺病毒DNA为六邻体蛋白质编码的序列不是连续的，而是分为许多段。在这些实验结果的基础上，美国科学家瓦尔托·基尔伯特（Walter Gilbert）于次年（1978年）提出了“内含子”（intron）的概念。内含子就是编码序列之间的DNA区段，在mRNA合成后被“剪切”掉，不出现在成熟的mRNA分子中。而为蛋白质编码的区段则被称为“外显子”（exon），它们被内含子分隔开，在转录过程中和内含子的序列一起被转录。当mRNA分子中的内含子序列被剪切掉以后，外显子的序列就连在一起，去指导蛋白质的合成，最后的效果就像当初内含子不存在一样。我们可以想象为蛋白质编码的DNA序列为红线，被分成几段，中间由白线（内含子）连起来。把白线剪掉，把红线部分连起来的过程就叫做mRNA的“剪接”（splice）。罗伯兹和夏普的研究结果使科学家也去研究真核生物的基因，发现许多这些基因中编码序列也是不连续的，也就是许多真核生物的基因含有内含子。这是基因结构观念上的大革命，罗伯兹和夏普也因此获得了1993年的诺贝尔生理或医学奖。

内含子是如何起源的，至今科学界还没有统一的意见。一种假说认为，内含子在生命出现的早期，在RNA世界时就出现了。当时DNA还没有出现，RNA分子则“一身数任”：既要催化自己的合成，又要催化蛋白质的合成，还要用自己的核苷酸序列为蛋白质中的氨基酸序列编码。要使一个长长的RNA分子的连续序列来为蛋白质编码，编出来的蛋白质又是具有生物功能的，几率非常小，就像把英文的26个字母随机地排列在一起会出现一段有意义的文字那样困难。比较可能的情况是RNA分子内有许多小的区段，每段给一些氨基酸编码。有选择性地把这些区段结合起来，就有可能产生有功能的蛋白质。这就像随机排列的字母不容易产生有意义的词和句子，但是有选择性地去掉一些字母，就可以连成有意义的词和句子。由于RNA分子具有自我剪接的能力，这样的过程是有可能的。当然这是一个漫长和随机的过程，但是这样的目标最终是可以实现的。一旦这样的组合被固定下来，它们就可以在DNA出现后，被复制到DNA分子中，然后在mRNA阶段再进行剪接。现在原核生物以RNA为最终产物（例如转移核糖核酸tRNA和核糖体核糖核酸rRNA）的基因（即不为蛋白质编码的基因）中，就还有许多这样的区段，他们能够在RNA分子被合成后，自己把自己剪切掉，包括I型和II型内含子（这两型内含子剪切自己的方式不同）。经过几十亿年的时间，能够自我剪接的RNA内含子类型居然还有两种，说明内含子在RNA生命阶段就出现的学说是有一定道理的。

不过到原核生物出现后，这种为蛋白质编码的方式就不理想了，因为在合成的mRNA分子中，有很大一部分是不为蛋白质编码，而需要去除的“废物”。这些内含子既占DNA的空间，使得原核生物复制DNA时要付出更多的“成本”，在合成mRNA时，细胞还要花费资源去合成这些废物，剪接mRNA也需要时间。而对于简单的原核生物，资源有限，还必须迅速繁殖才能与其它的原核生物竞争，如果能够把这些“废物”去掉，既能节省资源，又能加速繁殖速度，对于原核生物的生存无疑是非常有利的。这样经过亿万年的进化，原核生物基本上已经把内含子“清除”掉了。为蛋白质编码的DNA序列是连续的，生成的mRNA也不需要剪接，而是可以直接用来指导蛋白质的合成，因而出现了在原核生物中，转录和蛋白质合成同时同地进行的状况。在这种情况下，细胞核不仅没有必要，反而会是转录过程和转译过程之间的障碍，因此原核生物绝大多数没有细胞核。原核生物的基因之间也有一些“没用”的DNA序列，不过一般只占DNA序列的10-15%，残余的内含子也基本上“躲”在这些地方。

另一方面，真核生物的DNA中却含有大量的内含子。而且越是高级的生物（例如哺乳动物和开花植物），基因中内含子的数量越多。为蛋白质编码的基因，几乎都含有内含子。例如人类，每个基因平均含有8.1个内含子，拟南芥（Arabidopsis thaliana，一种开花植物）每个基因平均含有4.4个内含子。就连低等动物如果蝇（Drosophila melanogaster）每个基因也平均有3.4个内含子。而许多原核生物总共也只有几个内含子。看到这里，自然的问题就是：原核生物想尽量去掉的东西，真核生物怎么会让它存在并且让它繁荣起来呢？原因估计有两个。一是真核生物因为有线粒体提供能量，“财大气粗”，不在乎这点“废物”的存在。真核生物是以质取胜，即通过自己更强大多样的功能取胜，而不是像原核生物那样以量取胜，所以不必拼命繁殖。二是真核生物巧妙地利用了内含子的存在来形成更多的蛋白质。在原核生物中，因为编码序列是连续的，没有“花样”可玩。编码序列什么样，蛋白质就什么样，一个编码程序只能生成一种蛋白质，真是“一个基因对应一种蛋白质”。而在真核生物中，由于编码序列是最后“拼接”起来的，如果改变拼接方法，只使用其中的一些编码区段，让外显子以不同的方式结合，就可以从同一个基因形成不同的蛋白质。这种不同的拼接外显子的方法叫做“选择性剪接”（alternative splicing）。例如果蝇的dsx（doublesex）基因是控制性别的基因，有6个外显子。如果把外显子1、2、3、5、6拼接在一起，就会形成的一个使果蝇向雄性发育的转录因子；但是如果把外显子1、2、3、4拼接在一起，就会形成一个使果蝇向雌性发育的转录因子。这样，同一个基因就可以产生功能完全相反的两种蛋白质。一个基因产生巨大数量蛋白质的“冠军”，要数果蝇的DSCAM（Down syndrome cell adhesionmolecule）基因。它有95个外显子，可以形成38,016种不同的组合，即生成38,016种蛋白质！而果蝇的全部基因数才15,016个。在人的全部DNA序列测定以后，发现其中只有大约21,000个基因。这个结果出乎人们的预料，甚至有人认为这是对人类的羞辱，因为那么低级的原核生物大肠杆菌（菌种K-12）都有4,377个基因，其中4,290个基因为蛋白质编码。考虑到人的复杂性远远超过大肠杆菌，人类好像应该至少有100,000个以上的基因才“合理”。其中的奥妙就在人的基因能够活跃地进行选择性剪接，所以两万个左右的基因可以形成10万种以上的蛋白质。这就可以解释为什么生物越高级，为蛋白质编码的基因中内含子越多。

为蛋白质编码的基因中出现内含子，转录生成的最初的mRNA就不能直接在核糖体中指导蛋白质的合成了，因为那样会把内含子中的序列也当作是编码，合成出错误的蛋白质，所以必须先把mRNA中的内含子去掉，然后才能用来合成蛋白质。而去掉内含子的剪接过程是比较慢的，怎么才能防止内含子去掉之前合成蛋白质的过程就开始呢？唯一的办法就是不让核糖体接触到还没有“加工”完毕的mRNA。换句话说，就是转录和蛋白质合成必须在空间上分开，而这正是细胞核的作用。细胞核的膜能够防止完整的核糖体进入细胞，而mRNA在剪接完成前，又不会离开细胞核，这样核糖体能够接触的，就只能是加工完毕的mRNA。其实真核生物加工mRNA还不只是去掉内含子，还要给mRNA“穿靴戴帽”。“穿靴”就是给mRNA分子加上一个由100-250个由字母A（腺苷酸）组成的“尾巴”，叫做“多聚A尾巴”（polyA tail）。“戴帽”是在mRNA的“头”（5’端）的“字母”G（鸟苷酸中的嘌呤）上面加一个甲基（-CH₃）。这两个修饰都使mRNA分子更稳定，也等于是给mRNA分子戴上了“放行徽章”，可以离开细胞核了。所以细胞核的出现，是为蛋白质编码的基因中出现内含子的必然后果。

如果把各种真核生物同种基因中内含子的位置做比较，发现许多这些内含子的位置是相同的。例如动物和植物之间有17%的内含子位置是相同的，真菌和植物之间有13%的内含子位置相同。甚至人类和开花植物拟南芥之间，都有25%内含子的在基因中的位置相同。这些事实说明，真核生物的内含子出现的时间非常早，在所有真核生物的共同祖先中就出现了。据各种模型的推测，在最早的真核生物中，为蛋白质编码的每个基因平均含有2-3个内含子。由于细菌的DNA含有的内含子数量极少，在最初的真核生物形成时，一定有一个内含子数量突然大量增加的事件。由于原核生物经过10亿年左右的演化，已经将内含子基本清除，真核生物的共同祖先又是从原核生物进化而来的，内含子的突然增加是如何发生的呢？2006年，美国科学家尤金·库宁（Eugene V. Koonin）提出了一个假说，他认为是后来要变成线粒体的a-变形菌进入寄主细胞后，其DNA中的内含子“入侵”寄主的DNA并在那里繁殖，使得最初的真核细胞含有大量的内含子。

真核生物为了适应这种情况，发展出了细胞核把DNA和核糖体分开，同时发展出了更有效的方式来剪除掉mRNA中的内含子序列，这就是“剪接体”（spliceosome）。剪接体是由细胞核内的5个小分子RNA（snRNA，包括U1、U2、U4、U5、和U6）和蛋白质组成的巨型复合物。5个snRNA分别识别内含子的各个部位，例如U1会先辨识内含子的5'端剪接位（ 内含子5’端与外含子结合的地方），而U2 识别3'端剪接位（内含子3' 端与另一个外含子结合的地方）上游的“分支位点”。这个步骤将mRNA上要被剪切除去的内含子定位。然后，由U4-U5-U6组成的三聚体加入，使得分支位点上一个字母A被连到内含子的5'端上，使它脱离外含子，同时内含子的RNA链形成一个“套马索”那样的环状结构。脱离了内含子的5'外含子再与3'的外含子结合，内含子就被剪切掉了。

剪切体剪除内含子的过程与II型内含子“自我”剪切的过程极为相似，例如都形成“套马索”那样的结构和中间步骤，RNA分子的空间结构也高度一致，所以真核生物的剪切体应该是从原核生物的II型内含子演变而来的。II型内含子是自己切割自己，而剪切体的5个snRNA则是II型内含子分开的片断，再与蛋白质形成复合体。所有的原核生物都没有剪切体，剪切体是被真核生物发展出来的，即把原来自我剪切的内含子分成几段，再分别和蛋白质结合。即使是在人类的细胞里，实际剪切内含子的分子还是剪切体中的snRNA，蛋白质只起辅助作用。核糖体合成蛋白质时，起催化作用的仍然是RNA（rRNA）分子。这些事实都说明，最初的生命是RNA的世界，真核生物的内含子也是由RNA分子中的II型内含子进化而来的。

有趣的是，并不是所有的真核生物都含有大量的内含子。对于那些单细胞的真核生物，繁殖速度对于生存还是很重要的。俗话说，“活在狼群中，就得学狼叫”。所以这些单细胞的真核生物，像同样是单细胞的原核生物一样，都去除了大量的内含子。例如裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）每个基因平均只有0.9个内含子，出芽酵母（Saccharomyces cerevisae）的内含子含量更低，每个基因平均只有0.05个内含子。而多细胞的真核生物，则在进化过程中不断增加内含子的数量，在人身上甚至达到每个基因平均有8个以上的内含子。

线粒体的出现给真核生物带来充足能源的同时，也带来了内含子的入侵。为蛋白质编码的基因中内含子的出现，又迫使细胞形成细胞核以把DNA和核糖体分隔开来。这大概就是真核细胞出现的根本原因。其它的改变都是在这个基础上进行的。

单鞭毛生物和双鞭毛生物

第一个真核细胞产生后，是如何演化成为各种真核生物的？要回答这个问题，仅靠同种基因（例如rRNA）自身的序列变化已经不够了，因为真核生物，包括真核生物中的原生生物，经过20多亿年漫长时期的演化，已经形成了种类极其庞杂，生活方式多种多样的各种真核生物。在这种情况下，同类基因序列的变化，即使是使用多个基因序列的变化，也不能得到足够的分辨率。要将真核生物进行分类，找出它们之间的亲缘关系，需要更具特征性的基因变化，这就是基因融合，即原核生物的数个基因融合在一起，变成真核生物的单个基因，这个融合基因的蛋白质产物也同时具有融合前数个基因产物的功能。由于基因融合是一个概率非常小的事件，逆向解除融合的机会也很小，至今还没有发现融合基因又分开的例子，因此融合基因可以用来追踪真核生物的发展路线。如果某个基因融合只发生在一些真核生物中，而不发生在其余的真核生物中，而另一个基因融合事件发生在其余的真核生物中，却不发生在拥有第一个融合基因的真核生物中，就可以把真核生物的发展从源头附近进行分类。

这样的融合基因还真的被找到了。一个是美国科学家Daniel V. Santi的实验室于1986年在寄生性原生生物利什曼虫（Leishmania tropica）中发现的，两个与胸腺嘧啶合成有关的酶，胸苷酸合成酶（Thymidylate synthase，TS）和二氢叶酸还原酶（Dihydrofolate reductase，DHFR）的融合。在原核生物中，这两个酶是由不同的基因编码的，胸苷酸合成酶把甲基四氢叶酸上的甲基转移到尿苷单磷酸（UMP）上，形成胸苷单磷酸（TMP），同时生成二氢叶酸，而二氢叶酸还原酶利用NADPH为氢原子供体，生成甲基四氢叶酸所需要的四氢叶酸，使甲基转移反应能够继续下去。但是在真核生物利什曼虫中，这两个基因却融合成为一个基因，其蛋白产物同时具有胸苷酸合成酶和二氢叶酸还原酶的活性，叫做TS-DHFR融合。另一个是日本科学家于2000年在寄生性真核生物锥形虫（Trypanosoma cruzi）中发现的3个基因的融合。在原核生物中，用谷氨酰胺为原料合成嘧啶需要6个步骤，其中的前3个步骤是分别由氨甲酰磷酸合成酶（carbamoyl phosphatesynthase）、天冬氨酸转氨甲酰酶（aspartate carbamoyltransferase）、和二氢乳酸酶（dihydroorotase）催化的。而在锥形虫中，这3个酶的基因却融合成为1个基因，以3个酶的第一个字母合在一起，叫做CAD基因。由于这个融合过程需要3个基因经过两次融合才能完成，更是一个概率极小的事件，是追踪真核生物的演化路线时一个非常有用的指标。

英国科学家汤玛斯·卡弗利尔-史密斯（ThomasCavalier-Smith，1942-）测定了植物、真菌、动物和不同门类的原生生物中TS和DHFR这两个基因融合的状况，发现陆生植物、绿藻、红藻和一些原生生物都有TS-DHFR融合基因，但是没有CAD融合基因，即氨甲酰磷酸合成酶、天冬氨酸转氨甲酰酶、和二氢乳酸酶的基因仍然像在原核生物中那样，单独存在；而真菌、动物以及原生生物中的变形虫门（Amoebazoa）和领鞭毛虫门（Choanozoa）中的生物有CAD融合基因，但是没有TS-DHFR融合基因。在这些结果的基础上，卡弗利尔-史密斯认为，真核生物可以分为两大类，一类具有TS-DHFR融合基因，但是没有CAD融合基因。由于这些真核生物，例如绿藻中的衣藻（Chlamydomonas）和低等植物的孢子和配子，有两根位于前方的鞭毛，被称为双鞭毛生物（bikont）。另一类具有CAD融合基因，但是没有TS-DHFR融合基因，这些生物，例如一些变形虫、领鞭毛虫（choanoflagellate）、真菌的游动孢子和动物的精子，只具有一根鞭毛，被称为单鞭毛生物（unikont）。

卡弗利尔-史密斯的分类方法在总体上也得到了其它实验室用不同的方法得出结果的支持。例如美国科学家Eugene V. Koonin的实验室使用稀有遗传物质变异（rare genomic changes，RGC）法，对具有代表性的真核生物：人（Homosapiens，动物), 线虫（Caenorhabditis elegans，动物), 果蝇（Drosophila melanogaster，动物),出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae，真菌), 裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe，真菌)、拟南芥（Arabidopsis thaliana，植物), 冈比亚疟蚊（Anopheles gambiae，动物), 恶性疟原虫（Plasmodium falciparum，原生生物)、领鞭毛虫（Monosiga brevicollis，原生生物，属于领鞭毛虫门）、盘基网柄菌（Dictyostelium discoideum，原生生物，属于变形虫门）等的716个高度保守的蛋白质的基因，488,157个氨基酸位点进行分析，把那些需要至少两个核苷酸变异才引起的氨基酸残基变异的位点（conserved amino acids-multiple substitutions，CAM）分析比较，并且用66种原核生物的基因组数据作为对照。用这种RGC-CAM分析法，Koonin等人发现，真菌的确与动物的关系更近，而和植物差异较大。变形虫门和领鞭毛虫门的原生生物也的确与动物有更近的亲缘关系，这些生物都在单鞭毛生物的范畴内。而植物、绿藻和红藻亲缘关系更近，在双鞭毛生物的范畴内。

这些事实表明，在真核生物形成的初期，还在单细胞的阶段，就已经分化出单鞭毛细胞（如领鞭毛虫）和双鞭毛细胞（如衣藻）这两类细胞了。单鞭毛细胞后来发展出真菌和多细胞动物，同时有些单鞭毛生物仍然以单细胞状态存在，包括变形虫门和领鞭毛虫门的生物。双鞭毛生物后来发展出藻类（绿藻和红藻）和陆生植物，同时也有一些继续以单细胞状态存在。尽管单细胞生物后来发展成为多细胞生物，但是单鞭毛和双鞭毛的基本特征仍然存在，例如人的精子就只有一根鞭毛。两大类生物各有特点，成为地球上彼此区别的两大类生物。

结合其它分类方法的结果，具有CAD融合基因的真核生物，即单鞭毛生物，其发展路线已经比较清楚并得到广泛承认：在单鞭毛生物中，鞭毛长在细胞的后方，通过鞭毛摆动“推”着细胞前进的生物叫做“后鞭毛生物”（Opisthokont）。多细胞生物中的动物和真菌，以及单细胞生物中领鞭毛虫门（Choanozoa）中的生物，都属于后鞭毛生物；变形虫门的原生生物要么没有鞭毛，要么有一根位于前方的鞭毛，是后鞭毛生物的姊妹生物群，与后鞭毛生物同属单鞭毛生物（unikont）。

为了进一步证明单细胞的后鞭毛生物和多细胞动物的关系，在2005年，英国科学家从20种生物中提取了DNA，并且测定了为以下四个蛋白编码基因的DNA序列：真核生物的转译延长因子（Eukaryotic translation elongation factor 1a ，简称EF-1a）、热休克蛋白70（Heatshock prtotein 70，简称HSP70）、肌动蛋白（actin）、b-微管蛋白（b-tubulin）。在比较这4个基因在不同生物中的序列差别之后，科学家发现，后鞭毛生物确实是一个独立的门类，包括单细胞的后鞭毛生物和多细胞的动物和真菌。例如在所有的后鞭毛生物中，EF-1a蛋白序列中都有一个12个氨基酸单位的插入，而双鞭毛生物则没有这个插入，这就更加证明单细胞的后鞭毛生物和多细胞动物确实有共同的祖先。

在双鞭毛生物中，绿藻、红藻和陆生植物的关系也很明确，Koonin等人甚至提出是原始的真核细胞俘获蓝细菌（cyanobacterium），将其变为叶绿体后，才将变为双鞭毛生物的。绿藻、红藻和陆生植物的叶绿体都只为两层膜包裹，说明这些叶绿体是“一手货”，是当初那个被俘获的蓝细菌的直接后代。但是属于囊泡藻门（chromalveolate）的褐藻（brown algae）的位置仍有争议。褐藻曾被卡弗利尔-史密斯归于双鞭毛生物，但是后来又被Koonin等人归于单鞭毛生物。褐藻的叶绿体被三层，甚至四层膜包裹，并且含有叶绿素a和c，而绿藻含有叶绿素a和b，红藻含有叶绿素a，但是没有叶绿素b，说明褐藻的叶绿体是另一个真核细胞吞下红藻而获得的，因此红藻的细胞膜、吞食体的膜，以及红藻叶绿体的两层膜都还存在，说明褐藻的叶绿体是“二手货”，褐藻有可能是双鞭毛的红藻被单鞭毛的原生生物吞下后形成的。原生生物中古虫门（Excavata）的位置也还不确定，它被卡弗利尔-史密斯归于双鞭毛生物，但是Koonin等人认为它可能属于单鞭毛生物。因此在原生生物中，双鞭毛生物之间的关系不如单鞭毛生物那样清楚，双鞭毛生物（bikont）这个词也较少被使用。

而且“单鞭毛”和“双鞭毛”的名称也容易引起误解，以为所有单鞭毛生物的细胞都具有一根鞭毛，所有双鞭毛生物的细胞都具有两根鞭毛。其实单鞭毛生物中变形虫门的生物，许多就没有鞭毛，只有锥足亚门（conosa）的变形虫有一根鞭毛。双鞭毛生物中的纤毛虫（ciliate）属于囊泡虫类（Alveolate），例如草履虫（Paramecium），却具有数百根用于游泳的鞭毛；低等裸子植物银杏（ginkgo）和苏铁（cycadale）的精子甚至有数千根鞭毛。因此，我们应该把单鞭毛生物理解为具有CAD融合基因共同祖先的生物，把双鞭毛生物理解为具有TS-DHFR融合基因的生物，而不要过分强调鞭毛数量。我们也不知道最初的那个真核细胞是单鞭毛的，双鞭毛的，还是没有鞭毛的。在目前，只有后鞭毛生物（Opisthokont）这个名称还被比较广泛地使用，因为绝大多数后鞭毛生物，包括领鞭毛虫门的生物和动物的细胞，都只具有一根鞭毛，而且是长在细胞后方的（单细胞的后鞭毛生物和动物的精子）。

动物的祖先是领鞭毛虫

既然单细胞的后鞭毛生物和多细胞动物属于同一大类的生物，有共同的祖先，多细胞动物就很可能是从单细胞的后鞭毛生物发展出来的。如果能够找出单细胞的后鞭毛生物和多细胞的动物之间更多的共同点，就有可能找出动物的单细胞祖先。科学家使用的方法，还是检查代表性生物的全部DNA序列，比较它们所拥有的基因。

在单细胞的后鞭毛生物中，领鞭毛虫门中的生物最引起科学家的注意。领鞭毛虫有一根长在后方的鞭毛，通过摆动推着细胞前进。在鞭毛的周围有一圈微绒毛（microvilli），像高领衣服上的高领，所以叫做领鞭毛虫，这一圈微纤毛也叫做领毛。领鞭毛虫以细菌为食，鞭毛的摆动带动水流，将细菌集中到领毛处，领毛之间有细丝相连，组成网状的“过滤器”，将细菌拦下，再加以吞食。领鞭毛虫和多细胞动物海绵内腔中的细胞极为相似，这些细胞也有一根鞭毛和围绕鞭毛的一圈领毛，所以叫领细胞。鞭毛的摆动使水流从海绵身体侧面的孔洞进入，从顶部开口流出，其中的细菌被领毛拦截，被领细胞吞食。研究证明，领鞭毛虫就是多细胞动物的祖先。

2008年，由美国多个研究机构和德国的科学家合作，测定了单细胞的单鞭毛生物领鞭毛虫门中领鞭毛虫纲（Choanoflagellate）中Monosiga brevicollis的全部DNA序列。2013年，美国科学家测定了领鞭毛虫纲中的另一个物种，“群体形成性领鞭毛虫”（Salpingoecarosetta，因其能够聚集形成群体）的全部DNA序列。也是在2013年，西班牙和美国的多家研究机构的科学家合作，发表了领鞭毛虫门，卷丝球虫纲中Capsasporaowcazarzaki的全部DNA序列。对这些DNA序列的分析得出了惊人的发现，大大超出科学家当初的预期。为了叙述简洁，下面我们用Mbre代表Monosiga brevicollis，用Sros代表Salpingoeca rosetta，用Cowc代表Capsasporaowcazarzaki。

要形成多细胞动物，需要细胞之间能够粘连。在多细胞动物中，这种粘连主要是通过钙粘蛋白（Cadherin）来实现的。科学家没有想到的是，钙粘蛋白的基因在以上三个物种的单细胞生物中都有发现。

动物的上皮细胞通过整连蛋白（Integrin）、纤连蛋白（Fibronectin）、和层粘连蛋白（Laminin）与细胞外由胶原蛋白（Collagen）组成的细胞外基质相连。而在Cowc和Mbre中，所有这四种类型的基因都已经出现。

有些转录因子（transcription factors，结合与基因启动子上的DNA特殊序列，控制基因开关的蛋白质）被认为是多细胞动物所特有的，例如p53、Myc、Sox/TCF，可是在Cowc和Mbre中，这些基因也已经存在。

更令人惊异的是，过去被认为是多细胞动物特有的信号传递链上的分子，蛋白质酪氨酸激酶（Protein tyrosine kinase，简称TK，在蛋白质分子中的酪氨酸残基上加上一个磷酸分子），在这些单细胞生物中被大量发现。在Mbre中，竟有128种酪氨酸激酶，比人类的酪氨酸激酶数量还多38种！与酪氨酸激酶配合作用的酪氨酸磷酸酶（Tyrosine phosphatase，把酪氨酸激酶加在酪氨酸残基上的磷酸分子去掉）在这些生物中也有发现。

最有趣的是群体形成性领鞭毛虫Sros。虽然它仍然是单细胞的生物，但是已经能够以5种细胞形态存在：慢游泳单细胞（领鞭毛虫的典型形态，包括鞭毛和领毛）、快游泳单细胞（领毛已经消失，只剩鞭毛，所以很像动物的精子）、通过杯形鞘壳附着在固体上（叫Thecate cells）、聚集成链的细胞、和聚集成玫瑰花座形（rosette）的细胞，这也是其名称Salpingoeca rosetta的由来。在Sros中，和多细胞动物器官形成有关的几个信号通路中的一些成分，以及使细胞出现极性的一些蛋白质成分已经出现。对Sros的基因分析表明，Wnt信号通路中的Wnt基因和连锁蛋白（Catenin）基因、刺猬蛋白（Hedgehog）信号通路中含有刺猬蛋白信号段的基因以及含有刺猬蛋白前体中负责肽链自我切断的部分的基因、骨形态蛋白（BMP）信号通路中的SMAD基因、转化生长因子（TGF）信号通路中的TGFb和TGFb受体基因、以及使细胞出现极性的Crumb复合物中为PATj蛋白编码的基因都已经出现。

以上事实说明，领鞭毛虫门的生物已经具有多细胞动物所需要的一些功能蛋白域，包括细胞间相互作用所需要的蛋白（钙粘蛋白、整连蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白）、细胞间信息传递（Notch信号通路、Wnt信号通路、骨形态蛋白信号通路、转化生长因子信号通路、受体酪氨酸激酶、酪氨酸磷酸酶等）、以及多细胞动物特有的转录因子（p53、Myc、Sox/TCF等）。这些蛋白功能域在其他原生生物中没有发现，而只存在于领鞭毛虫门的生物中，这是领鞭毛虫门的生物是多细胞动物祖先，他们同属后鞭毛生物最强有力的证据。

壶菌是最原始的真菌

        真菌和动物同属后鞭毛生物，而且都是异养生物，即都是依靠别的生物身上的有机物生活的，但是由于生活方式的不同，真菌与动物有完全不同的发展路线，身体构造也不同。动物的祖先，领鞭毛虫，就是细菌吞食者，它先将细菌吞进体内（虽然这个身体只有一个细胞），再用细胞内的溶酶体（相当于是细胞的“胃”）将其消化。多细胞的动物也继承了这一生活方式，首先把食物吞进体内，再进行体内消化，而且发展出了专门的消化器官胃。由于动物也由有机物组成，可以成为其他动物的食物，所以许多动物都有捕食和避免被捕食的任务，这就需要动物能够快速运动，由此发展出了适应这种需要的骨骼肌肉系统。为了及时了解猎物和捕猎者的状况，动物也发展出了灵敏的感觉系统，以及处理信息和控制肌肉的神经系统。由于身体变大对动物有好处（容易捕食比自己小的动物和更不容易被其它动物捕食），动物的身体一般都比较大，需要有循环系统把氧气和营养物送至全身。捕食者和被捕食者之间的斗争，也是动物演化的强大动力，不仅使动物的身体构造越来越复杂，还在神经系统的基础上发展出了感觉和智力，我们人类就是这种发展过程的最高峰。

与此相反，真菌的祖先很可能就不是靠吞食获得营养的，而是直接吸收环境中的有机物，或者分泌消化液，把其它生物（活的或者死亡的）的有机物降解，再吸收降解的产物，因此真菌获得有机物的方式是不需吞食的外消化，与动物必须吞食的内消化不同。这也没有什么可奇怪的，因为许多原核生物就能够通过外消化获得营养，真菌不过是继承了这种比较原始的生活方式而已。由于不需吞食，真菌没有为运动所需要的骨骼肌肉系统，也不需要快速处理复杂外界信息的神经系统。为了最有效地吸收营养，真菌的身体必须尽可能多地与死去的生物接触（腐生），菌丝就是适应这种需要发展出来的有效结构，许多真菌的身体都由菌丝组成，只有在需要传播孢子时，才形成比较大的子实体（例如蘑菇）。由于传播孢子只需子实体突出地表几厘米即可，所以即使真菌的子实体也不会很大。有的真菌进入别的生物的内部，直接获取营养（寄生），身体大了反而不方便，所以这些寄生真菌的身体更小，到肉眼看不见的程度。而且由于真菌身体较小，菌丝直接与食物接触，也不需要循环系统。真菌的这种生活方式决定了真菌的身体构造一直停留在比较简单的水平上，而且由于许多真菌转到陆上生活，孢子可以在无水环境中远距离传播，比需要水环境的游动孢子更有效，许多真菌都失去了鞭毛。由于这些原因，真菌的基因组很小，一般只有3千万到4千万碱基对。

真菌的化石（球囊菌Glomeromycota）出现在4亿6千万年前，子囊菌中（Ascomycota）中的Pezizomycotina devonicus 的化石有约4亿年的历史，说明真菌在地球上估计至少有5亿年以上的历史。在真菌形成后的数亿年时期中，动物和植物也有大的发展（寒武纪生命大爆发发生在大约5亿3千万年前），许多真菌也随着动物和植物的演化发展出适应新环境的生活方式，成为植物和动物的寄生者，现在的真菌已经动物和植物建立了密切的关系，使得真菌的身体既相对简单又变化多样，最初形成真菌的真核生物物种早已消失，使得寻找真菌祖先的任务非常困难。

在现存的真菌中，壶菌（Chytridiomycota）的游动孢子（zoospores）还有一根长在后方的鞭毛，说明它是比较原始的真菌，基因分析也证明了这一点。壶菌是寄生性的，土壤中的壶菌寄生在许多维管植物（有输送水分的导管和输送营养的筛管的植物，包括蕨类植物、裸子植物和被子植物）的根上，唯一寄生在脊椎动物上的壶菌是蛙壶菌（Batrachochytrium dendrobatidis），可以使青蛙大批死亡。由于维管植物和脊椎动物都是比较高级的真核生物，壶菌这种原始的真菌寄生在这些比较高级的生物上的事实说明，目前的原始真菌已经不是它们最初形成时的状态。这使得真菌难以像动物一样，通过现在还存在的领鞭毛虫找到他们的祖先。

植物的祖先是绿藻中的双星藻

陆生植物，包括苔藓植物、蕨类植物和种子植物，是从在水中生活，拥有叶绿体，能够进行光合作用的藻类进化而来的。比较陆生植物和绿藻、红藻和褐藻的一些特性，可以得知陆生植物是从藻类中的绿藻上陆进化而来的。陆生植物和绿藻细胞的细胞壁都由纤维素组成，而红藻细胞的细胞壁除了纤维素外，还含有硫酸化藻胶（sulphated phycocolloid），褐藻细胞的细胞壁则含有纤维素和藻胶（未硫酸化的phycocolloid）。陆生植物和绿藻都以淀粉为储存的食物，其中葡萄糖以b-1,4键彼此相连，而红藻的储存食物为红藻淀粉（floridean starch），其中葡萄糖单位以a-1,4键相连，褐藻的储存食物则为海藻多糖（laminarin），其中葡萄糖单位以b-1,3键彼此相连。

绿藻主要分为两大类：绿藻纲（chlorophyte）和轮藻纲（charophyte）。绿藻纲包括大多数绿藻，例如单细胞的衣藻（Chlamydomonas）和团藻（Volvox）就属于绿藻纲。轮藻纲植物的数量较少，水绵（Spirogyra）和轮藻（Chara）就属于轮藻纲。为了弄清陆生植物是从哪种绿藻进化而来，科学家也采取了比较基因特征性变化的方法，例如比较叶绿体中基因的特殊结构。研究发现，轮藻叶绿体基因和陆生植物基因有共同的结构特点，例如tufA基因都从叶绿体中转移到细胞核中去；叶绿体中丙氨酸和异亮氨酸的转移tRNA（tRNA^Ala和tRNA^Ile）基因中有内含子（intron）插入，而在绿藻纲中没有发现。这些事实表明，轮藻纲中的一些藻类是陆生植物的祖先。

轮藻纲的藻类又分为6个目：对鞭毛藻目（Mesostigmatales）、绿叠球藻目（Chlorokybales）、克里藻目（Klebsormidiales）、轮藻目（Charophyceae）、鞘毛藻目（Coleochaetales）和双星藻目（Zygmematales）。从形态上看，轮藻目藻类的结构较为复杂，与陆生植物相近，曾经被认为是陆生植物可能的祖先。但是在2014年，多国科学家，包括美国、加拿大、德国、法国、西班牙、中国的科学家合作，测定了92种植物，其中包括18种轮藻纲的植物中的842个单拷贝基因所表达的mRNA的序列，发现双星藻目植物的基因和陆生植物的基因最为相似，因此双星藻目中的某种藻类应该是陆生植物的祖先。

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用TS-DHFR融合基因和CAD融合基因作为标志物，把真核生物分为单鞭毛生物和双鞭毛生物两大类，各有自己的共同祖先，并且在此基础上对各种真核生物进一步分类，并且找出植物和动物的祖先，是真核生物演化过程研究中的重大进展。虽然对原生生物的分类还存在许多问题，但是动物和植物的起源已经比较清楚。

在多细胞动物中，领鞭毛虫的鞭毛和领毛不仅被保留，而且被“发扬光大”，功能大大扩展，在细胞运动、信息接收（触觉、味觉、嗅觉、听觉、视觉、自体感觉）、胚胎发育、组织形成上都起不可缺少的作用。我们将在文章的第二部分介绍这些内容。