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朱欽士，四川省成都市人。1968年畢業(yè)于北京大學(xué)生物學(xué)系生物化學(xué)專業(yè)。1984年獲得荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)生物化學(xué)博士學(xué)位。1984年至1986年在中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所酶學(xué)和生物能學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作，同時(shí)任碩士研究生導(dǎo)師。1986年到美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)系做博士后研究。1987年到1991年在洛杉磯兒童醫(yī)院從事基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究。1991年至2009年在美國(guó)南加州大學(xué)從事研究工作。退休前為南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)和分子生物學(xué)系副教授。
研究領(lǐng)域包括生物能，酶的結(jié)構(gòu)和功能，蛋白質(zhì)的合成與轉(zhuǎn)運(yùn)，癌癥與染色體，神經(jīng)遞質(zhì)，基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制，以及肝臟解毒系統(tǒng)。
為什么說人屬于“單鞭毛生物”？
朱欽士
2015年10月08日地球上的生物有170多萬種，可以分為各種類型的生物。從細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以分為原核生物（prokaruotes，即沒有細(xì)胞核的生物）和真核生物（Eukaruotes，具有細(xì)胞核的生物）兩大類。原核生物包括古菌（Archaea）和細(xì)菌（Bacteria）；真核生物包括植物（Plant）、動(dòng)物（Animal）和真菌（Fungus）。每類生物都可以進(jìn)一步分類，例如植物可以分為藻類植物、苔蘚類植物、蕨類植物、種子植物等。動(dòng)物可以分為無脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物，其中脊椎動(dòng)物又可以分為魚類、兩棲類、爬行類、鳥類和哺乳類。我們?nèi)祟惥褪莿?dòng)物中的哺乳類動(dòng)物。除了這種分類方法，是不是還有其他分類法呢？
1987年，英國(guó)科學(xué)家湯瑪斯 卡弗利爾-史密斯（Thomas Cavalier-Smith，1942-）提出，真核生物還可以根據(jù)鞭毛的數(shù)量來分類。例如有一根鞭毛的和有兩根鞭毛的生物就不是同類。這里說的鞭毛，是指真核生物的鞭毛，成分和結(jié)構(gòu)和原核生物的鞭毛不同。例如單細(xì)胞的衣藻（Chlamydomonas，一種綠藻）有兩根鞭毛，植物的孢子和配子也是雙鞭毛的，而且這些鞭毛都長(zhǎng)在細(xì)胞的前端，即細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的方向。與此相反，動(dòng)物的精子（包括人類的精子）、真菌的游動(dòng)孢子、以及一些單細(xì)胞生物如領(lǐng)鞭毛蟲（Choanoflagellate）則只有一根鞭毛，而且長(zhǎng)在細(xì)胞的后方，通過擺動(dòng)“推”著細(xì)胞前進(jìn)，它們和植物應(yīng)該不是同一類生物。從這個(gè)事實(shí)出發(fā)，地球上所有的真核生物可以被分為兩個(gè)大類：?jiǎn)伪廾铮║nikonta）和雙鞭毛生物（Bikonta）。它們各自都包括單細(xì)胞生物和多細(xì)胞生物，所以是很大的門類。例如單鞭毛生物就包括多細(xì)胞的動(dòng)物和真菌，以及單細(xì)胞的原生動(dòng)物如領(lǐng)鞭毛蟲，也就是包括所有的動(dòng)物和真菌。而雙鞭毛生物則包括植物界中所有的生物，包括藻類和陸生植物。
不過單憑鞭毛的數(shù)量來給生物分類，理由好像不那么充足。要是有些生物后來丟掉了一些鞭毛呢？剛毛藻（Cladophora，也是綠藻的一種）的配子像衣藻一樣，有兩根鞭毛，而孢子卻有四根鞭毛。僅憑一根鞭毛就把一些單細(xì)胞生物、真菌和多細(xì)胞動(dòng)物分為一類也讓人疑惑：真菌的菌絲不運(yùn)動(dòng)，而且能夠從頂端伸長(zhǎng)，不是更像植物嗎？怎么和動(dòng)物弄到一起去了？?jī)H憑有些單細(xì)胞生物只有一根鞭毛，就和多細(xì)胞的動(dòng)物歸為一類，能夠使人信服嗎？這樣做，相當(dāng)于把所有的真核生物縱向切成兩大塊，分別是單鞭毛生物和雙鞭毛生物，每一塊都包含了最簡(jiǎn)單的到最高級(jí)的生物，這遠(yuǎn)比傳統(tǒng)分類中的“門”（Phylum），甚至“界”（Kingdom）還要大，這樣的生物塊是不是太大了？它們真的存在嗎？
但是科學(xué)研究的結(jié)果卻表明，Cavalier-Smith的想法是有道理的，證據(jù)就是生物進(jìn)化過程中一些分子的特征性變化。如果一些生物具有這種特征性變化，而其他生物沒有這種變化，具有這種特征性變化的生物就應(yīng)該來自共同的祖先，屬于同門類的生物。例如在原核生物中，有三個(gè)與嘧啶（DNA的組成成分之一）合成有關(guān)的酶，分別是氨甲酰磷酸合成酶（carbamoyl phosphate synthase）、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（aspartate carbamoyltransferase）、和二氫乳酸酶（dihydroorotase）。這三個(gè)酶各有為自己編碼的基因，在細(xì)胞中分別合成。這三個(gè)酶彼此協(xié)作，用谷氨酰胺為原料合成嘧啶。真核生物是從原核生物進(jìn)化而來的，在真核生物中，這三個(gè)酶的情況又如何呢？在單鞭毛生物中，無論是單細(xì)胞單鞭毛生物的還是多細(xì)胞的動(dòng)物和真菌，這三個(gè)功能彼此聯(lián)系的酶都融合在一起，成為單一的多功能酶，即一個(gè)蛋白分子具有三種酶的活性。這就需要為這三個(gè)酶編碼的基因也融合在一起，成為一個(gè)基因。由于這個(gè)轉(zhuǎn)化過程需要三個(gè)基因經(jīng)過兩次融合才能成為一個(gè)基因，是一個(gè)概率非常低的事件，很難發(fā)生兩次，所以是追蹤生物進(jìn)化路線有用的標(biāo)記，這個(gè)融合基因也就以三個(gè)酶的頭一個(gè)字母合在一起叫CAD基因。所有的單鞭毛生物都有這個(gè)CAD基因，即擁有融合的酶；而在雙鞭毛生物，包括一些高級(jí)多細(xì)胞生物如植物中，這種融合并沒有發(fā)生，三個(gè)基因仍然各自表達(dá)。這個(gè)事實(shí)說明，所有具有CAD融合基因的生物（即單鞭毛生物，不管是單細(xì)胞的還是多細(xì)胞的）應(yīng)該來自共同的祖先，和雙鞭毛生物是不同類別的生物。
另一方面，植物中兩個(gè)與胸腺嘧啶合成有關(guān)的酶，胸苷酸合成酶（Thymidylate synthase）和二氫葉酸還原酶（Dihydrofolate reductase）彼此融合在一起，而這種融合在任何單鞭毛生物中都未曾發(fā)生過，這說明雙鞭毛生物也有自己共同的祖先。從這些事實(shí)出發(fā)，把有一根鞭毛的生物與有兩根鞭毛的生物區(qū)分開，各自歸為一大類是有道理的。
在單鞭毛生物中，鞭毛長(zhǎng)在細(xì)胞的后面的生物叫作“后鞭毛生物”（Opisthokont）。多細(xì)胞生物中的動(dòng)物和真菌，以及單細(xì)胞生物中“領(lǐng)鞭毛蟲”門（Choanozoa）和“中粘菌門”（Mesomycetozoa）中的生物，都屬于后鞭毛生物。為了進(jìn)一步證明單細(xì)胞的后鞭毛生物和多細(xì)胞動(dòng)物的關(guān)系，在2005年，英國(guó)的科學(xué)家從20種生物中提取了DNA，并且測(cè)定了為以下四個(gè)蛋白編碼基因的DNA序列：真核生物的轉(zhuǎn)譯延長(zhǎng)因子（Eukaryotic translation elongation factor 1a ，簡(jiǎn)稱EF-1a）、熱休克蛋白70（Heat shock prtotein 70，簡(jiǎn)稱HSP70）、肌動(dòng)蛋白（actin）、beta-微管蛋白（beta-tubulin）。在比較這4個(gè)基因在不同動(dòng)物中的序列差別之后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，后鞭毛生物確實(shí)是一個(gè)獨(dú)立的門類，包括單細(xì)胞的后鞭毛生物和多細(xì)胞的動(dòng)物和真菌。例如在所有的后鞭毛生物中，EF-1a蛋白序列中都有一個(gè)12個(gè)氨基酸單位的插入，而雙鞭毛生物則沒有這個(gè)插入，這就更加證明單細(xì)胞的后鞭毛生物和多細(xì)胞動(dòng)物確實(shí)有共同的祖先。
這些事實(shí)都表明，在真核生物形成的初期，還在單細(xì)胞的階段，就已經(jīng)分化出單鞭毛細(xì)胞（如領(lǐng)鞭毛蟲）和雙鞭毛細(xì)胞（如衣藻）這兩類細(xì)胞了。單鞭毛細(xì)胞后來發(fā)展成為真菌和多細(xì)胞動(dòng)物，同時(shí)有些單鞭毛生物仍然以單細(xì)胞狀態(tài)存在。雙鞭毛生物后來發(fā)展成為藻類和陸生植物，同時(shí)也有一些繼續(xù)以單細(xì)胞狀態(tài)存在。盡管單細(xì)胞生物后來發(fā)展成為多細(xì)胞生物，但是單鞭毛和雙鞭毛的基本特征仍然存在。兩大類生物各有特點(diǎn)，成為地球上彼此區(qū)別的兩大類生物。
既然單細(xì)胞的后鞭毛生物和多細(xì)胞動(dòng)物屬于同一大類的生物，有共同的祖先，多細(xì)胞動(dòng)物就很可能是從單細(xì)胞的后鞭毛生物發(fā)展出來的。如果能夠找出單細(xì)胞的后鞭毛生物和多細(xì)胞的動(dòng)物更多的共同點(diǎn)，就可以進(jìn)一步證明他們同屬單鞭毛生物?？茖W(xué)家使用的方法，還是檢查代表性生物的全部DNA序列，比較它們所擁有的基因。
2008年，由美國(guó)多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和德國(guó)的科學(xué)家合作，測(cè)定了單細(xì)胞的單鞭毛生物領(lǐng)鞭毛蟲門中領(lǐng)鞭毛蟲綱（Choanoflagellate）中Monosiga brevicollis的全部DNA序列。2013年，美國(guó)科學(xué)家測(cè)定了領(lǐng)鞭毛蟲綱中的另一個(gè)物種，“群體形成性領(lǐng)鞭毛蟲”（Salpingoeca rosetta，因其能夠聚集形成群體）的全部DNA序列。也是在2013年，西班牙和美國(guó)的多家研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家合作，發(fā)表了領(lǐng)鞭毛蟲門，卷絲球蟲綱中Capsaspora owcazarzaki的全部DNA序列。對(duì)這些DNA序列的分析得出了驚人的發(fā)現(xiàn)，大大超出科學(xué)家當(dāng)初的預(yù)期。為了敘述簡(jiǎn)潔，下面我們用Mbre代表Monosiga brevicollis，用Sros代表Salpingoeca rosetta ，用Cowc代表Capsaspora owcazarzaki。
要形成多細(xì)胞動(dòng)物，需要細(xì)胞之間能夠粘連。在多細(xì)胞動(dòng)物中，這種粘連主要是通過鈣粘蛋白（Cadherin）來實(shí)現(xiàn)的。科學(xué)家沒有想到的是，鈣粘蛋白的基因在以上三個(gè)物種的單細(xì)胞生物中都有發(fā)現(xiàn)。
動(dòng)物的上皮細(xì)胞通過“整連蛋白”（Integrin）、纖連蛋白（Fibronectin）、和層粘連蛋白（Laminin）與細(xì)胞外由膠原蛋白（Collagen）組成的細(xì)胞外基質(zhì)相連。而在Cowc和Mbre中，所有這四種類型的基因都已經(jīng)出現(xiàn)。
有些轉(zhuǎn)錄因子（transcription factors，結(jié)合與基因啟動(dòng)子上的DNA特殊序列，控制基因開關(guān)的蛋白質(zhì)）被認(rèn)為是多細(xì)胞動(dòng)物所特有的，例如p53、Myc、Sox/TCF，可是在Cowc和Mbre中，這些基因也已經(jīng)存在。
更令人驚異的是，過去被認(rèn)為是多細(xì)胞動(dòng)物特有的信號(hào)傳遞鏈上的分子，蛋白質(zhì)酪氨酸激酶（Protein tyrosine kinase，簡(jiǎn)稱TK，在蛋白質(zhì)分子中的酪氨酸殘基上加上一個(gè)磷酸分子），在這些單細(xì)胞生物中被大量發(fā)現(xiàn)。在Mbre中，竟有128種酪氨酸激酶，比人類的酪氨酸激酶數(shù)量還多38種！與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殘基上的磷酸分子去掉）在這些生物中也有發(fā)現(xiàn)。
最有趣的是群體形成性領(lǐng)鞭毛蟲Sros。雖然它仍然是單細(xì)胞的生物，但是已經(jīng)能夠以5種細(xì)胞形態(tài)存在：慢游泳單細(xì)胞（領(lǐng)鞭毛蟲的典型形態(tài)，包括鞭毛和領(lǐng)毛）、快游泳單細(xì)胞（領(lǐng)毛已經(jīng)消失，只剩鞭毛）、通過杯形鞘殼附著在固體上（叫Thecate cells），聚集成鏈的細(xì)胞，和聚集成玫瑰花座形（rosette）的細(xì)胞，這也是其名稱Salpingoeca rosetta的由來。在Sros中，和多細(xì)胞動(dòng)物器官形成有關(guān)的幾個(gè)信號(hào)通路中的一些成分，以及使細(xì)胞出現(xiàn)極性的一些蛋白質(zhì)成分已經(jīng)出現(xiàn)。對(duì)Sros的基因分析表明，Wnt信號(hào)通路中的Wnt基因和連鎖蛋白（Catenin）基因、刺猬蛋白（Hedgehog）信號(hào)通路中含有刺猬蛋白信號(hào)段的基因以及含有刺猬蛋白前體中負(fù)責(zé)肽鏈自我切斷的部分的基因、骨形態(tài)蛋白（BMP）信號(hào)通路中的SMAD基因、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子（TGF）信號(hào)通路中的TGFb和TGFb受體基因、以及使細(xì)胞出現(xiàn)極性的Crumb復(fù)合物中為PATj蛋白編碼的基因都已經(jīng)出現(xiàn)。
以上事實(shí)說明，領(lǐng)鞭毛蟲門的生物已經(jīng)具有多細(xì)胞動(dòng)物所需要的一些功能蛋白域，包括細(xì)胞間相互作用所需要的蛋白（鈣粘蛋白、整連蛋白、纖連蛋白、層粘連蛋白、Notch信號(hào)通路）、細(xì)胞間信息傳遞（Wnt信號(hào)通路、骨形態(tài)蛋白信號(hào)通路、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子信號(hào)通路、受體酪氨酸激酶、酪氨酸磷酸酶等）、以及多細(xì)胞動(dòng)物特有的轉(zhuǎn)錄因子（p53、Myc、Sox/TCF等）。這些蛋白功能域在其他單細(xì)胞生物中沒有發(fā)現(xiàn)，而只存在于領(lǐng)鞭毛蟲門的生物中，這是領(lǐng)鞭毛蟲門的生物是多細(xì)胞動(dòng)物祖先，他們同屬單鞭毛生物最強(qiáng)有力的證據(jù)。
從具有領(lǐng)毛，單細(xì)胞的領(lǐng)鞭毛蟲到細(xì)胞沒有領(lǐng)毛也沒有鞭毛的人，其間經(jīng)過了十幾億年的發(fā)展歷程，模樣也發(fā)生了翻天覆地的變化，但是人類精子后面那根鞭毛，卻表明我們身體里面的細(xì)胞雖然已經(jīng)沒有鞭毛，但是我們的單細(xì)胞祖宗當(dāng)初為長(zhǎng)出鞭毛的基因仍然存在于我們的DNA中，一有需要（精子形成時(shí)）又可以把鞭毛長(zhǎng)回來，證明我們是單細(xì)胞后鞭毛生物的后代。這就像小說《西游記》中的孫悟空，在被二郎神追趕時(shí)變成一座廟，想逃過二郎神的眼睛，不過他的尾巴沒有地方放，只能變成一根旗桿，豎在廟的后方?？墒悄睦镉衅鞐U豎在廟后方的道理呢？二郎神據(jù)此判斷出這個(gè)廟是孫悟空變的，先去搗孫悟空的眼睛（廟門兩邊的兩個(gè)圓窗戶），迫使孫悟空變回原形。人類精子后面那根鞭毛，就是暴露我們是后鞭毛生物后代的“旗桿”。
而且群體形成性領(lǐng)鞭毛蟲就已經(jīng)能夠變成沒有領(lǐng)毛，只有鞭毛的形式，模樣和人類的精子非常相似。最簡(jiǎn)單的和最復(fù)雜的后鞭毛生物，在生命的一些階段中竟然還能以同樣的模樣出現(xiàn)，不得不讓人驚嘆生物進(jìn)化過程的精妙。