进化生物学家面临着一项挑战，这项挑战与研究古代人类历史的挑战非常相似：找回已经消失的联系。生活在偏远波利尼西亚地区的人们，很可能不像树木那样从岛屿土壤中生根发芽——他们必定是从某个地方来的。追溯他们与外部祖先的联系并非易事，部分原因是这些岛屿被数百英里浩瀚的海洋所环绕。然而，这并非不可能：对他们的文化、语言和 DNA 的研究都表明，波利尼西亚人最初是从东南亚出发的。我们可能永远无法找回载着人们穿越数千英里到达太平洋中部的那段完整的历史，但我们可以了解其中的一些情况，并且可以确信有些事情是绝对不可能发生的（比如从地面生长的理论）。
鲸鱼与波利尼西亚人有很多相似之处。所有现存的鲸鱼种类看起来都很相似，并且与其他动物非常不同。它们都有水平的尾鳍、喷气孔，以及光滑无鳞或无毛的皮肤。达尔文认为，鲸鱼并非直接在海洋中以现在的形态被创造出来，而是从适应海洋生活的陆地哺乳动物进化而来的。他指出，鲸鱼与陆地哺乳动物有一些共同特征，例如哺乳和胎盘。它们的喷气孔连接着一套非常类似于陆地哺乳动物的肺部，而与鱼类的鳃完全不同。
达尔文的这个论点让不少人感到震惊。鲸鱼似乎太过特殊，太过独特，不可能通过微小的步骤从四足祖先进化而来。而创造论者喜欢指出这种转变有多么不可能——堪比将一头牛变成一条鲨鱼。他们还喜欢指出，从未发现过过渡化石。但正如我在我的书《水之边缘》中所写的那样，古生物学家在 20 世纪 80 年代开始发现这些化石。如今，鲸鱼从陆地到海洋的转变过程得到了非常详尽的记录。古生物学家已经发现了像 4500 万年前的“行走鲸”（由才华横溢的艺术家卡尔·布埃尔重建）这样的完整骨骼。这种转变并非某种突然的巨变，而是数百万年来一系列渐进式的变化，包括腿的缩小、尾巴的延长、髋部的松动和鼻子的迁移。
在未来的一个世纪里，我预计化石将帮助科学家们重建其他重大的转变。但他们也将开始重建其他一些未在岩石中留下记录的转变。一个引人入胜的例子是发表在《美国国家科学院院刊》在线版上的研究。宾夕法尼亚州立大学的 Jan Klein 和 Nikolas Nikolaidis 绘制了一张粗略的图谱，描绘了免疫系统的进化历程。
我们的免疫系统就像鲸鱼的身体一样令人惊叹——就其组成部分的复杂性和各部分协同工作的良好程度而言。它能抵御病毒、细菌、绦虫甚至癌细胞，同时通常能避免自身组织受到其毁灭性的攻击。所有动物都拥有基础的免疫系统，但 Klein 和 Nikolaidis 专注于仅在脊椎动物中发现的第二个系统。只有我们脊椎动物拥有能够学习的免疫系统。
这个学习系统是一个由细胞、信号和毒素组成的网络。其中最重要的细胞是 T 细胞和 B 细胞。它们起源于骨髓，尽管 T 细胞必须在胸腺（心脏附近的一个器官）完成发育。这些细胞在许多方面都很不寻常，其中最重要的是它们在细胞表面产生的一些受体。这些细胞拥有一套特殊的工具，可以切割受体基因并将它们重新排列粘贴，从而使基因产生具有新形状的受体。根据其形状，受体可以抓住特定的分子。这些分子可能来自细菌毒素，或者它们会包裹神经或肌肉细胞。我们的身体通常可以清除对自身组织具有亲和力的免疫细胞。如果不能，我们就会患上自身免疫性疾病，如肌营养不良。
存活下来的 B 细胞和 T 细胞通过一种叫做巨噬细胞的免疫细胞接触入侵病原体（抗原）的分子。巨噬细胞吞噬细菌或被病毒感染的细胞，然后将受害者的部分分子展示在细胞表面。它们会迁移到淋巴结，展示它们的“战利品”。如果 T 细胞或 B 细胞碰到其中一个巨噬细胞，它们的受体可能与抗原非常契合。这种契合会向它们的 DNA 发送信号，触发它们进行增殖。它们产生的一些细胞会重新切割和粘贴受体，形成新的形状，其中一些形状能更好地契合抗原。这些“优胜者”将获得更多的繁殖机会。换句话说，我们的免疫系统使用自然选择的一个版本来精细调整它们对病原体的识别。
这些 B 细胞和 T 细胞随后可以抵御疾病。T 细胞可以摧毁被病原体感染的细胞，因为人体大多数细胞都有可以用来展示抗原的受体。在其他情况下，它们可以促使巨噬细胞进入疯狂的杀戮模式。或者它们可以促使 B 细胞产生抗体。B 细胞将抗体喷洒到我们的身体中，当它们接触到特定的病原体时，它们可能会钻入病原体，阻止其入侵细胞，或标记病原体，使其成为巨噬细胞攻击的更容易的目标。一些能够识别病原体的 B 细胞和 T 细胞会“旁观”战斗。如果我们多年后再次暴露于同一种疾病，这些记忆细胞可以迅速行动，以至于新的感染甚至不会让我们生病。
您可以在人类、信天翁、响尾蛇、牛蛙以及所有其他陆地脊椎动物身上找到这个同样非凡的系统。您也可以在大多数鱼类中找到它，从鲑鱼到锤头鲨再到海马。不同物种之间存在一些差异，但它们都拥有 B 细胞、T 细胞、抗体、胸腺以及其他关键组成部分。但您在甲虫、蚯蚓、蜻蜓或陆地上的任何其他无脊椎动物身上都找不到它。您也不会在海星、鱿鱼、龙虾或七鳃鳗等水生无脊椎动物身上找到它。所有这些其他动物都依赖于基础的、无法学习的免疫系统。
对于那些拒绝进化论的人来说，这种模式什么也说明不了。就像自然界中的其他事物一样，他们只能挥挥手，称之为设计师（根据他们当时的喜好，大写或小写的 d）无法理解的作品。但免疫学家和其他真正想了解免疫系统的科学家发现这种观点毫无用处。相反，他们关注拥有抗体免疫系统的动物是如何相互关联的。他们发现的结果既简单又令人震惊。所有现存的拥有抗体免疫系统的动物都源于一个共同的祖先，而那个共同祖先的后代没有一个缺乏它。这意味着抗体免疫系统进化于大约 4.7 亿年前的某一个时刻。
我需要回溯生命史几亿年，来解释科学家们是如何知道这一点的。化石和基因的研究都一致认为，我们所称的所有动物（包括海绵和水母）都共享一个植物、真菌或其他主要生物群没有的共同祖先。确切地说，这位祖先生活在何时是一个激烈的争论话题，但最近的一个估计将其日期定在大约 6.5 亿年前。这位祖先可能拥有一个简单的免疫系统，因为从海绵开始，所有动物至少都有某种形式的防御病原体的方法。在接下来的大约 1 亿年里，主要的动物类群相互分化，虽然有些分支进化出了自己的新防御机制，但抗体免疫系统只出现在我们自己的分支——脊椎动物中。
至少在 5.3 亿年前，就存在着一些拥有脊椎动物部分但并非全部关键特征（如头部和大脑）的动物。这些早期分支仅存的活化石是盲鳗。后来，我们的祖先也进化出了脊柱，成为了真正的脊椎动物。七鳃鳗代表了脊椎动物进化最古老的分支，可能在 5 亿年前与我们分道扬镳。它们缺乏许多其他脊椎动物拥有的特征——最明显的是颌骨。在大约 5 亿到 3.6 亿年前，许多其他奇怪的无颌脊椎动物生活在海洋中，但除了七鳃鳗，它们都已消失。其中一个分支在大约 4.7 亿年前演变成了有颌鱼类——即有颌类。有颌类后来演变成了鲨鱼和其他“软骨”鱼类，以及辐鳍鱼类和陆地脊椎动物。
你可能已经猜到了这个历史的关键之处。七鳃鳗和无脊椎动物没有抗体免疫系统。鲨鱼、辐鳍鱼类和陆地脊椎动物则有。鲨鱼、辐鳍鱼类和陆地脊椎动物都共享一个七鳃鳗或其他无脊椎动物没有的共同祖先。解释这种巧合最简单的方法是得出结论：抗体免疫系统是在七鳃鳗从我们自己的谱系中分化出来之后，但在鲨鱼和其他现存有颌类开始分化之前进化的。*我们无法挖掘出抗体化石，但我们可以知道它们是什么时候进化的。*
科学家们有时将从基础免疫系统到抗体免疫系统的转变视为一次伟大的飞跃。七鳃鳗没有抗体、B 细胞、T 细胞、胸腺或其他组成部分，而所有有颌类都有。一些创造论者甚至试图以此作为反对进化的论据，声称像适应性免疫系统这样复杂的东西不可能逐渐出现。但要记住，将近数千万年的进化将我们与七鳃鳗的共同祖先以及最早的有颌类隔开。在他们新发表的论文中，Klein 和 Nikolaidis 认为，抗体免疫系统的进化很像鲸鱼的进化：一个渐进的、逐步的过程。
抗体免疫系统的绝大多数组成部分实际上在有颌类进化之前很久就已经存在了。例如，七鳃鳗没有胸腺，但它们确实拥有构成胸腺的结构和细胞类型。在有颌类中，胸腺是通过细胞以特定顺序开启特殊基因而发育的。七鳃鳗和其他许多动物一样拥有这些基因。它们没有制造胸腺，而是制造了其他结构，如眼睛和鳃弓。只需改变决定这些基因何时何地激活的开关，就可以产生新的器官。
B 细胞和 T 细胞被称为淋巴细胞。七鳃鳗没有淋巴细胞，但 Klein 和 Nikolaidis 指出，它们确实拥有“淋巴细胞样细胞”。（上图显示了这些细胞的样子。）淋巴细胞样细胞的发育方式与淋巴细胞相似，受控于许多与控制淋巴细胞发育相同的基因。一旦成熟，这些细胞在结构和化学性质上几乎与淋巴细胞相同——但它们不产生 B 细胞和 T 细胞的抗体和受体。它们在七鳃鳗中的确切作用尚不清楚。
至于那些受体和抗体呢？Klein 和 Nikolaidis 指出，它们并不像乍看起来那样新颖。它们是由简单蛋白质的积木以不同方式排列而成。而且，您猜怎么着——许多这些更简单的蛋白质存在于七鳃鳗和无脊椎动物中，在那里它们发挥着其他功能。许多 B 细胞和 T 细胞用来相互交流的蛋白质也是如此。其他蛋白质则由有颌类特有的基因产生，但这些基因与存在于其他动物中的整个基因家族有着亲缘关系。最可能的解释是，一个祖先基因偶然发生了复制，后来其中一个副本被“招募”到了正在进化的免疫系统中。
Klein 和 Nikolaidis 指出，当抗体免疫系统出现时，确实出现了一些全新的东西。但某样东西是新的，并不意味着它不可能进化。最容易理解的新特征的例子是剪切和粘贴机制，它允许 B 细胞和 T 细胞将它们的受体混合成新的形状。科学家们多年来一直在研究它的进化，但就在上周，约翰霍普金斯大学的一些科学家在《自然》杂志上发表了一篇论文，将这一过程清晰地呈现在世人面前。我们的基因组中充斥着病毒样序列，称为转座子，它们产生酶，其唯一功能是复制转座 DNA 并将其副本插入到我们基因组的其他位置。在一些情况下，这些转座子已经从“害虫”变成了“助手”，在我们的细胞中执行重要功能。负责剪切和粘贴免疫细胞受体的基因与其他动物的转座子有明显的相似之处。因此，一种新的剪切和粘贴机制的进化，实际上就是对一种“内置病毒”的驯化。
我想创造论者可能会声称，这些组成部分绝不可能组合成一个抗体免疫系统。但这种笼统的否定背后没有任何证据，只是一种个人的不相信感。这些人仍然不得不面对这样一个事实：生命进化树以及脊椎动物和其他动物的生物化学都与这个系统的渐进式进化相符。这一切都必须是一场壮观的巧合，或者可能是设计者有意为之的欺骗。谁知道呢。真的有人在乎吗？（除了某些宾夕法尼亚州的参议员。）这里令人兴奋的是未来可能为我们揭示这一转变更多信息的研究。Klein 和 Nikolaidis 提出将七鳃鳗的基因引入脊椎动物，反之亦然，以看看七鳃鳗的祖先在分化之前，离抗体免疫系统有多近。显然，大约半个世纪的独立进化会使结果变得复杂，但应该可以看看有颌类免疫基因是否能够组织七鳃鳗的免疫系统，使其更像我们自己的。我甚至更期待能在深海发现一种“活化石”——一种比七鳃鳗更接近我们的无颌鱼。它们曾填充海洋 4 亿年前，也许还有一些潜藏在某个深海海沟里。这样的鱼可能拥有一个粗糙的抗体免疫系统，只招募了少量基因，还有一些尚未被调动。也许它能勉强学会识别疾病——但勉强总比没有好。
这听起来可能像一个疯狂的梦想，但话说回来，行走的鲸鱼曾经也像个疯狂的梦想。
更新 2005/1/2：Panda's Thumb 提供了更多
关于免疫系统进化的信息。
