程序化细胞死亡（Programmed cell death）通常见于某些特殊的动植物中。同时，这也是过去几百万年里进行光合作用的浮游植物用来自杀的秘密所在。
20年前的某个夜晚，当保罗·佛高斯基（Paul Falkowski）浑身疲惫地离开实验室时，他忘记了为培养瓶中的球石藻（Emiliania Huxleyi）换液——一种在世界上分布最为广泛的藻类之一。第二天早上，保罗惊讶地发现，培养瓶中装满了澄清的溶液，仅在瓶底有少量沉淀物。他回忆说：“我从未见过这种事情，它们仿佛在一夜之间全部溶解了。”
球石藻消失地迅速而彻底，不可能将其归结为普通的死亡。在普通的藻类死亡中，会发现混合了活细胞、死细胞以及其他物质的残留物。这些浮游植物如此彻底地消失，让人联想到哺乳动物的凋亡现象——在某种无形之手的控制下，不知为何大量细胞同时死亡。佛高斯基决定揭示这只手的秘密，并理解其中的意义。而目前，在他的实验室以及其他研究机构，针对此现象的研究过程开始取得进展。
作为新泽西州鲁特格斯大学一名海洋生物学教授，佛高斯基以其关于海洋生产率和营养循环的研究而著称。从主流眼光的角度来看，他对藻类程序化细胞死亡的兴趣颇显怪诞离奇。
死亡对于海洋中的浮游植物而言是再正常不过的现象，而这些浮游植物所含有的碳元素相当于所有陆生植物的碳总和。然而，无论在任何时候，海洋浮游植物中所含的生物质能仅占地球全部生物质能的1%。这意味着它们的生死轮回非常显著。就平均水平而言，全球的浮游植物在一周之内就会更新一遍。
归因于运气？
在大多数水生系统模型中，只是简单地将这种死亡归结为运气不好。虽然在理论上这些浮游植物是不会死的，但实际上却总是容易被浮游动物所吞食，因病毒感染而死去，或者由于营养缺乏而饿死。然而，佛高斯基认为，除上述因素之外还有其他的原因。当被遗忘在实验室里时，浮游植物并不一定会溶解消失。大规模的水华（Marine bloom）也可能在一夜之间消失殆尽。如果这一过程真的是一种程序化细胞死亡，那它不仅涉及到全球营养循环的问题，还有可能预示我们自身死亡的根本原因。古代地球海洋中的浮游植物可能是最先学会如何死亡的生物之一。
佛高斯基预感到，实验室中浮游植物的溶解可能与动物的凋亡现象有所关联。凋亡是一种由某种蛋白酶（如半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶）所调控的异常精细的过程。这种蛋白酶仿佛具有剪切蛋白质的功能，并且只对特定的氨基酸序列起作用。各种蛋白酶以一种级联激活的方式对蛋白质保护外壳进行剪切。每次剪切都使死亡信号进一步放大，直到最后的“行刑者”释放入细胞，破坏细胞膜组织，绞碎DNA并分解蛋白质。
这种精密协同的过程可以在细胞微观层面观察到：细胞核物质浓缩，染色体分解，细胞膜破碎成微小的囊泡，以及内部的细胞器随之分解和周围细胞也出现溶解现象。
佛高斯基与鲁特格斯大学的海洋微生物学家凯·比德尔（Kay Bidle）教授合作，在实验室培养的浮游植物中完美地复制出上述每一个微观步骤。两位教授还发现，人源蛋白酶的抗体能够与这些浮游植物的提取物发生交叉反应，提示该提取物中一定包含着与蛋白酶相似的蛋白质。此外，已知的蛋白酶抑制物可以有效阻断此细胞死亡的程序。显而易见，程序化细胞死亡的现象并非仅在真核细胞中才能发现，在进行光合作用的原核生物中也有存在。
瓦尔迪 （左）、比德尔（中）和佛高斯基正试图揭开浮游植物的自杀之谜
上世纪90年代末，曾有报告说植物中也存在类似发现。但没有人试图证实过蛋白酶从中发挥着关键的作用。2000年，马里兰州的美国国家生物技术中心和加利福尼亚州的基因技术公司通过对不同物种中可能表达蛋白酶的基因序列进行分析，发现了某个家族的蛋白质与之相关。这些蛋白酶的发现为理解植物、藻类和真菌的程序化细胞死亡铺平了道路，并启发了人们对蛋白酶起源问题的思考。在此之前，这些蛋白酶只在动物中发现。
世界性的存在
数年之内，美国国立卫生研究院（NIH）国家医学实验室的尤金·库尼（Eugene Koonin）和L·阿维德（L·Aravind）教授已经在物种树上绘制出了该蛋白质家族的分布图。通过这种方式，他们在几种细菌中确认了该族蛋白质的存在，其中以进行光合作用的蓝藻为主。库尼说，目前已清楚的是该族蛋白质都来自同一个祖先，然而对后者的确认研究却面临很大困难。不同细菌之间的染色体差异极大，并时常会从毫无关联的细菌中获得新的基因序列。因此尽管蓝藻拥有最丰富的蛋白酶库，可将其视为最有可能的起源，但还需考虑到其他两种细菌也有此类蛋白酶：放射菌类（一种存在于土壤中的细菌）和α-变形细菌。
最有说服力的理由就是线粒体的起源，线粒体是所有现代真核生物细胞中的“发电机”，而它们的起源却来自α-变形细菌。蛋白酶在真核生物中广泛存在，因此它们可能在真核生物进化史的早期由外源途径获得。库尼说：“事实情况是，由于某些α-变形细菌中蛋白酶的作用，才使线粒体成为早期真核细胞中相关蛋白酶的最可能起源。”然而，这些α-变形细菌自身的蛋白酶是如何产生的呢？它们是否来自蓝藻？这仍然是悬而未决的问题。
还有另外一种可能，即某些真核生物的蛋白酶来自两种途径——一种来自α-变形细菌并进化成了线粒体，一种来自蓝藻并进化为叶绿体。比德尔指出，某些仅在藻类和植物中发现的蛋白酶与叶绿体有关，提示它们可能来自后一种途径。
但是，为什么蓝藻拥有该家族所有种类的蛋白酶呢？库尼和阿维德在2002年发表的文章中认为，细菌中的蛋白酶具有某种信号传递功能；但他们无法确定，在一些更为复杂的常见细菌中，此类蛋白酶是否会像动物中的蛋白酶那样介导细胞死亡过程。这也正是令比德尔和佛高斯基感到困惑的问题。
细菌中的蛋白酶与动物蛋白酶相比，至少有一点存在差别，即它们无法按照经典的蛋白酶识别位点进行剪切。由于这个以及其他原因，部分研究人员，其中以比利时根特大学的法兰克·范布鲁斯格姆（Frank Van Breusegem）及其同事为主，对此类蛋白酶是否在植物和浮游植物中介导细胞死亡表示怀疑——至少该假设还尚未得到证实。
比德尔和以色列巴依兰大学的伊拉纳·伯曼·法兰克教授（Ilana Berman-Frank）为证实上述设想做出了一定的努力。他们发现，在蓝藻细胞的死亡过程中，该族蛋白酶的数目增加，而蛋白酶活性也显著升高。显微镜下，这些细胞的死亡与凋亡非常类似——研究证实蓝藻中产生的某些关键酶类在动物细胞凋亡中同样存在（如凋亡激活因子、凋亡ATP酶、NTP酶等）。
但这些证据仍然存在不确定性，比德尔的研究小组还发现了许多与细胞死亡无关的蛋白酶类。例如今年2月份，比德尔和同事们在一种单细胞硅藻——假微型海链藻（Thalassosiria pseudonana）中发现了6种可能的蛋白酶类，少于拟南芥（arabidopsis）中发现的9种和人类的12种同族蛋白酶类。然而库尼发现，其中只有2种蛋白酶在细胞死亡过程中被激活，其余酶类则在健康细胞中大量表达，有时也会在应激细胞中存在。比德尔认为：“尽管某些蛋白酶的确参与了细胞死亡过程，但它们很明显还可能行使除凋亡以外的生物学功能。”
迄今最有说服力的证据来自英国曼彻斯特大学帕蒂克·格罗斯（Patrick Gallois）教授于1月份发表的研究结果，他发现，通过对拟南芥进行精心的基因修饰，至少有一种植物蛋白酶证实直接介导了细胞死亡过程。受此启发，结合以前在酵母和浮游植物中的发现，格罗斯认为植物蛋白酶可能是“为了应对氧化应激所启动的激活程序化细胞死亡的古老途径的组成部分。”
缓解应激
从事海洋微生物研究的阿塞夫·瓦尔迪（Assaf Vardi）说，此类蛋白酶与氧化应激之间存在联系。氧化应激是指活性氧分子超出细胞所能忍受程度的一种状态。紫外线照射、铁缺乏和病毒感染等能启动真核生物的细胞死亡程序。而上述因素的共同之处是活性氧分子家族的存在——过氧化物、羟基化合物等。长期以来，活性氧分子被认为是病理反应的副产品，现在已知它们也在细胞中作为信号分子广泛存在。
瓦尔迪发现，在浮游植物中活性氧分子的信号被一氧化氮所放大。后者在动植物的信号传导过程中大量存在，并在感染、免疫反应和细胞死亡中发挥关键作用。瓦尔迪首次发现了浮游植物中也可以产生一氧化氮气体，他甚至用荧光显微镜记录下整个过程。瓦尔迪最近的研究显示，三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）——一种类似于假微型海链藻的单细胞硅藻，能够利用一种仅在叶绿体中发现的酶类产生一氧化氮。含有过多这种酶类的细胞生长缓慢，并对应激高度敏感，在细胞死亡程序中最多可激活6种蛋白酶类。上述步骤与凋亡极为类似。一氧化氮阻断了光合作用和细胞呼吸中的电子传递链；这将产生各类活性氧分子，随后激活细胞死亡的级联反应。
颗石藻能够聚集形成大量的水华。图中所示的比斯开湾水华显然经过了艺术加工
由此看来，佛高斯基的推论似乎是正确的。处于应激中的浮游植物水华产生一氧化氮，随后活性氧分子激活死亡程序。这一程序包括（但很可能不限于）与动物细胞凋亡相关的功能性蛋白酶类。但是为什么存在于单细胞浮游植物的蛋白酶会与动物密切相关呢？浮游生物的自杀究竟有何意义呢？
佛高斯基怀疑，死亡的罪魁祸首其实是病毒。海水中有极大量的病毒存在——每毫升海水中有数以亿计的病毒——浮游植物因此可能成为许多病毒攻击的目标。佛高斯基认为，这种蛋白酶是病毒及其宿主之间长期“战争拔河”的一部分。
据此，佛高斯基提出，在简单的细菌如大肠杆菌（Escherichia coli）等细菌中存在一种“上瘾模型”。其中，细胞中的病毒基因可编码产生一种长周期的毒素和短周期的抗毒素；停止表达病毒基因的细胞将因缺少抗毒素而死亡。
力量的对抗
佛高斯基说，浮游生物中以蛋白酶为介导的细胞死亡程序可能与病毒将蛋白酶转化为致命武器的进化过程颇为类似。宿主细胞不断进化出新的系统从而阻止病毒“扣动扳机”。这种系统可以被看作是病毒及其宿主共同进化的结果，而斗争双方都拼命想夺得控制权。比德尔和佛高斯基发现，当颗石藻（Coccolithophore）中的蛋白酶失去活性时，病毒将无法复制，提示病毒通常利用该体系来杀死细胞。
奇怪的是，有时细胞可能会希望启动死亡程序而病毒却会阻止该过程。当细胞自杀的速度超过病毒的生长周期时，将可以阻止病毒扩散。如果水华中大多数浮游生物的基因接近或相同，从基因进化角度而言，一次死亡所产生的“坚壁清野”效果或许可以阻止病毒的发展。
将这种行为理解为自杀可能有点儿过于简单。瓦尔迪说：“至少他杀与自杀的可能性同样大，而这显然模糊了利他与利己的界限。”瓦尔迪还发现，受伤的浮游植物会在周围释放出“协调因子”——他将其称为“化学信号分子”——受损细胞会产生过量的活性氧分子，并激活死亡程序。而在健康细胞中，这些信号将导致与应激相关的几种反应：形成坚固持久的外壳，在邻近表面生成生物膜，甚至分化为异性细胞。该体系使基因相同的细胞走上不同的分化途径——与多细胞生物的发育过程非常类似。
作为程序化细胞死亡的一个主要类型，细胞凋亡是多细胞生物体中一个细胞有意放弃生命的过程
就某种意义而言，死亡是最简单的发育形式——一种二元式的选择。各类蛋白酶的作用发挥可能是在生物体死亡的时候，或者是为了杀死细胞以使组织成形，或是为了清除不健康的浮游生物从而使其同类获益。程序化死亡的功能最初可能来自蓝藻中的各类蛋白酶，也有可能由于这些蛋白酶非常适于进行级联反应的特点被某个自杀序列相中，从而在每次需要启动自杀功能时被卷入其中。
无论是上述何种途径，将当今的复杂世界与相对简单的死亡起源联系起来都显得异常古怪。这些细菌可能仅具有更为简单的死亡程序，如“上瘾模型”，或者没有任何死亡程序。如果是这样的话，真核生物最初可能并不存在细胞死亡机制，而这种机制对其发育却至关重要。
正如库尼所说：“任何高级的进化都起源于细菌的幸运选择。”死亡的种子最终成就了当今的生命。