诛仙手游紫芒和天琊:线粒体——世界的幕后统治者(2)

线粒体——世界的幕后统治者(2)
Thursday, 09 April 2009 04:44 Nick Lane著，碧声译

线粒体的这些方面已经通过报纸和大众文学为许多人所熟知，其它方面在过去的一二十年里在科学界广为人知，但对大众来说也许还较为神秘。其中最重要的一点是凋亡，即细胞的程序性死亡，在这一过程中，细胞个体为了大局利益——以身体为整体——而自杀。大约从20世纪90年代中期开始，研究人员发现凋亡并不是像从前认为的那样受细胞核里的基因控制，而是受线粒体控制。这一发现对医学研究有着重要意义，因为细胞无法在需要时凋亡是癌症的根源。许多研究人员现在尝试通过某种方式操纵线粒体，而不以细胞核里的基因为靶标。但这其中还有着更深远的意义。在癌症中，细胞个体寻求自由，摆脱了为有机体整体负责的桎梏。在早期进化中，把这种桎梏加在细胞上想必是很困难的：一个有独立生存潜力的细胞，在还可以选择离开群体独自生活的时候，凭什么要为了生活在细胞群体里的利益而接受死刑？没有程序性死亡，将细胞联结起来形成复杂多细胞生物的纽带也许永远也不会进化出来。由于程序性死亡依赖于线粒体，也许可以说没有线粒体就没有多细胞生物。为了这免得听起来太古怪，需要说明的是所有多细胞植物和动物确实含有线粒体。

线粒体控制细胞的自杀（凋亡）　E. MICHELAKIS
线粒体占有突出地位的另一个领域是真核细胞的起源。真核细胞是有着细胞核的复杂细胞，所有的植物、动物、藻类和真菌都是由真核细胞构成的。“真核”(eukaryotic)一词源自希腊语“真正的核”，指细胞内部基因的所在地。但这个名字是有明显缺陷的。事实上，真核细胞除细胞核之外还包含许多其它部件，包括著名的线粒体。这类复杂细胞怎样进化而来，是一个热点话题。人们一般认为，它们逐步进化，直到有一天某个原始的真核细胞吞噬了一个细菌，后者在经过许多世代的奴役之后，最终变得完全寄人篱下，进化成了线粒体。这个理论预言，某些不包含线粒体的、籍籍无名的单细胞真核生物将被发现是我们所有人的祖先，它们是从线粒体被“捕获”并投入使用之前的那些岁月存留下来的孑遗。但在经过了十来年详细的遗传分析之后，人们现在发现似乎所有的已知真核细胞都拥有或者曾经拥有（后来丢失了）线粒体。这意味着复杂细胞的起源与线粒体的起源不可分割，它们是同一个事件。如果这是真的，那么不仅多细胞生物的进化需要线粒体，构成多细胞生物的部件——真核细胞的进化也需要线粒体。而如果这是真的，那么如果没有线粒体，地球生物不会进化成细菌以外的东西。

真核细胞
线粒体的另一个秘密领域与两性的区别有关，事实上它是两性存在的必要条件。性是一个著名的谜：有性生殖需要父母双方来产生一个后代，无性生殖或孤雌生殖则只需要母亲一方，父亲的存在不仅多余，而且是对空间和资源的浪费。更糟糕的是，两性的存在意味着我们只能在人口的一半中寻找配偶，至少在我们把性当作生殖手段时是这样。不管是不是为了生殖，如果所有的人都是同性，或者性别多到近乎无限，情况会好得多：两性是所有可能的局面中最糟糕的一种。这个谜题的答案之一与线粒体有关，该理论于20世纪70年代晚期出现，现在已被科学界广泛接受，也许公众对其了解相对较少。该理论认为，我们必须有两种性别，是因为一种性别必须专门负责通过卵子把线粒体传递下去，而另一种性别必须专门地通过精子不把线粒体传递下去。本书第6部分将详细阐述这一点。
所有这些研究领域使线粒体重新取得了它在20世纪50年代的鼎盛时期过后再也不曾拥有的重要地位，当年人们首次证实线粒体是细胞的动力来源，生产我们所需的几乎所有能量。顶尖学术杂志《科学》在1999年充分认识到这一点，把一期封面和相当大的篇幅给了线粒体，标题为“线粒体又回来了”。这种忽视有两个主要原因。其一是生物能量学——研究线粒体中能量产生过程的科学——被认为是一个艰难而且模糊的领域，有一句曾在各种学术报告厅的窃窃私语中流传的保证对此作了漂亮的总结：“别担心，谁都听不懂线粒体学家们(mithchondriacs)在说什么。”第二个原因与20世纪下半叶分子遗传学的起源有关。就像著名的线粒体学家Immo Scheffler说的那样：“分子生物学家们忽视线粒体的原因，可能是他们没有立即认识到线粒体基因这一发现的深远意义及应用前景。需要很长时间来积累一个范围足够大、内容足够多的数据库，解决与人类学、生物起源、疾病、进化及其他问题有关的诸多挑战。”
我在前面说了，线粒体是一个欲盖弥彰的秘密。尽管最近享有盛名，但它仍然是个谜。许多深奥的进化问题人们几乎没有提出过，更不用说经常在学术杂志上讨论。围绕着线粒体发展起来的不同领域往往实质上局限在自己的圈子里。例如，线粒体产生能量的机制——将离子泵过膜，称为渗透作用——在所有形式的生命中都存在，包括最原始的细菌，这是非常奇怪的。用一位评论者的话来说，“自达尔文以来，生物学还没有提过出像爱因斯坦、海森堡和薛定谔的理论那样违反直觉的看法。”但这个理论被证明是正确的，并使Peter Mitchell在1978年获得诺贝尔奖。但人们很少提出这样一个问题：为什么这样一种特定的能量产生方式成为如此多种不同生命的核心？我们将会看到，这个问题的答案将解释生命起源本身。
还有一个非常有意思的问题很少被提及，那就是线粒体基因的持久存在。学术论文将我们的家谱追溯到线粒体夏娃，甚至利用线粒体基因重建出不同物种之间的关系，但很少问及线粒体基因到底为什么存在，仅仅假定它们是细菌起源的遗迹。也许是这样。问题在于，线粒体基因可以很容易地完整转移到细胞核中。不同的物将不同的基因转移进细胞核，但所有包含线粒体的物种都保留了完全相同的线粒体基因核心部分。这些基因有什么特别之处？我们将看到，这个问题的最佳答案将帮助解释为什么细菌从未获得真核生物那样的复杂性。它解释了为什么生命有可能在宇宙其他地方陷入细菌的窠臼：为什么我们也许并不唯一，但几乎注定孤独。