探秘控制生命的發(fā)電廠——線粒體

線粒體是細(xì)胞內(nèi)微小的細(xì)胞器，平均每個細(xì)胞里有300—400個線粒體，整個人體里有1億億個。本質(zhì)上所有的復(fù)雜細(xì)胞里都有線粒體。線粒體看上去像細(xì)菌，因為它們從前是自由生活的細(xì)菌，后來大約在20億年前適應(yīng)了寄生在大細(xì)胞里的生活。它們還保留了基因組的一個碎片，作為曾經(jīng)獨立存在的印記。它們與宿主細(xì)胞之間糾結(jié)的關(guān)系織成了生命所有的經(jīng)緯，從能量、性和繁殖，到細(xì)胞自殺、衰老和死亡。

線粒體是一個欲蓋彌彰的秘密。許多人都出于各式各樣的原因聽說過它。可以形象地把它描述成生命的“發(fā)電廠”，活細(xì)胞里微小的發(fā)電機，生產(chǎn)我們賴以生存的幾乎全部能量。一個細(xì)胞內(nèi)部有幾百或幾千個線粒體，它們利用氧來燃燒食物。線粒體是如此微小，以至于一粒沙里可以輕易地容納10億個。線粒體的進化給生命裝上了渦輪發(fā)動機，蓄勢待發(fā)，隨時可以啟動。

有些人更熟悉“線粒體夏娃”這個詞，如果我們沿母系血統(tǒng)追蹤遺傳特征，從女兒到母親再到外祖母，直至上溯到遠(yuǎn)古的迷霧中，線粒體夏娃可以說是所有母親的母親，她被認(rèn)為大約生活在17萬年前的非洲，又稱“非洲夏娃”。這意味著，線粒體基因起著母系姓氏的作用，使我們可以沿母系血統(tǒng)追溯祖先。近來，這其中的某些觀念受到挑戰(zhàn)，但大體上的理論仍然成立。當(dāng)然，這項技術(shù)不僅可以使我們知道誰是我們的祖先，也可幫助澄清誰不是我們的祖先。根據(jù)線粒體分析，尼安德特人并未與現(xiàn)代智人雜交，而是在歐洲的邊緣被排擠到滅絕。

線粒體還因為它們在法醫(yī)學(xué)上的運用而成為新聞熱點。通過線粒體分析可以確定人或尸體的真實身份，有幾個著名的案子運用了這一點。末代沙皇尼古拉二世的身份，就是通過將其線粒體與親屬的進行比較而得到確認(rèn)。第一次世界大戰(zhàn)末期，一個17歲女孩從柏林的一條河里被救起，她自稱是沙皇失蹤的女兒安娜斯塔西婭，隨后她被送往一家精神病院接受治療。經(jīng)過70年的紛爭，她的說法終于在她于1984年去世后被線粒體分析否認(rèn)。更近一些的事例是，世貿(mào)中心劫后那些無法辨認(rèn)的遇難者遺骸是由線粒體基因識別的。將“正版”薩達(dá)姆·侯賽因與他的眾多替身之一區(qū)分開來，也是靠這種技術(shù)。一旦線粒體基因被提取出現(xiàn)，基于我們與母親和母系親屬擁有相同線粒體基因的事實，通常就可以確認(rèn)或否定設(shè)想中的親屬關(guān)系。

有一個理論叫做“衰老的線粒體理論”，說的是衰老和許多與此有關(guān)的疾病是由在正常細(xì)胞呼吸中從線粒體里泄漏出來的活躍分子——自由基導(dǎo)致的。許多令人痛苦的遺傳疾病也與自由基攻擊線粒體基因產(chǎn)生的變異有關(guān)。這些疾病通常有著奇異的遺傳模式，其嚴(yán)重性在各世代中會有所不同，但總的來說它們都會隨著衰老而趨于惡化。線粒體疾病通常影響新陳代謝活躍的組織如肌肉和腦，導(dǎo)致癲癇、部分運動失調(diào)、失明、耳聾和肌肉退化。

還有一些人熟悉線粒體是因為它是一種具有爭議的不育癥治療手段。從健康女性供體的卵子(卵母細(xì)胞)中提取線粒體，移植到患不育癥的女性的卵子中，這種技術(shù)稱為“卵胞質(zhì)移植”。盡管這項技術(shù)誕育了30多名顯然很健康的嬰兒，但它后來在英國和美國都被宣布為非法。

線粒體甚至在電影《星球大戰(zhàn)》中登場，冒充對著名的、愿它與你同在的原力的科學(xué)解釋，這讓一些星戰(zhàn)影迷非常惱火。到現(xiàn)在，線粒體的細(xì)菌起源已經(jīng)成為被生物學(xué)家所接受的事實。

線粒體的這些方面已經(jīng)通過報紙和大眾文學(xué)為許多人所熟知，其它方面在過去的一二十年里在科學(xué)界廣為人知，但對大眾來說也許還較為神秘。其中最重要的一點是凋亡，即細(xì)胞的程序性死亡，在這一過程中，細(xì)胞個體為了大局利益——以身體為整體——而自殺。大約從20世紀(jì)90年代中期開始，研究人員發(fā)現(xiàn)凋亡并不是像從前認(rèn)為的那樣受細(xì)胞核里的基因控制，而是受線粒體控制。這一發(fā)現(xiàn)對醫(yī)學(xué)研究有著重要意義，因為細(xì)胞無法在需要時凋亡是癌癥的根源。許多研究人員現(xiàn)在嘗試通過某種方式操縱線粒體，而不以細(xì)胞核里的基因為靶標(biāo)。但這其中還有著更深遠(yuǎn)的意義。由于程序性死亡依賴于線粒體，也許可以說沒有線粒體就沒有多細(xì)胞生物。

線粒體占有突出地位的另一個領(lǐng)域是真核細(xì)胞的起源。真核細(xì)胞是有著細(xì)胞核的復(fù)雜細(xì)胞，所有的植物、動物、藻類和真菌都是由真核細(xì)胞構(gòu)成的?！罢婧恕币辉~源自希臘語“真正的核”，指細(xì)胞內(nèi)部基因的所在地。但這個名字是有明顯缺陷的。事實上，真核細(xì)胞除細(xì)胞核之外還包含許多其它部件，包括著名的線粒體。這類復(fù)雜細(xì)胞怎樣進化而來，是一個熱點話題。人們一般認(rèn)為，它們逐步進化，直到有一天某個原始的真核細(xì)胞吞噬了一個細(xì)菌，后者在經(jīng)過許多世代的奴役之后，最終變得完全寄人籬下，進化成了線粒體。

線粒體的另一個秘密領(lǐng)域與兩性的區(qū)別有關(guān)，事實上它是兩性存在的必要條件。性是一個著名的謎：有性生殖需要父母雙方來產(chǎn)生一個后代，無性生殖或孤雌生殖則只需要母親一方，父親的存在不僅多余，而且是對空間和資源的浪費。這個謎題的答案之一與線粒體有關(guān)，該理論于20世紀(jì)70年代晚期出現(xiàn)，現(xiàn)在已被科學(xué)界廣泛接受，也許公眾對其了解相對較少。該理論認(rèn)為，我們必須有兩種性別，是因為一種性別必須專門負(fù)責(zé)通過卵子把線粒體傳遞下去，而另一種性別必須專門地通過精子把線粒體傳遞下去。

線粒體是一個欲蓋彌彰的秘密。盡管最近享有盛名，但它仍然是個謎。許多深奧的進化問題人們幾乎沒有提出過，更不用說經(jīng)常在學(xué)術(shù)雜志上討論。圍繞著線粒體發(fā)展起來的不同領(lǐng)域往往實質(zhì)上局限在自己的圈子里。例如，線粒體產(chǎn)生能量的機制——將離子泵過膜，稱為滲透作用——在所有形式的生命中都存在，包括最原始的細(xì)菌，這是非常奇怪的。人們很少提出這樣一個問題：為什么這樣一種特定的能量產(chǎn)生方式成為如此多種不同生命的核心?我們將會看到，這個問題的答案將解釋生命起源本身。

還有一個非常有意思的問題很少被提及，那就是線粒體基因的持久存在。學(xué)術(shù)論文將我們的家譜追溯到線粒體夏娃，甚至利用線粒體基因重建出不同物種之間的關(guān)系，但很少問及線粒體基因到底為什么存在，僅僅假定它們是細(xì)菌起源的遺跡，也許是這樣。問題在于，線粒體基因可以很容易地完整轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中。不同的物將不同的基因轉(zhuǎn)移進細(xì)胞核，但所有包含線粒體的物種都保留了完全相同的線粒體基因核心部分。這些基因有什么特別之處?我們將看到，這個問題的最佳答案將幫助解釋為什么細(xì)菌從未獲得真核生物那樣的復(fù)雜性。它解釋了為什么生命有可能在宇宙其他地方陷入細(xì)菌的窠臼：為什么我們也許并不唯一，但幾乎注定孤獨。