一个线粒体——细胞中许多微小的发电厂之一，这些发电厂以令人惊奇的方式控制着我们的生命 线粒体是细胞内微小的细胞器，以ATP的形式生产我们几乎所有的能量。平均每个细胞里有300-400个线粒体，整个人体里有1亿亿个。本质上所有的复杂细胞里都有线粒体。线粒体看上去像细菌，这外观并非伪装：它们从前是自由生活的细菌，后来大约在20亿年前适应了寄生在大细胞里的生活。它们还保留了基因组的一个碎片，作为曾经独立存在的印记。它们与宿主细胞之间纠结的关系织成了生命所有的经纬，从能量、性和繁殖，到细胞自杀、衰老和死亡。 线粒体是一个欲盖弥彰的秘密。许多人都出于各式各样的原因听说过它。报纸和一些教科书简单地把它描述成生命的“发电厂”——活细胞里微小的发电机，生产我们赖以生存的几乎全部能量。一个细胞内部有几百或几千个线粒体，它们利用氧来燃烧食物。线粒体是如此微小，以至于一粒沙里可以轻易地容纳10亿个。线粒体的进化给生命装上了涡轮发动机，蓄势待发，随时可以启动。所有动物体内都有线粒体，包括最懒惰的在内。连不能移动的植物和藻类也要利用线粒体，在光合作用中放大太阳能那无声的轰鸣。有些人更熟悉“线粒体夏娃”这个词，按照推测，她是所有当代人最晚近的共同祖先——如果我们沿母系血统追踪遗传特征，从女儿到母亲再到外祖母，直至上溯到远古的迷雾中。线粒体夏娃是所有母亲的母亲，她被认为大约生活在17万年前的非洲，又称“非洲夏娃”。我们之所以能通过这样的方式追踪遗传上的祖先，是因为所有线粒体都保有小小的一份自己的基因，这些基因仅通过卵子传递给下一代，不通过精子传递。这意味着，线粒体基因起着母系姓氏的作用，使我们可以沿母系血统追溯祖先，就像有些家族努力沿父系血统把家世追溯到征服者威廉、诺亚乃至穆罕默德。近来，这其中的某些观念受到挑战，但大体上的理论仍然成立。当然，这项技术不仅可以使我们知道谁是我们的祖先，也可帮助澄清谁不是我们的祖先。根据线粒体分析，尼安德特人并未与现代智人杂交，而是在欧洲的边缘被排挤到灭绝。 线粒体还因为它们在法医学上的运用而成为新闻热点。通过线粒体分析可以确定人或尸体的真实身份，有几个著名的案子运用了这一点。末代沙皇尼古拉二世的身份，就是通过将其线粒体与亲属的进行比较而得到确认。第一次世界大战末期，一个17岁女孩从柏林的一条河里被救起，她自称是沙皇失踪的女儿安娜斯塔西娅，随后她被送往一家精神病院接受治疗。经过70年的纷争，她的说法终于在她于1984年去世后被线粒体分析否认。更近一些的事例是，世贸中心劫后那些无法辨认的遇难者遗骸是由线粒体基因识别的。将“正版”萨达姆·侯赛因与他的众多替身之一区分开来，也是靠这种技术。线粒体基因之所以如此有用，部分是因为它们大量存在。每个线粒体含有5至10份基因副本，一个细胞里通常有数以百计的线粒体，也就有成千上万份同样的基因，而细胞核（细胞的控制中心）里的基因只有2份副本存在。因此，完全无法提取任何线粒体基因的情况是很少见的。一旦线粒体基因被提取出现，基于我们与母亲和母系亲属拥有相同线粒体基因的事实，通常就可以确认或否定设想中的亲属关系。 有一个理论叫做“衰老的线粒体理论”，说的是衰老和许多与此有关的疾病是由在正常细胞呼吸中从线粒体里泄漏出来的活跃分子——自由基导致的。线粒体并不能完全“防火花”，它们在利用氧燃烧食物时，自由基的火花会逃逸出来，损害邻近的结构，包括线粒体基因本身，以及远处的细胞核基因。我们细胞里的基因每天要受到1万至10万次自由基攻击，实际上每秒就有一次。大部分这类损伤很快就会得到修复，不会造成别的麻烦，但偶尔有些攻击会导致无法逆转的变异——基因序列发生持久的改变——这些变异会在一生中累积起来。受破坏更严重的细胞会死亡，稳定的细胞损耗是衰老和退行性疾病的基础。许多令人痛苦的遗传疾病也与自由基攻击线粒体基因产生的变异有关。这些疾病通常有着奇异的遗传模式，其严重性在各世代中会有所不同，但总的来说它们都会随着衰老而趋于恶化。线粒体疾病通常影响新陈代谢活跃的组织如肌肉和脑，导致癫痫、部分运动失调、失明、耳聋和肌肉退化。 还有一些人熟悉线粒体是因为它是一种具有争议的不育症治疗手段。从健康女性供体的卵子（卵母细胞）中提取线粒体，移植到患不育症的女性的卵子中，这种技术称为“卵胞质移植”。它在媒体上首次露面是在一家英国报纸上，报道的标题用彩色字写道“二母一父的婴儿诞生“。这篇典型的媒体产品并非完全错误——细胞核里的所有基因来自”真正的“母亲，而部分线粒体基因来自”供体“母亲，所以这些婴儿确实从两个不同的母亲那里遗传了一部分基因。尽管这项技术诞育了30多名显然很健康的婴儿，但它后来在英国和美国都被宣布为非法。 线粒体甚至在电影《星球大战》中登场，冒充对著名的、愿它与你同在的原力的科学解释，这让一些星战影迷非常恼火。在前期的电影中，原力即使不算宗教也是唯灵的，但在后来的一部电影中被解释成“迷地原虫”(midichlorians)的产物。一位乐于助人的绝地武士说，迷地原虫是“栖居在所有活细胞里的微小生命形式，我们和它们是共生体，为共同的利益生活在一起。没有迷地原虫，生命就不可能存在，我们也无从了解原力。”迷地原虫在名字和行为上与线粒体的相似之处令人无法错认，这是设定者有意为之。线粒体的祖先是细菌，它们作为共生体（与其它生物存在互利关系的生物）生活在我们的细胞里。与迷地原虫一样，线粒体也有许多神秘的特征，甚至可以形成有许多分枝的网络，能够相互通信。Lynn Margulis在20世纪70年代使这个一度存在争议的理论变得非常出名，到现在，线粒体的细菌起源已经成为被生物学家所接受的事实。 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。 像这样的问题还有许多，它们由头脑敏锐的思想者们在专门文献中提出，但极少对大众造成困扰。表面上看，这些问题简直是古怪得可笑——无疑，连最聪明的科学家也很少去想。但当它们作为一个整体出现时，其答案将对进化的整个轨迹进行完美的解释，从生命起源本身，到复杂细胞和复杂生物的诞生，到巨大体型、性别和温血特性的出现，以及衰老和死亡。这其中展现的广阔图景提供了引人注目的新观点，使我们能深入理解自己到底为什么能够存在，我们在宇宙中是否孤独，为什么我们有独立的感觉，为什么需要做爱，我们的根在哪里，为什么必将衰老和死去——简单地说，理解生命的意义。擅长雄辩的历史学家Felipe Fernández-Armesto曾经写道：“故事会帮助解释自己。如果你知道事情是怎样发生的，就会开始了解它为什么会发生。”于是，我们在重建生命的故事时，“怎么样”和“为什么”是紧密交织在一起的。 我努力想将这本书写得让没有科学或生物学背景的大众也能看懂，但在谈论最新研究的意义时，我不可避免地要提到一些技术术语，并且假定读者对细胞生物学有着基本的了解。就算知道这些术语，部分章节读起来可能还是会有些费劲。我相信为此付出努力是值得的，因为科学的魅力和逐渐领悟真理的激动，来自对那些答案未知但触及生命意义的问题的苦苦思索。在研究那些发生在遥远的过去——也许是几十年亿前——的事情时，基本上不可能找到确切的答案。但是，利用或思考我们已知的东西来缩小各种可能情形的范围，这是有可能的。生命中遍布着线索，有时是在完全意想不到的地方，正是这些线索需要读者对现代分子生物学有一定了解，也使部分章节必须较为复杂。这些线索使我们能够效仿歇洛克·福尔摩斯的做法，剔除某些可能性，专注于剩下的。正如福尔摩斯所说的：“当你把绝不可能的因素都除出去以后，不管剩下的是什么——不管是多么难以相信的事——那就是真相。” 尽管对着进化挥舞“不可能”之类的词是危险的，但重建生命最有可能走过的道路会带来一种侦探般的满足感。我希望我自己感受到的激动能够传达给你们一点。 我对一些最技术化的术语给出了简单定义，放在词汇表里作为参考。但在继续写下去之前，向没有生物学背景的读者稍微讲解一下细胞生物学，或许是有价值的。活细胞是一个小宇宙，是能够独立存在的最简单生命形式，因而是生物学的基本单位。有些生物如阿米巴或真正的细菌就是单个细胞，称为单细胞生物。其他生物由许多细胞构成，人体内的细胞数以万亿计：我们是多细胞生物。对细胞的研究称为细胞学(cytology)，其词源是希腊语里的cyto，意为细胞（原意为中空的容器）。许多术语包含词根cyto-，例如细胞色素（cytochrome，细胞里的有色蛋白质）和细胞质（cytoplasm，细胞里的生物物质，不包括细胞核）；还有的术语包含词根cyte，例如红血球（erythrocyte，红色的血细胞）。 并非所有的细胞都是平等的，有些细胞比其他的要平等得多。最不平等的是细菌，最简单的细胞。就算在电子显微镜下观察，也难以看到细菌的结构。它们非常微小，直径基本上不超过千分之几毫米（几微米），通常是球形或棒形。它们由一层有渗透性的细胞壁包裹，与外界环境隔开。在细胞壁内侧几乎与它紧贴的地方，是一层很薄但相对不易渗透的细胞膜，厚度大约为百万分之几毫米（几纳米）。这层薄得几乎看不见的膜将在本书中占据重要地位，因为细菌靠它产生能量。 蛋白质的结构决定其功能 《力量、性、自杀——线粒体与生命的意义》序章，Nick Lane著，碧声译
