線粒體起源之謎：真核細胞的能量工廠，究竟是如何建成的？

本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），作者：南枝

我們在中學(xué)時代的生物課程里便會了解到線粒體（mitochondrion），它是一種普遍存在于真核細胞中的細胞器（也有很少幾種真核細胞沒有線粒體，如賈第蟲屬、毛滴蟲屬等寄生蟲）。因為它是細胞進行有氧呼吸的主要場所，是細胞中的能量制造工廠，所以我們也把它叫作細胞的“動力工廠”。

真核細胞中的線粒體從何而來，關(guān)系著真核生物的起源，是生物進化研究中的重要課題。

有關(guān)線粒體的起源，如今有兩種假說，一種是內(nèi)共生起源（endosymbiont hypothesis），另一種是非共生起源。這兩種假說，分別能解釋一些線粒體的情況，因此一直以來各有支持者。

線粒體的發(fā)現(xiàn)

1850 年，瑞士-德國生物學(xué)家、解剖學(xué)家寇里克（Rudolph Kolliker）在實驗中觀察到了線粒體，并對線粒體進行了分離研究，描述了線粒體的形狀和大小，但他當(dāng)時并不清楚它的功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此也未對它進行命名。

到 19 世紀(jì) 80 年代，隨著顯微技術(shù)的發(fā)展，顯微鏡放大倍數(shù)大幅度提高，德國病理學(xué)家及組織學(xué)家理查德?阿爾特曼（Richard Altmann）在使用高倍顯微鏡研究細胞的亞顯微結(jié)構(gòu)時，在需能細胞（例如肌肉細胞）里發(fā)現(xiàn)了大量顆粒。他在 1886 年發(fā)明了鑒別這些顆粒的染色方法，并在顯微鏡下清楚看到了它們在細胞中的分布，他猜測這些顆粒不是細胞自身組成部分，而是與細胞共生的細菌，因此將這些顆粒命名為“原生?！保˙ioblast）。

1897 年，德國生物學(xué)家卡爾?本達（Carle Benda）發(fā)現(xiàn)原生粒數(shù)量眾多，且形狀有時為線性有時為顆粒，于是將原生粒命名為線粒體（Mitochondrion）。之后，科學(xué)界就一直使用線粒體作為這種顆粒的正式名稱。

后來對線粒體功能的研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)線粒體是細胞中發(fā)生三羧酸循環(huán)、電子傳遞、氧化磷酸化的場所，從而確定線粒體是真核生物細胞進行能量轉(zhuǎn)換的部位。

線粒體從何而來？

內(nèi)共生起源假說

理查德?阿爾特曼在觀察到線粒體時，就提出細胞中的這種結(jié)構(gòu)和細菌類似，是共生于細胞中，能夠獨立自主生活的有機體，但當(dāng)時并沒有實質(zhì)的證據(jù)來證明這一點。20 世紀(jì) 20 年代，美國生物學(xué)家伊萬?沃林（Ivan E. Wallin）提出線粒體起源于內(nèi)共生的假說，即線粒體是由被細胞吞入的細菌演化而來，但當(dāng)時科學(xué)界并不認(rèn)可他的這一假說。

直到 20 世紀(jì) 70 年代，美國生物學(xué)家琳恩?瑪格麗絲（Lynn Margulis）提出了較為完善的內(nèi)共生學(xué)說 —— 原始真核生物在某些情況下吞入革蘭氏陰性好氧細菌，這些好氧細菌在與原始真核生物共存的情況下逐步演化，互相適應(yīng)，達成互利共生的關(guān)系，逐漸形成了線粒體。這個共生體系中，寄主（好氧細菌）從宿主（原始真核細胞）處獲得營養(yǎng)，而宿主則可利用寄主產(chǎn)生的能量，這樣增加了這個共生體的競爭力。這一假說，獲得了科學(xué)界的大力支持，并在之后有很多證據(jù)來證明該假說的科學(xué)性。

第一，線粒體具有獨立的遺傳物質(zhì) —— 線粒體 DNA 和 RNA，該遺傳物質(zhì)和真核生物細胞核的遺傳物質(zhì)存在差異，而與細菌的更加相似。

第二，細胞在進行自身繁殖時，線粒體也同時進行增殖、分配，具有獨立性和連續(xù)性，它的分裂增殖是通過縊裂完成，和細菌類似。

第三，線粒體本身具有獨立完整的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，且這個合成系統(tǒng)的多數(shù)特征都與細菌蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)相似，和真核細胞蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)具有差異。

第四，線粒體具有內(nèi)膜、外膜；內(nèi)膜與細菌質(zhì)膜相似，外膜則與真核細胞內(nèi)膜相似。生物學(xué)家猜測，在共生體系形成過程中，宿主吞噬寄生的好氧細菌時，宿主的內(nèi)膜包裹了寄主而形成了線粒體的外膜。

第五，假說指出在進化過程中，好氧細菌原有的遺傳信息大部分已轉(zhuǎn)移合并到寄主細胞中。近期研究發(fā)現(xiàn)，真核細胞的細胞核中存在呼吸細菌或藍細菌的遺傳信息，印證了假說的觀點。

第六，線粒體的遺傳密碼與變形菌門細菌的遺傳密碼更為相似，被認(rèn)為線粒體來自于 α-變形菌（α-Protobacteria）。

第七，現(xiàn)存生命有機體中依然存在類似共生現(xiàn)象，例如草履蟲吞噬藍藻形成共生體。

內(nèi)共生起源也存在一些無法解釋的問題。被吞噬的好氧細菌擁有氧化代謝途徑，顯然在生存競爭中，這項能力令其比吞噬它的宿主具有更大優(yōu)勢。那為什么這種好氧細菌反而處在下方，既被吞噬作為寄主，還把自己的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到了宿主細胞中，這不符合進化規(guī)律。此外，內(nèi)共生起源假說不能解釋細胞核這個細胞的控制中心是如何起源的。

非共生起源假說

內(nèi)共生起源的假說出現(xiàn)后，支持非共生起源假說的反對派也隨之出現(xiàn)了。非共生假說猜想，真核細胞來源于一種好氧細菌，這種細菌在進化過程中，某些具有呼吸作用的細胞膜逐步內(nèi)陷，包裹住部分遺傳物質(zhì)，形成了既有獨立遺傳物質(zhì)又有呼吸功能和膜結(jié)構(gòu)的線粒體。

非共生起源假說也有一些證據(jù)。例如，現(xiàn)在某些原始好氧細菌中具有擬線粒體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)便是由細胞質(zhì)膜內(nèi)陷折疊形成，具有呼吸功能；原核細胞中具有呼吸功能的結(jié)構(gòu)可以看成如今線粒體的雛形，因此推測線粒體是進化而來而不是吞噬共生而成；真核細胞核膜和線粒體膜具有連續(xù)性，說明線粒體可能起源于細胞自身內(nèi)膜系統(tǒng)的內(nèi)陷，而不是來自于共生細菌。

內(nèi)共生起源假說中的爭論

盡管內(nèi)共生起源假說有一些無法解釋的問題，但相較于非內(nèi)共生起源，該假說提供了更多的證據(jù)，因此它成為線粒體起源的最主流學(xué)說。

在內(nèi)共生起源假說之中，根據(jù)線粒體內(nèi)共生發(fā)生的時間不同，產(chǎn)生了兩個流派。

一派提出的假說叫晚期線粒體模型（“Mito-late” models），他們認(rèn)為宿主 吞噬好氧的 α-變形菌（如今已有很多證據(jù)證明線粒體是由它演化而來）前，已先通過不同途徑形成了細胞核，已具有真核細胞的特征（已有細胞核、動態(tài)細胞骨架、內(nèi)膜系統(tǒng)），具有原始吞噬功能。也就是說，線粒體祖先（α-變形菌）進入宿主（原始真核細胞）的時間是較晚的。

另一派提出的假說叫早期線粒體模型（“Mito-early” models），他們認(rèn)為宿主（原核細胞）先與好氧的 α-變形菌內(nèi)共生形成了帶有線粒體的原核細胞，在擁有這個動力工廠后，再演化出了細胞核、內(nèi)膜系統(tǒng)等真核生物特征。

這兩派的爭論點集中在線粒體祖先（α-變形菌）進入宿主的時間點上，為什么這個時間點這么重要？

因為這個進入真核細胞祖先的線粒體祖先，到底是怎么進入的，是一個極重要的討論點。有些科學(xué)家認(rèn)為是通過吞噬作用進入，另一些科學(xué)家則認(rèn)為是細胞擁有了線粒體后，細胞才有了吞噬作用。于是，問題又轉(zhuǎn)到吞噬作用上了。

吞噬作用是某些細胞以變形運動方式吞食微生物或細小物體的作用。這看似很簡單的過程，其實需要大量能量，還需要細胞有動態(tài)的細胞骨架和膜運輸能力。

如果細胞吞噬細菌需要大量能量，要是沒有線粒體這個能量工廠為其供能，它根本無法將線粒體的祖先吞噬?？墒牵@時線粒體祖先還沒被吞噬，線粒體又如何成為細胞的能量工廠？如此一來，就像進入了一個時間漩渦，到底先有雞還是先有蛋？即到底先有線粒體，還是先有吞噬作用？

若是先有吞噬作用，那真核細胞的祖先在吞噬線粒體的祖先時，便已經(jīng)進化到一定程度了，線粒體的到來不過是在真核細胞的進化上錦上添花而已，這就是晚期線粒體假說。但是，如果是先有線粒體，線粒體為真核細胞祖先提供大量能量，因為有這個能量工廠，真核細胞祖先被它推動進化，形成了之后的真核細胞，那線粒體對真核細胞的進化則是雪中送炭，這就是早期線粒體假說。

線粒體內(nèi)共生的早期、晚期模型之爭，至今并無定論，兩個學(xué)派各有證據(jù)，提出不少假說。

例如，1998 年比爾?馬?。˙ill Martin）和米克洛什?米勒（Miklos Muller）[1] 提出了“氫假說（Hydrogen Hypothesis）”—— 一個需氫產(chǎn)甲烷的古細菌作為宿主與一個產(chǎn)氫的 α-變形菌融合，二者互相依賴形成穩(wěn)定共生關(guān)系。這個模型說明線粒體祖先內(nèi)共生后，因擁有產(chǎn)生大量能量的線粒體，觸發(fā)了真核生物的發(fā)生，表明先有線粒體才有真核細胞與吞噬作用。這個假說是最有名的早期線粒體模型。但是，對該假說提出質(zhì)疑的科學(xué)家認(rèn)為，該模型中產(chǎn)生甲烷的過程非常復(fù)雜，需要大量輔酶，而在如今的真核生物中并沒有發(fā)現(xiàn)這些輔酶。

晚期線粒體假說，則有安東尼?普爾（Anthony M. Poole）和娜佳?紐曼（Nadja Neumann）在 2011 年 [2]、喬安?馬?。↗oran Martijn）和泰斯?艾特瑪（Thijs J.G. Ettema）[3] 在 2013 年提出的吞噬古生菌模型（phagocytosing archaeon model，PhAT）；洛佩斯?加西亞（Lopez Garcia）等人 [4] 在 2006 年提出的共生假說，以及皮蒂斯?亞歷山德羅斯（Pittis Alexandros）等人 [5] 在 2016 年提出的內(nèi)共生模型。在這些模型里，他們都認(rèn)為線粒體形成較晚，特別是吞噬古生菌模型，認(rèn)為吞噬機制是線粒體祖先和真核細胞祖先融合的先決條件。

總體來說，如今早期線粒體假說更為流行。

尋找新證據(jù)

今年 2 月，Molecular Biology and Evolution 上刊登的一篇論文 [6] 通過實驗又為晚期線粒體假說增加了一個證據(jù)。

這篇論文是由瑞典烏普薩拉大學(xué)的進化微生物學(xué)家萊昂內(nèi)爾?蓋伊（Lionel Guy）團隊發(fā)表，他們對軍團菌目（Legionellales）的細菌進行了測序，這些細菌是胞內(nèi)寄生菌，可以在真核細胞內(nèi)生長。通過對 35 個軍團菌類的基因組分析，他們構(gòu)建了軍團菌的進化歷史及其與早期宿主的關(guān)系。蓋伊的團隊通過生物標(biāo)志物奧克酮（Okenone）來進行追溯，推斷第一個適應(yīng)宿主的軍團菌祖先存在于 18.9 億年前。也就是說，在 18.9 億年這個時間節(jié)點時，軍團菌的祖先便已經(jīng)感染了真核生物的祖先，這種感染是通過吞噬作用進行的，也就可以從側(cè)面證明此時已有吞噬機制。而目前許多研究認(rèn)為，含有線粒體的細胞首次出現(xiàn)是在近 15 億年前，這晚于吞噬機制存在的時間。這樣看來，線粒體的出現(xiàn)便是在真核細胞祖先具有吞噬作用之后 —— 先有吞噬，后有線粒體，為晚期線粒體假說提供了證據(jù)。

但是，又有科學(xué)家證明線粒體內(nèi)共生很早，認(rèn)為是在 12.1 億-20.53 億年間，更甚者認(rèn)為是在 20 億-24 億年之間。如果線粒體內(nèi)共生的時間這么早的話，那使用蓋伊教授他們的證據(jù)就不能證明吞噬作用早于線粒體的形成了。

線粒體內(nèi)共生的早期、晚期爭論依然無法定論。關(guān)于線粒體的起源里還有很多復(fù)雜的細節(jié)有待研究和解釋，但無論結(jié)論如何，事實都證明了真核細胞祖先和線粒體祖先結(jié)合產(chǎn)生的巨大生存競爭優(yōu)勢。這強大的競爭力和不斷進化，形成了我們?nèi)缃竦亩嘧硕嗖实氖澜纾ㄟ@個世界里的我們。

主要參考文獻

• [1] Martin W, Müller M. 1998. The hydrogen hypothesis for the first eukaryote. Nature 392(6671):37–41.

• [2] Poole AM, Neumann N. 2011. Reconciling an archaeal origin of eukaryotes with engulfment: a biologically plausible update of the Eocyte hypothesis. Res Microbiol. 162(1):71–76.

• [3] Martijn J, Ettema TJ. 2013. From archaeon to eukaryote: the evolutionary dark ages of the eukaryotic cell. Biochem Soc Trans. 41(1):451–457.

• [4] Lopez-Garcia P, Moreira D. 2006. Selective forces for the origin of the eukaryotic nucleus. Bioessays 28(5):525–533.

• [5] Pittis AA, Gabaldón T. 2016. Late acquisition of mitochondria by a host with chimaeric prokaryotic ancestry. Nature 531(7592):101–104.

• [6] Hugoson E,  Guliaev A,  Ammunét T,  Guy L. Host Adaptation in Legionellales Is 1.9 Ga, Coincident with Eukaryogenesis [J]. Mol Biol Evol. 2022, 39(3):msac037.

廣告聲明：文內(nèi)含有的對外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。