線粒體起源之謎：真核細(xì)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(shí)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(xì)胞中的細(xì)胞器（也有很少幾種真核細(xì)胞沒有線粒體，如賈第蟲屬、毛滴蟲屬等寄生蟲）。因?yàn)樗羌?xì)胞進(jìn)行有氧呼吸的主要場所，是細(xì)胞中的能量制造工廠，所以我們也把它叫作細(xì)胞的“動力工廠”。

真核細(xì)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(jìn)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(shí)驗(yàn)中觀察到了線粒體，并對線粒體進(jìn)行了分離研究，描述了線粒體的形狀和大小，但他當(dāng)時(shí)并不清楚它的功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此也未對它進(jìn)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(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)時(shí)，在需能細(xì)胞（例如肌肉細(xì)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(xì)胞中的分布，他猜測這些顆粒不是細(xì)胞自身組成部分，而是與細(xì)胞共生的細(xì)菌，因此將這些顆粒命名為“原生粒”（Bioblast）。

1897 年，德國生物學(xué)家卡爾?本達(dá)（Carle Benda）發(fā)現(xiàn)原生粒數(shù)量眾多，且形狀有時(shí)為線性有時(shí)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(xì)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(xì)胞進(jìn)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(shí)，就提出細(xì)胞中的這種結(jié)構(gòu)和細(xì)菌類似，是共生于細(xì)胞中，能夠獨(dú)立自主生活的有機(jī)體，但當(dāng)時(shí)并沒有實(shí)質(zhì)的證據(jù)來證明這一點(diǎn)。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(xì)胞吞入的細(xì)菌演化而來，但當(dāng)時(shí)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(xì)菌，這些好氧細(xì)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(dá)成互利共生的關(guān)系，逐漸形成了線粒體。這個(gè)共生體系中，寄主（好氧細(xì)菌）從宿主（原始真核細(xì)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(gè)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(dú)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(xì)胞核的遺傳物質(zhì)存在差異，而與細(xì)菌的更加相似。

第二，細(xì)胞在進(jìn)行自身繁殖時(shí)，線粒體也同時(shí)進(jìn)行增殖、分配，具有獨(dú)立性和連續(xù)性，它的分裂增殖是通過縊裂完成，和細(xì)菌類似。

第三，線粒體本身具有獨(dú)立完整的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，且這個(gè)合成系統(tǒng)的多數(shù)特征都與細(xì)菌蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)相似，和真核細(xì)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(xì)菌質(zhì)膜相似，外膜則與真核細(xì)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(xì)菌時(shí)，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(jìn)化過程中，好氧細(xì)菌原有的遺傳信息大部分已轉(zhuǎn)移合并到寄主細(xì)胞中。近期研究發(fā)現(xiàn)，真核細(xì)胞的細(xì)胞核中存在呼吸細(xì)菌或藍(lán)細(xì)菌的遺傳信息，印證了假說的觀點(diǎn)。

第六，線粒體的遺傳密碼與變形菌門細(xì)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(jī)體中依然存在類似共生現(xiàn)象，例如草履蟲吞噬藍(lán)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(xì)菌擁有氧化代謝途徑，顯然在生存競爭中，這項(xiàng)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(xì)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(xì)胞中，這不符合進(jìn)化規(guī)律。此外，內(nèi)共生起源假說不能解釋細(xì)胞核這個(gè)細(xì)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(xì)胞來源于一種好氧細(xì)菌，這種細(xì)菌在進(jìn)化過程中，某些具有呼吸作用的細(xì)胞膜逐步內(nèi)陷，包裹住部分遺傳物質(zhì)，形成了既有獨(dú)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(xì)菌中具有擬線粒體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)便是由細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)陷折疊形成，具有呼吸功能；原核細(xì)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(jìn)化而來而不是吞噬共生而成；真核細(xì)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(xì)胞自身內(nèi)膜系統(tǒng)的內(nèi)陷，而不是來自于共生細(xì)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(shí)間不同，產(chǎn)生了兩個(gè)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(xì)胞核，已具有真核細(xì)胞的特征（已有細(xì)胞核、動態(tài)細(xì)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(jìn)入宿主（原始真核細(xì)胞）的時(shí)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(xì)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(xì)胞，在擁有這個(gè)動力工廠后，再演化出了細(xì)胞核、內(nèi)膜系統(tǒng)等真核生物特征。

這兩派的爭論點(diǎn)集中在線粒體祖先（α-變形菌）進(jìn)入宿主的時(shí)間點(diǎn)上，為什么這個(gè)時(shí)間點(diǎn)這么重要？

因?yàn)檫@個(gè)進(jìn)入真核細(xì)胞祖先的線粒體祖先，到底是怎么進(jìn)入的，是一個(gè)極重要的討論點(diǎn)。有些科學(xué)家認(rèn)為是通過吞噬作用進(jìn)入，另一些科學(xué)家則認(rèn)為是細(xì)胞擁有了線粒體后，細(xì)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(xì)胞以變形運(yùn)動方式吞食微生物或細(xì)小物體的作用。這看似很簡單的過程，其實(shí)需要大量能量，還需要細(xì)胞有動態(tài)的細(xì)胞骨架和膜運(yùn)輸能力。

如果細(xì)胞吞噬細(xì)菌需要大量能量，要是沒有線粒體這個(gè)能量工廠為其供能，它根本無法將線粒體的祖先吞噬。可是，這時(shí)線粒體祖先還沒被吞噬，線粒體又如何成為細(xì)胞的能量工廠？如此一來，就像進(jìn)入了一個(gè)時(shí)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(xì)胞的祖先在吞噬線粒體的祖先時(shí)，便已經(jīng)進(jìn)化到一定程度了，線粒體的到來不過是在真核細(xì)胞的進(jìn)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(xì)胞祖先提供大量能量，因?yàn)橛羞@個(gè)能量工廠，真核細(xì)胞祖先被它推動進(jìn)化，形成了之后的真核細(xì)胞，那線粒體對真核細(xì)胞的進(jìn)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(gè)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(gè)需氫產(chǎn)甲烷的古細(xì)菌作為宿主與一個(gè)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(gè)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(xì)胞與吞噬作用。這個(gè)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(jī)制是線粒體祖先和真核細(xì)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(shí)驗(yàn)又為晚期線粒體假說增加了一個(gè)證據(jù)。

這篇論文是由瑞典烏普薩拉大學(xué)的進(jìn)化微生物學(xué)家萊昂內(nèi)爾?蓋伊（Lionel Guy）團(tuán)隊(duì)發(fā)表，他們對軍團(tuán)菌目（Legionellales）的細(xì)菌進(jìn)行了測序，這些細(xì)菌是胞內(nèi)寄生菌，可以在真核細(xì)胞內(nèi)生長。通過對 35 個(gè)軍團(tuán)菌類的基因組分析，他們構(gòu)建了軍團(tuán)菌的進(jìn)化歷史及其與早期宿主的關(guān)系。蓋伊的團(tuán)隊(duì)通過生物標(biāo)志物奧克酮（Okenone）來進(jìn)行追溯，推斷第一個(gè)適應(yīng)宿主的軍團(tuán)菌祖先存在于 18.9 億年前。也就是說，在 18.9 億年這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)，軍團(tuán)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(jìn)行的，也就可以從側(cè)面證明此時(shí)已有吞噬機(jī)制。而目前許多研究認(rèn)為，含有線粒體的細(xì)胞首次出現(xiàn)是在近 15 億年前，這晚于吞噬機(jī)制存在的時(shí)間。這樣看來，線粒體的出現(xiàn)便是在真核細(xì)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(shí)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(xì)節(jié)有待研究和解釋，但無論結(jié)論如何，事實(shí)都證明了真核細(xì)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(qiáng)大的競爭力和不斷進(jìn)化，形成了我們?nèi)缃竦亩嘧硕嗖实氖澜?，包括這個(gè)世界里的我們。

主要參考文獻(xiàn)

• [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.

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