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如果你对生命足够好奇，你一定要来读这本书。

无论你所修何种专业，无论你爱好兴趣如何，更无论你的阅读背景与习惯，这本书都会为你开启认识生命的前所未有的方式。

我无法告诉你我读到这本书有多兴奋。作者探究的丰度和深度足够烧脑，但层层推进伴有幽默诙谐的方式绝不会让你浅尝辄止。

作者尼克·连恩（英语：Nick Lane，1967年生）是一位英国生物化学家和科普作家，伦敦大学学院进化生物化学教授，致力于遗传，进化和环境学的研究，2015年获得生物化学协会奖，2016年获Michael Farada奖（英国皇家协会颁发给为大众传递科学知识的优秀作者的奖项）。

主要科普作品有《能量、性、死亡：线粒体与生命的意义》（Power, Sex, Suicide: Mitochondria and the Meaning of Life）、《生命之源：能量、演化与复杂生命的起源》（The Vital Question: Energy, Evolution, and the Origins of Complex Life'），如果大家感兴趣，可以继续到作者网站继续猎奇（http://nick-lane.net）。

本书中文版来自猫头鹰出版社2013年5月出版的《能量、性、死亡：线粒体与生命的意义》（译者：林彦纶；ISBN：9789862621431）

线粒体：隐匿的世界统治者

粒线体是细胞内的小小胞器，我们对能量的需求，绝大部分都是靠它们产生的ATP（腺苷三磷酸）来满足。每个细胞内平均有三百至四百个粒线体，也就是说，人体内约有一万兆个粒线体。基本上每个复杂细胞中都有粒线体。它们看起来像细菌，而它们的外观也没有骗人：粒线体的确曾经是自由生活的细菌，约在二十亿年前它们适应了在更大的细胞体内生活。粒线体的内部仍留着一部分基因体片段，这些DNA就像是彰显它们曾一度独立生活的徽章。它们和宿主细胞之间曲折的关系形塑了生命的整幅纹理，从能量、性、生育力，到自杀、老化、死亡。

粒线体是个半公开的秘密。许多人因为不同的原因听过它的名字。在报纸和部分教科书里，它们被简略地称做「生物的发电厂」，是活细胞内的小小发电机，生产了我们生存所需的几乎所有能量。单一细胞内通常有数百个或数千个粒线体，它们在此利用氧气将食物彻底燃烧。它们如此迷你，十亿个粒线体可以轻轻松松地装进一粒沙大小的空间里。生物演化出粒线体，就像是安装了涡轮引擎，轰隆隆地转动起来，随时蓄势待发。所有动物的体内（包括最懒散的那些），都至少有一些粒线体。即使是固着不动的植物和藻类，也利用它们来扩充光合作用所撷取的太阳能。

还有一些人则是对“粒线体夏娃”这个字眼比较熟悉。据信她是当代人类的共同祖先中，和我们最接近的一个，如果沿着母系血缘向前回溯我们的基因遗传，由孩子回推到母亲，再到外祖母，向未知的过往一路追踪下去，就会找到她。藉由这种方法找到的那位最初的母亲，粒线体夏娃，被认为曾生活在十七万年前的非洲，因此也被称做“非洲夏娃”。我们可以像这样追溯遗传上的祖先，是因为粒线体还保有小小一组自己的基因，粒线体的基因只会透过卵细胞，而不会透过精子传给下一代。这意味着粒线体基因扮演了类似于母系姓氏的角色，使我们可以藉此回推母系的祖先，就像一些家族会追踪着名人物的嫡传后裔，如征服者威廉、诺亚或先知穆罕默德。虽然近来有人质疑其中的部分原理，但整体而言这个理论还是算数。当然，这项技术不只能帮我们寻找祖先，也能帮助我们厘清谁不是我们的祖先。根据粒线体基因分析，尼安德塔人和现代的智人没有血缘关系，他们走向了灭绝之路，消失在欧洲大陆的边缘。

粒线体也因为它在犯罪鉴识方面的用途而登上头条，它们可以用于身分重建，不管对象是活人还是死尸，许多知名案件的调查都曾用到这个方法。此一技术同样要动用到粒线体的那一小撮基因。俄罗斯末代沙皇尼古拉二世的身分便是靠着比对其亲族的粒线体基因而确认的。第一次世界大战结束时，在柏林有一名十七岁的少女被从河中救起，她声称她是沙皇失散的女儿安娜塔西亚，之后她被送进了精神病院。一九八四年，在她过世之后，粒线体的分析驳斥了她的说法，长达七十年的争论才终于落幕。此外还有一些更近期的例子，世贸中心的灾难中，有许多遇害者的遗体无法辨识，最后是靠着粒线体基因鉴定他们的身分。这个方法也被用来区分海珊和他的一名替身。粒线体基因之所以这么好用，有一部分要归因于它的数量众多。每个粒线体中，同样的基因会有五到十组拷贝，而每一细胞内通常有数百个粒线体，所以在单一细胞中，同一个粒线体基因就会有数千份拷贝。在此同时，核基因只会有两组拷贝，它们位在细胞的控制中心——细胞核内。因为上述的原因，一点粒线体基因都抽不到是很罕见的。加上我们和母亲及母系亲属拥有同样的粒线体基因，因此一旦抽到了粒线体基因，通常就意味着可以确认或推翻预设的母亲关系。

此外还有粒线体老化理论，这个理论主张，老化以及伴随老化而来的疾病，其成因是一种人称自由基的活性分子，而它们会在细胞正常行呼吸作用时从粒线体渗漏出来。粒线体并不是完全「防火花」的装置。当它们利用氧气燃烧食物时，溢散的自由基火花会破坏邻近的构造，包括粒线体本身的基因，和距离更远的细胞核基因。细胞内的基因每天大约会被自由基攻击一万到十万次，具体来说就是每秒都会有基因遭到摧残。这些损伤多半都可以轻松地被修复，然而频繁的攻击还是会造成不可逆的突变，永久性地更动基因序列，而这样的突变会在一生当中不断累积。受损严重的细胞陆续死亡，像这样持续的耗损就是老化和退化性疾病背后的原因。许多残酷的遗传疾病也和自由基攻击粒线体基因所造成的突变有关。这些疾病的遗传模式通常很古怪，而且在每一代患者间的严重性也不一致，不过一般而言都会随着年纪增长愈见恶化。粒线体遗传疾病常会侵袭代谢旺盛的组织如肌肉组织和脑组织，导致癫痫、运动障碍、眼盲、耳聋和肌肉退化。

还有些人对粒线体的印象则来自一种颇具争议性的不孕症疗法：从捐赠者的健康卵细胞取出粒线体，移入不孕症女的卵细胞内。此一技术被称为卵质转移。当它在新闻界初次登场，英国一家报社刊登时为这个故事配上了一个趣味的标题：「两女一男合产一子」。这个标题活灵活现地表现了技术的特征，而且不完全是错的，因为细胞核内的基因都来自「真正的」母亲，有一部分的粒线体基因则来自「捐赠者」母亲，所以婴儿确实从两个母亲身上分别得到部分的遗传物质。虽然有超过三十名看来健康的婴儿透过这项技术诞生，但出于伦理以及实务上的考量，英国和美国后来便禁止了这项技术。

粒线体甚至曾出现在星际大战电影里，做为虚构的科学根据，用来解释赫赫有名，与你同在的原力，这还触怒了一些狂热的影迷。在最早的几部电影里，原力被当做一种精神上的，或甚至是宗教上的存在来理解，但在后续的电影里则说那是「迷地原虫」所制造的产物。何谓迷地原虫？一位绝地武士好心地解释它是「显微镜层级的生命体，存在于每个生物细胞内。我们与之共生，并藉这种关系从彼此身上得到助益。如果没有迷地原虫，生命便不会存在，我们也没有机会认识原力。粒线体（Mitochondriumt）和迷地原虫（Midichlorian）在名称和本质上的相似性难以忽视，而且看来创作者是有意如此的。粒线体的祖先是细菌，它们也以共生生物的身分住在我们的细胞内（共生生物是与他种生物共享互利关系的生物）。粒线体也像迷地原虫一样具有许多神奇的特质，它们甚至可以形成彼此沟通的分支网路。在一九七○年代，玛格利斯提出了粒线体源自细菌的着名论点，一度也颇受争议，但现今大部分生物学者都把它当做事实来接受了。

粒线体的这几个面向，都是一般人可以透过报纸或是大众文化了解的。还有另一些面向，虽然对大众而言或许比较深奥，但近一二十年在科学家间相当着名。最重要的像是细胞凋亡，或称计画性细胞死亡，指的是细胞为了个体的整体利益而自杀，牺牲小我完成大我。大约从九○年代中期开始，研究人员发现，细胞凋亡并非像早先认为的那样由细胞核内的基因所控制，而由粒线体掌握控制权。其中的意涵在医学研究上相当重要，因为，细胞在该凋亡时不凋亡，正是癌症的主要原因。如今，有许多研究人员已经不再将矛头指向核内基因，改为针对粒线体下手。但是，这个主题还有更深一层的意义。在癌症的状况下，个别细胞会争取自由，挣脱枷锁，不再为整个生物体服务。在个体的早期演化时，要把这样的枷锁强加在细胞上是很困难的：试想，一个有能力自由生活的细胞，凭什么要接受死刑判决来换取成为群体一员的权利？尤其是当它大可选择脱离群体，再次独自生活的时候？如果没有计画性细胞死亡，多细胞生物或许根本演化不出团结个别细胞的约束力。而计画性细胞死亡又得仰赖粒线体，所以，如果没有粒线体，多细胞生物可能也就不会存在。为免口说无凭，请让我补充一点：所有多细胞的动物和植物真的都有粒线体，千真万确。

现在，粒线体还在另一个圈子里非常出名：真核细胞的起源。真核细胞是具有细胞核的复合型细胞，植物、动物、藻类和真菌都是由这类细胞所构成。真核（eukaryotic）指的是基因在细胞内的座位，其希腊文词源意思是真的细胞核。但坦白说，这个命名是有缺陷的。事实上，真核细胞除了细胞核外还具备许多其他零碎杂物，比方说——粒线体。真核细胞最初是怎么样演化出来的？这是现今的当红议题，一般的说法是，原始真核细胞逐步向现今的样貌演化，然后有一天，它吞进一支细菌，这细菌被囚禁了数代后变得完全依赖它而生，最终演化为粒线体。根据这个理论，我们的共同祖先会是种没有粒线体的低等单细胞真核生物，是从原始真核细胞尚未捕捉到粒线体供其驱使之前的年代，所留下来的遗产。但如今，这十年来谨慎的遗传分析结果显示，所有的真核细胞似乎都拥有或曾经有过（但后来舍弃了）粒线体，这暗示了复杂细胞的起源和粒线体的起源是不可分割的：两件事其实是同一件事。如果这是真的，那不只是多细胞生物的演化需要粒线体，就连构成多细胞生物的真核细胞也需要粒线体在其起源中扮演重要角色。若上述为真，那就可以说，没有粒线体，地球上就不会有细菌以外的生物了。

粒线体另一个比较秘而不宣的层面，和两性间的差别有关，实际上，它是两性世界的必要条件。众所周知，性是个难解的课题：以性作为繁衍手段时，要有一对父母才能得到一个小孩，然而，复制或孤雌生殖只要母亲就够了；添加一个父亲的形象不只冗赘，还会浪费空间和资源。更糟的是，性别一分为二意味着我们可以选择的对象只有总人口数的一半，至少就以传宗接代为前提的性来说是如此。就算不用传宗接代，每个人都是同一个性别，或是有接近无限种性别也会比较好，「两性」是最差的状况。七○年代后期有人给这个谜提出了答案，这个解释现在已经广为科学家所接受，虽然一般大众还没有那么清楚。这个答案和粒线体有关。我们必须区分出两种性别，是因为必须要有一种性别专门将粒线体透过卵细胞传递下去，同时要有另一性别特化出不会将粒线体送出的精子。我在本书第六部会提出其解释。

这几条研究的方向，一起将粒线体重新拱上了它自五○年代后再未享受过的尊荣地位（彼时才刚发现它是细胞内能量的来源，供应细胞所需的几乎所有精力）。顶尖期刊《科学》也出了点力，在一九九九年为粒线体贡献出它的封面和大篇幅的内文，标题是《粒线体大翻身》。这段日子里它之所以会被忽略，有两个原因，其一是生物能学（研究粒线体产能的学门）被认为是一门困难而冷僻的学问。「别担心，反正大家都不懂粒线体」，这句回荡在讲堂里，令人安慰的细语可以生动地概括这个现象。第二个原因和分子遗传学在二十世纪后半的强势有关，《粒线体》一书的作者薛弗勒特别提到：「分子生物学家之所以忽略了粒线体，可能是因为粒线体基因会被发现时，他们还没有办法察觉这有多深远的涵义以及应用价值。必须要经过一段时间，累积了够广够深的资料库之后，才有办法引导出值得投入的问题，主题包括人类学、生源论、疾病、演化等等。」

粒线体是个半公开的秘密，但毕竟还是个秘密。尽管它近来大大有名，实际上却仍是一团谜。有许多重大的演化问题甚至都还没有陈述，更遑论会有有在期刊中定期讨论；几个应运粒线体而成长的领域，往往只会很务实地被尽归给它们的本科专家。比方说，粒线体产生能量所采用的机制，也就是泵送氢离子穿过膜（化学渗透），在所有生物，包括最原始的细菌体内都有发现。这样的方法相当古怪。以某位评论者的话来说就是，「达尔文之后生物学界再没出现过这么违反直觉的想法，其程度直逼爱因斯坦、海森堡和薛丁格。」然而这个想法最终被证明是正确的，并且在一九七八年为米歇尔挣得一座诺贝尔奖。然而绝少有人问：为什么如此奇特的产能方法会成为这么多不同物种的骨干？这个问题的答案向生命起源的幽暗之处抛出了一线光芒。这点我们之后将会看到。

还有一个有趣的问题很少被注意到：为什么粒线体基因还持续存在？已知的文献一路追踪我们的祖先找到粒线体夏娃，利用粒线体基因拼凑物种间的关系，但却不问粒线体基因为何存在。我们单纯只是预设那是它的细菌祖先遗留下来的。或许吧，但问题是粒线体基因大可以整段转移到核内。不同物种转移到核内的基因并不相同，然而所有具粒线体的物种也都在其内部保留了完全相同的一组核心基因。这些基因有何特别之处？在接下来的章节里我们将会披露最佳解答，也会解释为何细菌永远无法达到真核生物的复杂度。这说明了为什么宇宙中其他地方的生命形式可能卡在细菌的窠臼里，走不出去；为什么我们或许并不孤单，但几乎肯定会是寂寞的。

类似这样的问题还很多，一些思考敏锐的人会在专门文献中提及，但这对大部分的群众并不会造成困扰。表面上看起来，这些问题似乎深奥到荒谬的程度，想必连最聪明的科学专家也不会想考虑这些问题。但若把这些问题全部合起来，它们的答案天衣无缝地解释了演化的整个轨迹，从生命本身的起源，到复杂细胞和多细胞生命体的诞生，到大体型、性别以及温血动物的演化，一直到老化衰退以及死亡。从解答里浮现的这幅广阔图像，为我们带来了崭新的领悟——为什么我们存在于此？是否我们是宇宙里唯一的生物？我们为什么会有个体性？为什么我们要做爱？我们的根在哪里？为什么我们必须老化、必须死亡？——简而言之，它们向我们诉说了生命的意义。口才出众的历史学家费南德萨姆斯托曾写过：「故事有助于解释故事本身；如果你知道事情如何发生，你会开始理解它们为何发生。」同样的，在重建生命的故事时，「如何」和「为何」也密不可分。

我试图将这本书的书写对象设定为广大的读者群，或许你们没有科学和生物学背景，但是如果要讨论一些最新研究的影响和意义，我不免会使用一些专门术语，并且预设你们对细胞生物学有基本的了解。就算你们熟知这些词汇，有些章节可能还是很有挑战性，但我相信，为了科学的迷人之处，以及与那些触及生命意义的未解问题奋力缠斗，而后终于见到一线曙光时的兴奋激动，费点力气是值得的。在研究远古（比方说百万年前）发生的事件时，要得到明确的答案几乎是不可能的。尽管如此，我们可以运用我们所知的一切（或是我们认为我们所知的一切）来缩小可能答案的范围。线索就散布在生命的各个层面，有时出现在最不可思议的地方，正是因为要解读这些提示，读者必须对现代细胞生物学有所认识，也因此部分章节会显得困难。这些线索让我们能够排除一些可能性，并专注于剩下的选项，这样的做法师法自福尔摩斯。正如这位侦探所言：「当你排除不可能的选项后，剩下来的无论多么难以置信，必定是事实真相。」虽然在演化的领域搬弄「不可能」这样的字眼有点危险，但重建生命一路起来最可能采取的途径，确实有种扮演侦探般的满足感。希望我能把自己感受到的兴奋透过书写传给各位。

为了方便快速检索，我在本书最后的名词解释表列出了大部分的专有名词和它们简短的定义，但在我们继续下去之前，或许可以先在这里让没有生物背景的读者感受一下细胞生物学的气氛。生物细胞自成一个微型宇宙，是可以独立存在的最简单生命形式，因而也是生物的基本单元。有些生物体像阿米巴原虫或细菌，单单只有一个细胞，又称单细胞生物。其他生物则由众多细胞构成（以我们人类来说是数兆个），像这样的生物就是多细胞生物。研究细胞的学门是细胞学（cytology），这个名词的来源是希腊语的cyto，意指细胞（原意是圆形的容器）。许多专有名词都有用到cyto-的字根，如细胞色素（cytochrome，细胞内的有色蛋白质）、细胞质（cytoplasm，细胞内部除了细胞核之外的生命物质），还有一种用法是以cyte来指称细胞，例如像是红血球（erythrocyte）。

并非所有的细胞都是平等的，有些细胞的配备比其他细胞来得更多。配备最少的细胞是细菌，它们是最简单的细胞。就算在电子显微镜下观察，细菌提供的构造资讯也少得可怜。它们非常小，直径几乎不到一微米（一毫米的千分之一），外观通常不是圆球状就是短柱状。它们以坚硬便具有通透性的细胞壁和外界隔绝，在其内侧，几乎紧贴着细胞壁的，是一层轻薄但相对不具通透性的细胞膜，厚度只有几奈米（一毫米的百万分之一）。这层膜，薄得让你感觉不到它的存在，细菌利用它生成能量，因此我们在本书中将一再提到它们。

细菌细胞的内部（事实上是所有细胞的内部）是细胞质，它具有胶状的质地，各种生物性分子溶解或悬浮于其中。用一百万倍的放大倍率，也就是我们可以达到的最大倍率来观察，可以依稀看见其中一些分子，这使得细胞质看起来有些粗糙，就像是从空中俯看一片被鼹鼠侵扰的田地。首先看到的是长而如线圈般盘卷的DNA，它们是编织基因的原料，其扭曲的轨迹就像被恶劣鼹鼠开挖的工程。半个世纪前华生和克里克披露了它们着名的双股螺旋结构。除此之外还有一些皱纹，那是大型蛋白质，它们即使被放大到这个倍率依旧只是勉强可见，但它们其实是由数百万个原子构成的，这些原子排列精确，其实际结构可以藉由X光绕射解开。然后就到此为止了。即便生化的分析已经说明了细菌这种最简单的细胞实际上非常复杂，其不可见的构造还藏有许多故事，但我们双眼能见的就只有这么多了。

我们自身则是由另外一种细胞所组成的，是我们的细胞农场中配备最充足的一群。首先，它们大多了，其体积通常是细菌的数百或数千倍。看得见的内部构造也更多。一叠叠盘绕的膜状物，皱褶处处；各式各样，或大或小的囊泡，像封紧的夹链袋般将细胞质隔绝开来；细丝构成的致密分支网路——细胞骨架，提供细胞构造上的支持和弹性；还有胞器——细胞内独立的器官，专司特定任务，正如同肾脏专司过滤那般。但最重要的是细胞核，那颗支配着小小的细胞宇宙的忧郁星球。细胞核这颗星体简直就像月球一样布满坑洞（应该说是小孔）。具备这种细胞核的真核细胞，是这世上最重要的细胞。如果它们不存在，我们所知的世界也不会存在。所有植物和动物，所有藻类和真菌，基本上我们肉眼可见的所有一切，都由真核细胞构成，而它们每一个都怀抱着自己的细胞核。

细胞核内含有构成基因的DNA分子，此处的DNA和细菌的DNA在细部的分子结构上是完全一样的，但它们大尺度的外观构造却大相迳庭。细菌的DNA会形成长而扭曲的一圈。曲折的鼹鼠洞最终会头尾相连，成为一个封闭的环形染色体。真核细胞多半会拥有一定数量的相异染色体，以人类来说，这个数字是二十三，这些染色体多半是线性的而非环状的——线性的意思并不是说这些染色体被一条条拉长排成一直线，而是表示每条染色体都有两个端点。在一般状况下，我们即使用显微镜也无法看见这些构造，但在细胞分裂时期，染色体的构造会改变，压缩为管状而可被辨识。大多数的真核细胞具有成对的染色体，因而被称为二倍体，所以人类细胞内其实有四十六条染色体。在细胞分裂时成对的染色体两两相配，仅以腰部相连，在显微镜下呈星形。这些染色体不是只由DNA构成，还有专门的蛋白质包覆着它，其中最重要的一种名为粗蛋白。这一点和细菌相当不同，细菌的DNA都没有组蛋白包覆，是裸露的。组蛋白不仅保护真核细胞的染色体不受化学性伤害，也对基因的存取通路进行把关。

当克里克发现了DNA的结构，他随即明白了基因遗传是如何运作的，当天晚上就在酒吧里宣布他了解了生命的秘密。在制造蛋白质或是DNA时，都需要DNA本身做为模板。互相缠绕的双股螺旋彼此是对方的模板，所以当细胞分裂，两股DNA被拉开时，个别的任一股都具备足够的讯息，可以重建出完整的双股DNA，最终产生两份相同的复本。编写于DNA上的讯息写明了蛋白质的分子结构。克里克说，这是生物学的「中心法则」：基因编写蛋白质的密码。长长的DNA磁带是一段貌似永无止尽的序列，只由四种分子「字母」写成，正如同所有英文单字甚至书籍都仅由二十六个字母排列而成。DNA的字母序列指定了其蛋白质产物的结构。基因体是单一生物体所拥有的全部基因总和，可以包含高达十亿个字母。基本上一个基因只编写一个蛋白质的密码，而这会用上数千个字母。蛋白质是由一系列名为胺基酸的单位所串起的长链，而胺基酸排列的精确顺序决定蛋白质的功能特性。基因的字母序列决定其蛋白质产物的胺基酸序列。如果字母的序列出现改变，也就是「突变」了，有可能会造成蛋白质结构的改变。但这并非绝对，因为遗传密码有重复和简并的现象，有时不同的字母排列会指向同一个胺基酸。

蛋白质是生命最瑰丽耀眼的一环。它们的形式和功能几乎是数不清的，生命的富饶多元，可以说全都来自于蛋白质的丰富多变。蛋白质缔造了生命的所有实质成就，从代谢到运动、飞行到视觉、免疫到讯息传导。它们依其功能大致被归入几个不同的分类。其中最重要的一群大概是酶，它们是生物性的催化剂，可以让生化反应的速度加快好几个数量级，而且它们区别原料的能力令人惊叹。有些酶甚至能够辨别同位素（同一种原子的不同形式）。其他重要的蛋白质分类还包括荷尔蒙和荷尔蒙接受器、免疫蛋白（如抗体）、DNA结合蛋白（如组蛋白）还有结构蛋白（如织维和细胞骨架）。

录有密码的DNA沉睡着。大量的讯息深锁在细胞核的宝库里，就像珍贵的百科全书会被安全地收存在图书馆中，而不是放在工厂供人随时翻查。而在日常使用上，细胞仰赖的是由RNA构成的一次性复印本。RNA这种分子和DNA的构成原料相似，但它们被纺成单股的丝线，而非互相缠绕的双股螺旋。几种不同的RNA被用来执行不同的任务。首先是传讯RNA，它的长度和基因大致相同。传讯RNA像DNA一样，由一串字母组成，而且它们的序列也正是DNA上的基因序列的复写本。基因的序列会以略微不同的笔迹转录至传讯RNA上，虽然字体有所改变，但完整的内容都有保留下来。这种RNA是飞翔的信使，从细胞核内的DNA出发，穿过核上有如月球表面般的孔洞，移动到细胞质，停泊在某一座制造蛋白质的工厂。细胞质内有数千个这样的工厂，它们是核糖体，以分子构造而言它们极其庞大，以肉眼看来则是微乎其微。它们有些点缀在细胞的内膜系统上，使得后者在电子显微镜下显得有点粗糙，另外一些则散见于细胞质内。核糖体的组成分包含蛋白质和另外几种RNA，任务是将来自传讯RNA的编码讯息转译成蛋白质的语言，也就是胺基酸的序列。转录和转译的整个过程都受到许多专门的蛋白质调控，其中最重要的是转录因子，负责调节基因的表现。当某个基因被表现了，这个基因就从沉睡的密码化身为积极的蛋白质，准备在细胞或是其他地方执行它的任务。

基础细胞生物学补强完毕，现在我们回到粒线体。它们是细胞内的胞器之一，胞器这种微小的器官专司特定的任务，以粒线体来说的话就是制造能量。我之前提过粒线体曾一度是细菌，而且外观上仍然有点像细菌（图1）。一般而言它们被描述成香肠状或是虫形，但其实它们也可能采取相当扭曲的形状，例如螺旋形。它们的尺寸多半和细菌差不多大，长度约是一毫米的千分之几（一至四微米），直径则约为半微米。构成我们身体的细胞一般具有大量的粒线体，实际数量依个别细胞的代谢需求而有不同。像肝脏、肾脏、肌肉及脑细胞这类代谢旺盛的细胞会有数百甚或数千个粒线体，约占细胞质的百分之四十。卵细胞（或卵母细胞）更不寻常，她本身携带有约十万个粒线体，全都会传给下一代。相反的，血球细胞和表皮细胞的粒线体则非常少，甚至可能没有；精子的粒线体通常不到一百个。据说一个成人的体内合计有一万兆个粒线体，约占我们体重的百分之十。

粒线体以双层膜将自己和细胞其他的部分区隔开来。其外膜为一连续且平滑的表面，内膜则不客气地深深凹陷，形成褶叠或是小管状的构造，称为皱褶。粒线体并非固着不动，相反的，它们经常活跃地在细胞内移动，哪里需要它，就往哪里去。它们像细菌一样自行分裂增殖，甚至会相互融合形成庞大的分支网络。粒线体最初是在光学显微镜下被发现的，它们在显微镜下呈颗粒、短棒或是细丝状，不过它们的起源在一开始就颇有争论。德国学者阿尔特曼是最早发现粒线体重要性的数人之一，他在一八八六年提出了一个论点，指出这些小颗粒正是构成生命的基本粒子，并据此将它们命名为原生粒。阿尔特曼认为「原生粒」是细胞内唯一的活物，它们在此形成小小的社群互助而居，细胞只是提供保护的外墙，就像铁器朝代的人生活在他们建筑的防御建设之中。细胞的其他构造，如细胞膜和细胞核，是由「原生粒」因应自己的需求而建造出来的，而水状的细胞质则是这个迷你要塞里的液体粮仓。

阿尔特曼的想法从来没有被大众接纳，他还成了别人嘲笑的对象。其他人认为，所谓原生粒，不过是显微样本的复杂制程中所产生的杂质，被阿尔特曼天马行空的想像力渲染而成的假象。还有一些其他状况更加剧了他人对阿尔特曼的质疑。当时的细胞学家们正着迷于细胞分裂时染色体之间的壮盛舞蹈，为了观察这现象，他们必须使用染剂将透明的细胞构造染色，而最适合观察染色体的染剂是酸性的。但不幸的是，这样的染剂往往会破坏粒线体；细胞学家对于细胞核的执着，轻易地抹杀掉了粒线体存在的证据。另外一些染色的结果则互相矛盾，它们只能暂时替粒线体上色，而粒线体自己又会使染剂的颜色消失不见。存在或是不存在？粒线体鬼魅般的身姿使人无法对其做出定论。终于在一八九七年，本达证明了粒线体确实存在于细胞之中，赋予这个飘忽的身影一个血肉之躯。本达为它下了这样的定义：「分布于细胞质中的颗粒、短棒，或细丝，出现在几乎所有的细胞中……酸性物质或油脂溶剂会使之破坏。」而他所使用的名称，粒线体（mitochondria），语源自希腊文的mitos，意指细线，和chondrin，即小颗粒。虽然这是唯一通过了时间的考验存留至今的名称，但在当时，「粒线体」只是这个构造众多称呼中的其中一个。粒线体拥有过堂堂三十个以上，令人混淆不清的名字（包括chondriosome、chromidium、chondriokonts、eclectosome、histomere、microsome、plastosome、polioplasma和vibrioden）。

粒线体的存在终于被学界承认了，但说到它的作用，当时的人仍然是毫无头绪。几乎没有人和阿尔特曼一样，将构成生命的基本性质归功于它；大部分人在寻找的是更清晰确实的定位。有些人认为粒线体是蛋白质和脂质合成的中心，也有人认为基因位在粒线体上。实际上，最后是染剂颜色的神奇消失破解了这个谜团：染剂的颜色消失是因为被粒线体氧化了，此一过程类似于细胞行呼吸作用时食物的氧化。一九一二年，金伯利呼应此一发现提出假设，认为粒线体可能是细胞呼吸作用的中枢。一九四九年甘乃迪和雷宁杰证实了这个说法，他们的实验结果显示呼吸作用相关的酶确实位在粒线体内。

虽然阿尔特曼提出的原生粒假说在那时备受恶评，但除了他之外有不少学者也曾认为粒线体是某种和细菌有关系的独立生命体，以共生生物的身分生存在细胞内。共生生物是共生有关系中的一份子，共生关系，就是两种共同生存的生物都因对方的存在而获益。埃及行鸟和尼罗河鳄就是是个经典的例子，埃及行鸟会啄食尼罗河鳄齿缝间的食物渣滓，这对尼罗河鳄来说是牙齿保健，对埃及行鸟而言则是一顿免费的午餐。类似的互利关系也会出现在细胞上，如细菌有时会寄宿在较大型的细胞内成为内共生菌。在二十世纪初时，几乎所有的胞器都被认为有可能是内共生菌（它们或许因应互利共生的关系而有所更改），被怀疑过的包括细胞核、粒线体、叶绿体（负责植物的光合作用）还有中心粒（组织细胞骨架的胞器）。以上这些理论的立论根据只有胞器的外形和行为模式，像是移动和自主分裂行为，所以理论的发展一直迟滞不前。更大的问题是，这些学者彼此之间恶斗连连，为了争抢排名而严重分化，几乎无法获得任何共识。正如科学史研究者塞普在他的着作《合作演化》中所说：「于是展开了一个讽刺的故事：由一群极度利己主义的人来指出演化里互助合作所带来的创造性。」

争论愈演愈烈，在一九一八年，法国科学家波提耶发表了他辞藻华丽的杰作《共生体》之后，更是到达最高峰。他大胆地声称：「所有的生物体——所有的动物，从阿米巴原虫到人类，以及所有植物，从隐花植物到双子叶植物——都是由两种不同个体互相结盟，嵌套而成的。任何一个活细胞的原生质体，都包含一种特定的组成分子，组织学家称之为粒线体。这种胞器，以我的观点来说，无非是一种共生细菌，我将它称为共生体。」

波提耶的着作在法国引起轩然大波，毁誉参半，在英语世界却没有多少人注意。然而，这是第一个不以粒线体和细菌外观上的相似度做为立论基础，而是试图分离粒线体进行培养的研究。波提耶声称他完成了这个实验，培养出了「原始粒线体」——就他的解释，是尚未完全改变以适应共生状态的粒线体。他的发现曾被巴斯德研究所的微生物研究小组公开质疑，因为他们无法重复这项实验，而且遗憾的是，波提耶巩固了自己在索邦大学的地位后就放弃了这个研究领域。他的研究就这样默默地被遗忘了。

又过了几年，在一九二五年时，美国人瓦林也独立提出了自己的意见，肯定粒线体的细菌本质，并宣称这亲密的共生关系正是驱动新物种诞生的力量。他的主张同样走向分离培养粒线体，而且他也同样认为自己的实验成功了。然而又一次，大家因为实验无法再现而兴致消退。但这次共生的想法并没有遭受到同样的恶毒言语而被抹杀，美国的细胞学家威尔逊在他着名的发言里归纳了当时群众普遍的态度：「毫无疑问，对许多人来说，要在生物学协会上表彰这样的奇想是很荒诞的；尽管如此，未来的某一天，这些说法也有可能会需要被严肃看待。」

威尔逊口中的某一天发生在半个世纪后，那是一九六七年的六月，嬉皮的爱之夏，正适合我们诉说不同物种亲密共生的故事，玛格利斯向《理论生物学期刊》提交了她着名的论文，让上个世纪那「娱乐性的白日梦」披上科学的衣裳，起死回生。在当时这个立论已经变得比过去有力许多：粒线体内被证实有DNA和RNA存在，一些证明和核基因无关的「细胞质遗传」性状案例，也被列入了记载。玛格利斯当时刚嫁给宇宙学家萨根，而她采用了宏观的切入角度检视生命的演化，不仅考虑生物学的部分，还顾及大气层演变的地质证据，还有细菌和早期真核生物的化石。她在这项任务中提供了微生物解剖学和化学方面的完善洞察力，以及评估共生发生可能性时所需的实际环境要素。即使如此，她的论文还是被驳回了。她那影响深远的文章曾被十五家不同的期刊摒于门外，直到《理论生物学期刊》眼光远大的编辑丹涅利终于采纳了她的文章。在当刊发行之后，出版社史无前例地在一年内收到了八百次再刷要求，就为了这篇文章。她的着书《真核生物的起源》虽然和学院出版社签订了合约，却还是被退稿了，最后是在一九七○年由耶鲁大学出版社公开发行，成为本世纪最具影响力的科学书籍之一。玛格利斯以极具说服力的方式编整诸多证据，使她一度被视为异端邪说的观点变成了普遍接受的事实，至少，在叶绿体和粒线体的部分是如此。

然而时光流转，刺骨的反对言论持续存在着，虽然只有少数人理解，但它们意义重大。如果没有这些质疑，最终的共识就不会如此牢靠。每个人都同意粒线体和细菌间确实有可以对照的相似之处，但不是每个人都对这其中的涵义有一致的看法。粒线体基因的确具有细菌的特质：它们坐落在单一环形的染色体，而不像核基因位于数条线性的染色体上，而且它们没有被组蛋白包裹，是「裸露」的。再加上，细菌和粒线体之间，由DNA进行转录和转译，制造蛋白质的过程也雷同。它们组装蛋白质的产线也相似，而且在许多细节上也都不同于真核细胞。粒线体甚至拥有自己的蛋白质合成工厂，也就是核糖体，而且外观就跟细菌的一样。许多种抗生素藉由阻断细菌的蛋白质合成发挥功效，而它们也会抑制粒线体的蛋白质合成，却对真核生物的细胞核基因没有影响。

相加之下，这些相似之处听起来让人似乎可以不做他想了，可是实际上还是有其他可能的解释，也正是这样的可能性支撑起漫长的争论。实质上，粒线体会具有细菌的特性，也可以解释为粒线体内的演化速度较细胞核来得慢。如果事实如此，那粒线体之所以会比较像细菌，可能只是因为它们演化速度没有那么快，还来不及追上细胞核的脚步。它们保留着较多古老的性状，是因为就算有某些性状不怎么令人满意，但粒线体基因不会在两性结合时发生重组，性状就可以在这个位置被永续保存。我们无法驳斥这个论点，除非我们知道确实的演化速度，而要知道演化速率得要定出粒线体基因的序列并且进行比较才行。一直等到一九八一年，桑格的剑桥团队对人类粒线体基因进行定序后，世人才知道粒线体基因的演化速度其实比细胞核基因来得更快。它们具有原始特质的唯一可能性，就是因为它们和古老的生物有直接的关联；最终，这个关联被证明是指向特定的一类细菌，即α-变形菌。

即使是真知远见的玛格利斯还是有出错的地方，对我们剩下的这些学者而言算是喜事一桩。玛格利斯也和其他共生说的前辈同声一气，她宣称只要找到合适的生长因子，分离培养出粒线体是迟早的事。然而今天我们已知道这是不可能的。粒线体基因体的详细定序结果说明了原因：粒线体的基因只编写了寥寥数个蛋白质讯息（精确地说是十三个），以及制造这些蛋白质所需的遗传装置而已。绝大多数的粒线体蛋白质（约有一千五百个）是由拥有约三万个基因的细胞核所表现的。因此粒线体虽然看起来是独立的，但也只是看来如此，并非事实。它们必须仰赖两组基因体（细胞核和粒线体）一事，可以在一些特别的蛋白质身上获得进一步证实，这些蛋白质由数个次单元结合而成，其中有一些次单元由粒线体基因表现，另一些则来自核基因。正因为它对两组基因体的依赖性，粒线体只可能在宿主细胞内培养，它们确实该被画归为「胞器」，而不是共生生物。尽管如此，「胞器」一词实在不足以传达它们非凡的历史，无法让人洞察它们在演化上深远的影响。

还有一点至今仍有许多生物学家和玛格利斯持不同意见，是关于共生现象背后的演化力量。在玛格利斯看来，真核细胞是多次共生性吞并后的产物，作为元件的细胞在不同层次上归入更大的整体。她的理论被称为「序列性内共生理论」，意指真核细胞透过一系列细胞间的吞并而诞生，形成了细胞住在细胞体内的共同体。除了叶绿体及粒线体之外，玛格利斯也援引了细胞骨架及组织细胞骨架的中心粒，认为它们源自另一种细菌——螺旋体。实际上，根据玛格利斯的看法，整个有机世界就是相亲相爱的细菌们合作的精巧作品，也就是微缩生态系。这个想法可以追溯到达尔文本人，他曾在他着名的篇章里写道：「每个生物都是一个微缩生态系——由多如天上繁星，小得难以置信，自行增殖的生命体所构成的小宇宙。」

微缩生态系的概念美丽而富有启发性，但也让一些难解之题浮上台面。合作和竞争并不是二选一的选择题。由不同细胞合作产生的新细胞和新物种，只是让竞争向上提高了一个层级，现在竞争发生在更复杂的生物之间，而不在于它们合作的次单元体——更何况有不少次单元体其实为自己保留了大部分的利益，包括粒线体在内。不过，这个包容一切的共生观最大的问题还是粒线体本身，它正摇着手指，告诫我们不要高估微观世界的合作力量。所有真核生物似乎都拥有，或拥有过粒线体（只是之后舍弃了），换句话说，拥有粒线体是成为真核状态的先决条件。

究竟为什么会这样呢？如果细菌间的合作是如此司空见惯的事情，我们应该会看到五花八门的「真核」细胞，每一种都携带着一套不同的共生细菌。确实，我们看到了很多这样的例子——真核细胞的合作范围是很大的，特别是那些居住在人迹罕至之处，如泥巴里或海床上，比较低等的微生物族群。然而，我们很惊讶地发现，这些广布各处的真核生物都有共同的祖先，而且全部都拥有或有过粒线体。而真核细胞与体内的其他微生物都没有这样的合作关系。也就是说，真核生物体内的合作关系，是在粒线体存在之后才出现的。如果最初的合并没有发生，其他任何合并也复函会发生。我们有几乎十足的把握可以这样说，因为细菌彼此合作和竞争了将近四十亿年，然而真核细胞只诞生过一次。获得粒线体，是生命史上极为关键的一刻。

我们一直不断发现新的生物栖地和新的亲缘关系，它们正是验证各种想法的绝佳场所，以下是一个实例。千禧年之际的一项惊人发现，是大量微小的真核超微藻类，这些小型浮游生物生活在极端的环境，如南极海的底层，或是酸性、富含铁质的河流，如西班牙南部的红酒河（因为它的暗红色泽而闻名，古腓尼基人还称它为「火之河」）。一般而言，这类环境会被认为是是刻苦耐劳的「嗜极端性」细菌的地盘，不会预期在这样的地方找到纤弱的真核生物。真核超微藻类和细菌尺寸相当，又偏好类似的环境，这让人产生了很大的兴趣，认为它们可能是细菌和真核生物之间的过渡产物。但尽管它们个头小，对极端环境又有不寻常的偏爱，却完全符合已知的真核生物分类：遗传分析的结果显示它们丝毫不会影响原有的分类系统。这真是跌破大家的眼镜，这座为真核生物议题增添大量新变数的冒泡喷泉，实质上只在一些我们认识多年的类群下，增添了几个亚群而已。

在这些未知的环境中，我们期待能长到几组独一无二的合作关系，但我们没有。我们反而找到了更多原有的组合。举青绿藻（Ostreococcus）为例，它是目前已知最小的真核生物，直径小于一毫米的千分之一，也就是一微米，它甚至比大多数的细菌都还小，却完美具备了真核生物的特性。它拥有一个内含十四条线性染色体的细胞核，一个叶绿体，以及最引人注目的，几个微小的粒线体。它并不孤独，因为那座意外的喷泉里还有许多生活于极端环境的真核变种，包含二十到三十个真核生物亚群，尽管尺寸小，它们似乎全者拥有或拥有过粒线体。

以上这些代表了什么呢？代表粒线体不仅仅是随便一个寻常的合作对象：它们掌握向复杂生命体演化的关键。本书所要叙说的正是粒线体为我们带来了什么。我省略了许多教科书内会出现的专业面向和附带的细节，如紫质的合成，甚至于呼吸作用的克式循环。（它原则上可以在细胞内任何其他地方进行，但实际上却只会在一个合宜的场所出现，就是粒线体）。取而代之的是，我们可以透过本书看到为什么粒线体对生命，对我们的生活，造成了如此巨大的改变。我们将会看见，为什么粒线体是这个世界的地下统治者，是能量、性和死亡的主宰。

2024-07-06 16:32:45