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在时光的长河中，但凡是主流，必产生于异端。

完满是一种盲端，也就意味着没有了更多可能。

能承受怎样的复杂度，才有可能迎接多精彩的未来。

第八节 为何线粒体能实现复杂性

在上一节，我们思考了细菌为何在形态方面始终维持着小而朴实的样貌。原因主要和细菌所面临的筛选压力有关。它们面对的筛选压力和真核细菌有所不同，因为大部分的细菌都不会吃其他的细菌。所以它们要在数量上获得成功，主要得靠复制的速度。这又取决于两个关键因素：第一，复制细菌基因体是细菌复制过程中最慢的一步，所以基因体愈大，复制速度就愈慢；第二，细胞分裂需要能量，因此能量效率愈低的细菌复制得愈慢。基因体大的细菌往往会在竞争中输给拥有小基因体的对手，因为细菌会利用水平基因转移的方式抽换基因，因而能够随时装配有用的基因，并在失去利用价值后丢掉它们。所以，在基因方面负担较轻的细菌复制较快，比较有竞争力。

如果两个细胞拥有的基因数量一样，产能系统的效率也相同，那么复制较快的就会是两者之中体型较小的那个。这是因为细菌要靠细胞外侧的膜来生成能量，也要靠它吸收食物。当细菌的尺寸变大，它们表面积扩大的程度追不上内部体积的增加，它们的能量效率便会因而降低。大型细菌的能量效率较低，往往竞争不过小型的细菌。大尺寸细菌的能量劣势，妨碍了它们行吞噬作用的可能性，因为如果要实际「吞」下猎物，同时需要有较大的体型，以及足以改变细胞形状的充沛能量。因此我们在细菌身上看不到真核式的掠食行为（捕捉并吞吃猎物）。真核生物能摆脱这个困境，似乎是因为它们的产能工作在体内进行，这使它们相对不受表面积所束缚，就算体型变大几千倍也不会丧失能量效率。

就凭这个理由让细菌和真核生物走上分歧之路，听起来有点单薄。有些细菌拥有颇为复杂的内膜系统，应该能挣脱表面积的限制才对，但它们在体型和复杂度上仍无法企及真核生物的高度。为什么呢？这一节我们将深入探讨某个可能的解答：线粒体或许需要基因来控制大面积内膜上的呼吸作用。所有已知的线粒体都保留了一小群自己的基因。被留下的基因组合是特定的，线粒体之所以能将它们保留下来，是因为线粒体与宿主共生的特性。细菌就没有这项优势，它们倾向于舍弃多余的基因，因此无法持续配备着控制能量生成的整组核心基因，而此一事实使得它们始终无法发育出真核生物般的大尺寸和复杂性。

为了了解线粒体基因为何重要，以及细菌为何无法获得正确的基因组合，我们必须更深入探究二十亿年前，那两个参与原始真核联盟的细胞间的亲密关系。我们会重拾第一章暂时搁下的故事。当初我们是停在嵌合细胞获得了线粒体，但还没有发展出细胞核的时候。根据定义，真核细胞是拥有「真正的」细胞核的细胞，因此我们其实还不能将我们的嵌合怪物称为真核生物。所以，现在让我们来想想，是什么样的筛选压力将我们那奇异的嵌合细胞，转变成像样的真核细胞。这些压力不只握有真核细胞起源的钥匙，也是复杂性起源的关键，因为它们说明了细菌为什么始终是细菌——它们为什么永远无法单靠天择的力量演化成复杂的真核细胞，而必须求助于共生关系。

请回想一下第一章，氢假说的关键在于基因从共生菌身上转移至宿主手中。这没有用上什么演化的新发明，只需要这两种亲密合作的细胞身上原有的配备。我们可以肯定基因确实会从线粒体转移到细胞核内，因为今天的线粒体身上几乎没剩什么基因，而且许多核内基因毫无疑问就是源自于线粒体，这可以从其他物种的线粒体上获得证实，因为不同物种的线粒体丧失的基因不同，同样的基因在其他物种的线粒体里可能还看得到。所有物种的线粒体都失去了绝大多数的基因，数量或许高达数千个。这其中到底有多少基因被送进核里，又有多少只是单纯地消失了，实际的数字还有待专家商榷，不过，看来有数百个基因很有可能是被送进细胞核内的。

对于不了解DNA的「黏性」及弹性的人来说，线粒体的基因突然岀现在细胞核中，简直像是在变戏法，就像从帽子里抓出兔子一样。它们到底是怎么办到的？实际上，这种基因跳动的情形在细菌间相当常见。先前我们提过，水平基因转移是很普遍的，细菌从环境中取得基因是一种常态。虽然我们一般认为「环境」指的是细胞外的地方，不过从细胞内取得多余的基因甚至更加容易。

且让我们先假设，最初的线粒体是可以在宿主细胞内进行复制的。时至今日，我们的一个细胞内就有数十至数百个线粒体，即使经过了二十亿年，它们已经适应生活在其他细胞的体内，但线粒体的分裂大致上还是独立进行的。不难想像最初的时候，宿主细胞体内可能会有两个或两个以上线粒体。现在请设想，因为某些原因，例如无法取得足够的食物，其中一个线粒体死了。当它死亡时，它的基因便被释放到宿主的细胞质内。其中部分基因会很干脆地就此丧失，但少数会透过一般的基因转移被并入细胞核内。理论上每当有线粒体死亡，这样的过程都会重复一遍，每一次都有可能会多转移一小部分的基因至宿主细胞中。

这样的基因转移听起来或许有点不可靠，或是流于空谈，但其实并不会。澳洲阿德莱德大学的狄米斯及他的同事，在他们二〇〇三年发表于《自然》的论文中，证明了这个作用在演化过程中进行得多么快速，而且从不停歇。这些学者研究的主题是叶绿体（植物细胞中负责光合作用的胞器）而非线粒体，不过叶绿体和线粒体在很多方面都很相似：两者都是半自主性的产能胞器，都一度是自由生活的细菌，而且两者都还保有自己的基因体，只是大小逐渐在萎缩。狄米斯他们发现，每一万六千颗烟草种子，就会有一颗发生叶绿体基因的转移。这个数据听起来或许不怎么令人印象深刻，不过一株烟草每年会产生高达一百万颗种子，总计就有六十颗种子会有至少一个叶绿体基因转移至细胞核中——这只是单单一棵植物，繁衍一代产生的结果。

类似的转移同样发生在线粒体身上。许多物种身上都有证据可证明这样的基因转移确实会在自然界发生，证据就是，它们的叶绿体和线粒体基因在核基因体中有基因重复的现象——换句话说，同样的基因既出现在叶绿体或线粒体中，也同时出现在核里。人类基因体计划便显示，人类身上至少发生过三百五十四次独立的转移，线粒体DNA转移到了核内。这些DNA序列被称为核内线粒体序列（nuclear-mitochondrial sequence，简称numt）。它们一点一滴地描绘出完整的线粒体基因体：有些片段会重复出现，有些则不会。以灵长类和其他哺乳类来说，核内线粒体序列的转移在过去这五千八百万年中经常发生，只要我们继续探究，估计还能回推到更早以前。线粒体中DNA的演化速度比细胞核快，因此核内线粒体序列上的字母排列就像时光胶囊，让我们能稍微感受一下线粒体DNA在遥远的过去可能会是什么样子。不过，这些外来的DNA可能造成严重的混淆，它们一度被误认为是恐龙的DNA、害得犯下这个错误的研究团队个个面上无光。

时至今日基因转移都还在持续发生中，偶尔也会引起人们的注意。例如在二〇〇三年，透纳（后来他任职于华盛顿的里德陆军医疗中心）和他的合作伙伴证实，线粒体DNA自发性地转移到核中，是造成一位不幸的患者罹患罕见遗传疾病——帕霍症候群的原因。在诸多遗传疾病之中，我们还不知道其中有多少是由基因转移所造成的。

基因的转移主要是单向进行的。我们再回头来看第一个嵌合真核生物。如果宿主细胞死亡，它的寄生菌，也就是原始线粒体，就会被释放到环境中，重获自由的寄生菌可能会死亡也可能不会，但不论它们的命运为何，这项嵌合共存的实验肯定是砸了。而另一方面，要是宿主细胞内有一个线粒体死亡，但第二个线粒体活了下来，那这嵌合怪物整体而言还是能够顺利运作。要让线粒体恢复到原本的数目，活下来的线粒体只需要分裂就好。每当有线粒体死亡，释放到宿主细胞的基因，就有机会透过正常的基因重组并入宿主的染色体。这表示，这套系统有遗传上的防逆转装置，让基因只能从线粒体转移到宿主细胞，反向运转则是行不通的。

细胞核的起源

转移到核的基因会发生什么事呢？我们在第一和第二部见过的马丁认为，这番程序或许可以解释真核生物细胞核的由来。为了解其中的来龙去脉，我们得回忆一下前几章讨论过的两个论点。第一，请回想马丁的氢假说，他主张真核细胞是由一只古细菌和一只细菌的结合制造出来的。第二，请回想第六节说过，古细菌和细菌细胞膜上的脂质不同。细节我们不必深究，不过请想想看，在第一只嵌合真核生物身上我们会预期看到哪一种细胞膜。宿主细胞身为古细菌，应该拥有古细菌型的膜。线粒体是细菌出身，应该会拥有细菌型的膜。而今天我们实际看到的情况又是如何呢？真核生物的细胞膜在性质上一律都是细菌型的——不管是脂质的结构，还是膜蛋白的诸多细节（如组成呼吸链的蛋白质，以及核膜上发现的类似蛋白质）。真核生物不管是细胞膜、线粒体膜、其他的内膜结构，还是双层核膜，全都走细菌风格。事实上，完全没有任何线索显示真核生物原本拥有古细菌型的膜，尽管它的其他特征让我们几乎能完全肯定，原始宿主细胞确实是只古细菌。

我们预期会看到差异，却发现根本上的一贯性，如此的结果引发部分学者对氢假说的质疑，不过马丁将这显着的异常视为助力。他提出了一个想法，认为用来制造细菌型脂质的基因，连同许多其他的基因一起被转移到了宿主细胞。据推测，如果转移后基因还能运作，那它们就会继续执行它们的正常任务，比方说制造脂质；而它们没有理由不能像过去一样正常运作。但和过去不同的是，宿主细胞可能无法将蛋白质产物送到指定的位置（蛋白质的定向输送得仰赖特殊的「地址」序列，不同物种间互不相通）。因此宿主细胞或许成功制造了细菌产物，却不知道该拿它们怎么办；尤其是不知道该把它们送到哪里。当然，脂质是不溶于水的，因此若没有被定向到既有的膜上，它们就会凝聚形成脂质囊泡，也就是呈空心球状，内部包着水的微滴。这样的微滴就像肥皂泡泡一样，很容易彼此融合，延展成为液泡、管状泡，或扁平的囊泡。在第一个真核生物身上，这些囊泡可能就在它们生成之处（也就是染色体周围）联结了起来，形成松松垮垮的膜构造。今日的核膜正是这样的构造——不是像线粒体或叶绿体那样连续的双层膜，而是由一系列扁平的囊泡组成，这些囊泡还延伸至细胞内其他的膜系。尤有更甚的是，现代的真核细胞分裂时，核膜会解散，好让属于个别子细胞的染色体能分开；而新的核膜会在子细胞染色体的周围形成，它们集结的方式让人联想到马丁的假说，而且依旧会延伸到细胞内其他的膜系。因此，在马丁的脚本里，基因转移解释了核膜以及真核细胞所有其他膜系的形成原因。这需要的只是某种程度的迷路，或说地图阅读障碍而已。

还有一个步骤尚待完成：我们必须拼装出一个从内到外都由细菌型膜组成的细胞，换句话说，我们得把细胞膜上的古细菌脂质用细菌型脂质给替换掉。这是怎么进行的？可以想见，要是细菌型脂质能提供任何优势，比方说膜的流动性，或对不同环境的适应性，那么只表现细菌型脂质的细胞便占了这个优势。如果这样的优势确实存在，那就可以确保古细菌的脂质一定会被天择替换掉。这几乎没有用到任何遗传上的「新发明」，只是摆弄现有的材料而已。然而，还是可能会有一些真核生物斩草不除根。这是个有趣的问题：是否仍有原始的真核细胞膜上还保留着残余的古细菌脂质？有件事实可以支持这个假设。大致上，所有的真核生物，包括真菌、植物，以及像我们这样的动物，都仍拥有整套的基因，可以用来制造古细菌细胞膜的基本含碳建材，异戊二烯。然而我们不再利用它们构筑细胞膜，而是用它们来建立一支由类异戊二烯组成的军队。类异戊二烯，又称做萜类或是萜烯，所有由异戊二烯单元相连形成的构造都包括在内，是天然产物中已知最大的家族，合计共有超过两万三千种构造名列其中。包括有类固醇、维生素、荷尔蒙、香气、色素，还有一些聚合物。许多类异戊二烯拥有强大的生物功效，而被用于药物研发；例如抗癌药剂紫杉醇这种植物代谢物，便是一种类异戊二烯。因此我们并未失去制造古细菌脂质的设备；我们所做的，只是丰富了这套机制。

如果马丁的理论正确，那他已成功地借一连串简单的步骤得到了完整的真核细胞：它拥有被不连续的双层膜包裹起来的细胞核；有内膜构造；有像线粒体这样的胞器。这个细胞失去细胞壁也没关系（当然表面的细胞膜是不能丢失的），因为它不再需要细胞周质帮助它生成能量。它发源自甲烷菌，因此它的基因有组蛋白包裹着，而且转录基因以及建构蛋白质的系统基本上也是真核型的。然而另一方面，这个假想的真核细胞始祖可能没办法靠吞噬作用将食物整团吞入——虽然它拥有细胞骨架（可能承袭自古细菌或细菌），却还未获得像移动型的原生动物（如变形虫）那样机动性的细胞骨架。比较可能的情形是，最早的真核生物会像单细胞真菌那般，分泌各种消化酶到周边环境里，将食物在体外分解。一些近期的研究支持这个结论，但在这里我们将不会深入讨论，因为其中还有太多不明确之处。

线粒体为何要保留基因

诚如以上所述，基因从线粒体转移到宿主细胞已经足以解释真核细胞的发端，不需用上任何演化新发明（有不同功能的新的基因）。不过基因转移的轻松容易，反而勾起了另一个可疑的问题：为什么还会有基因留在线粒体内呢？为什么不全都转移到细胞核里呢？

在线粒体内保留基因有很多坏处。首先，每个细胞内有数百套，甚至数千套线粒体基因体（每个线粒体通常会有五到十套）。线粒体DNA之所以在犯罪鉴识以及古遗体鉴定方面如此重要，原因之一就是这庞大的套数——它们的数量丰富到令人困扰，若想分离出至少一点线粒体基因通常都没有问题。然而基于同样的道理，细胞每次分裂时都必须复制大量看似多余的基因。不只这样，每个线粒体还都必须保留自己的遗传设备，用来转录自己的基因，组装自己的蛋白质。以细菌讲求经济的标准来看（就像我们先前看过的，用不上的基因就尽快丢掉），留着这些冗赘的基因小队似乎是一大笔虚掷的开销。而且，我们在第六章将会看到，若不同基因体在一个细胞内彼此竞争，可能会造成毁灭性的后果——天择可能会使线粒体不考虑长远的代价，只顾博得眼前的某个基因，而陷入与彼此或是与宿主细胞间的斗争。第三，将基因这种脆弱的信息系统，储存在紧邻线粒体呼吸链，极易被外泄的破坏性自由基波及之处，等于是把珍贵的藏书收存在木制的简陋小屋，里头还住着一个登记有案的纵火狂。线粒体基因有多容易受破坏？这反映在它们的演化速度上——以哺乳类为例，它们比核基因快上约二十倍。

所以，保留线粒体基因是要付出极大代价的。我再重复问一次：如果基因转移很轻松容易，那到底为什么还会有线粒体基因留在线粒体？首要并且也是最浅显的原因是，问题不在于基因；线粒体需要的是这些基因的产物，也就是蛋白质，在它们体内执行功能。这些蛋白质大多和细胞呼吸作用有关，也因此对细胞的生命非常重要。如果这些基因被运送到核内，还是得找方法把它们的蛋白质产物送回线粒体，如果没有成功送达，细胞很有可能会死亡。话虽如此，但还是有许多在细胞核表现的蛋白质会返抵线粒体。它们被「标记」了一小段胺基酸链——等同于一张地址标签，指向最终的目的地，就像几页前我们讨论脂质时所说过的一样。线粒体膜表面的蛋白质复合体可以辨识这个地址标签，就像海关一样，控制膜内外的进出口情形。好几百种属于线粒体的蛋白质都以这种方式标记运送。这个系统很单纯，但正因如此又引发了一个问题——为什么不能让所有预计在线粒体作用的蛋白质，都用这种方式标记呢？

教科书上的答案是，它们可以，只是部署这一切要花很长的时间，即使以广袤的演化时间来看依旧很长。必须先顺利通过好些随机事件，蛋白质才可能被成功送回线粒体。首先，基因必须好好地并入细胞核，也就是整段基因（而不是只有片段）都被转移到细胞核内，然后融入细胞核DNA。合并之后，要能作用：这基因必须被启动，被转录，制造蛋白质。这可能会很困难，因为基因大体上是随机插入细胞核DNA的，如此可能会使原有的基因，或是主管基因活性的调控性序列被破坏。其次，蛋白质必须获得正确的地址标记，这也是一项随机事件；如果没有得到正确的标记，蛋白质就不会被送回线粒体，而是在细胞质被制造出来后就留在原地，像是进不了特洛伊的落魄木马。取得正确的地址标记需要时间，而且是极为漫长的时间。因此，理论学家认为，所剩无几的线粒体基因只不过是日渐萎缩的残迹。假以时日，或许数亿年之后，线粒体内将会一个基因也不剩。而不同物种的线粒体剩下的基因数目不同，页是坐实了此一过程的缓慢及随机特质。

光靠核是不够的

不过这个答案不是很有说服力。所有物种都失去了几乎全部的线粒体基因，但没有一个物种失去了全部的基因。它们剩下的基因全都不超过一百个，二十亿年前左右则大概有数千个，因此对所有物种而言这段旅程都已是进入了尾声。基因流失在不同物种身上平行发生，它们互不相干，各自丢弃自己的线粒体基因。以基因流失的比例来看，目前所有物种都已失去了百分之九十五到百分之九十九点九的线粒体基因。如果机运是唯一的主导因素，我们应该会预期，时至今日，至少会有几个物种已走完全程，将所有线粒体基因都转移到核基因体内。然而没有一个物种做到这点。所有已知的线粒体都还留着至少一些基因。更重要的是，不同物种中分离出的线粒体，毫无例外地保留了相同的核心小组基因。它们个别丢弃了大部分的基因，实质上却都留下了同样的一小撮，这再次暗示了这项机制的运作不该归于机运。有趣的是，和线粒体地位相近的叶绿体身上也有类似的情形：没有任何叶绿体失去了所有的基因，而且同样的，出现在它们身上的基因总是会包含相同的核心小组。相形之下，其他和线粒体相关的胞器，如氢化酶体和线粒体残迹，则是一律丧失了所有的基因。

所有线粒体都有保留基因的现象，学界提出过几个原因试图予以解释，但大部分都不是非常有说服力。举例来说，有个一度颇受欢迎的想法是说，有些蛋白质无法被标记送入线粒体，因为它们太大，或是疏水性太强了。然而事实上，大部分具有这些特质的蛋白质，也都成功地在某些物种身上，靠着标记的方式或是遗传工程，送达了线粒体。显然，要将蛋白质打包并配送至线粒体，它们的物理性质不会构成无法跨越的障碍。还有一种看法是，线粒体的遗传系统包含某些不符合通用基因密码的例外，因此线粒体基因和核基因就不是绝对等效的。如果这些基因被搬到核内，并根据标准基因密码解读出来，制造出的蛋白质便会和线粒体遗传系统不尽相同，或许会无法产生正确的功效。不过这也不是完整的答案，因为很多物种的线粒体基因是符合通用基因密码的，在这些案例里它们不应会有差别，这些线粒体也就没有理由不能被转移到细胞核——但它们却还是顽固地留在线粒体。同样的，叶绿体的基因所使用的密码无异于通用基因密码，但它们也像线粒体一样，永远在手边保留着一组基因的核心小队。

我心目中的正确答案，尽管早在一九九三年就由艾伦（其后任职于瑞典的隆德大学）提出，但最近才开始在演化生物学家之间获得认可。艾伦主张，有很多很好的理由支持线粒体基因该全部搬进核里，「技术面」上也没有明显的障碍迫使它们留下来。因此它们会留下来，一定是基于某种非常有力的正面因素。它们留在那里并非出于巧合，而是因为天择倾向保留它们，尽管这样缺点很多。两相权衡之下，利多于弊（至少就留下的这一小部分而言是如此）。但既然它的缺点如此重大而明显，那我们怎么会没有看到它的优势？它们应该要比缺点来得更有分量啊？

据艾伦所言，原因正是在于线粒体存在的理由：呼吸。呼吸作用的速度对变动的环境相当敏感——不管我们是醒着，睡着，正在做有氧运动，或是无所事事，在写书，还是在追球。面对这些突如其来的变化，线粒体需要在分子层级上调整自己的活性——这些需求太重要，而变动又太突然，不适合由远在细胞核、官僚的基因联邦政府进行遥控。这般需求骤变的状况不只发生在动物身上，也会发生在植物、真菌或微生物，它们甚至更容易受分子层级的环境变化（像是氧浓度的改变，还有冷或是热）所影响。为了有效地回应这样的骤变，艾伦主张，线粒体需要保留一支基因前哨部队在现场，因为在线粒体膜上进行的氧化还原反应，必须靠基因在当场进行严密调控。请注意这里我指的是基因本身，而不是它们所表现的蛋白质；待会我们将深入探讨这些基因为何重要。但在我们继续之前，请先注意，需要反应快速的驻地基因单位一事，不只说明了线粒体为何必须保留一小组基因，我相信除此之外，它也解释了细菌为何无法单靠天择的力量，演化成更复杂的真核细胞。

平衡问题

且让我们再次回想呼吸作用是怎么进行的。电子和质子被从食物上拆下来，并和氧气作用，以提供我们赖以维生的能量。整个反应被拆成一连串的小步骤，每个步骤只会释放出一点能量。这些步骤环环相扣构成了呼吸链，而电子从中流过，就像流过一段微小的电线。某几处释放出的能量被用来泵送质子穿过膜，将它们困在膜的一侧，就像水库的水被困在水坝的一侧。当质子从质子水库通过水坝上的特别通道（ATP酶马达中的传动轴）回流，便会推动ATP，也就是细胞能量「货币」的生成。

我们先很快地来思考一下呼吸作用的速度。每一件事都像齿轮一样紧密相扣，所以一个齿轮的速度就控制着其余所有齿轮的速度。那么，是什么控制着这些齿轮的整体速度？答案是需求，让我们来把细节彻底弄清楚。如果电子快速地通过呼吸链，那么质子泵送的速度就会很快（因为泵送质子要靠电子流），并将质子水库「装满」。而质子含量丰沛的水库能提供较高的压力，在质子通过专门的ATP酶传动轴回流时，能快速制造ATP。现在想想看，如果细胞对ATP没有需求时会发生什么事。在第四节，我们曾看到ATP是由ADP和磷酸根所构成，而当它为了供应能量而被分解，就会再次变回ADP和磷酸根。当需求很低时，细胞不会消耗ATP。呼吸作用便会将所有的ADP和磷酸根都转换成ATP，结果就是原料用尽了，ATP酶必须停机。假如ATP酶的马达没有运转，那么质子就不能再通过传动轴。质子水库接近满溢边缘。于是质子不能再逆着高压进入水库。而不泵送质子，电子便无法通过呼吸链。换句话说，如果需求低迷，一切都会卡住，呼吸作用的速度变得极度缓慢，直到新的需求再次转动所有的齿轮。所以呼吸作用的速度最终取决于需求。

不过只有当齿轮全都上了油，一切顺利运转时才是如此。其他还有别的原因会拖慢呼吸作用，它们无关乎需求，问题在于供应。我们曾提到其中的一个例子：ADP和磷酸根的供应。一般状况下，这些原料的浓度反映ATP的消耗情形，不过也有可能纯粹就是短缺了。此外还有氧气和葡萄糖的供应。如果附近没有足够的氧气（比方说如果我们窒息了），电子传递就一定会慢下来，因为没有东西能在终点移除电子。电子被逼得在呼吸链上回堵，其他的程序也就会慢下来，就跟缺乏ADP的时候一样。那么葡萄糖呢？缺乏葡萄糖时（就像我们挨饿的时候）则是进入呼吸链的电子及质子数量会受限，电子的传递因此被迫减速，也就是说每秒通过呼吸链的电子流量会降低。

因此在理想状况下，呼吸作用整体的速度应该能反映需求，也就是ATP的消耗情形，但在条件艰困，比方说挨饿或窒息，或是代谢物短缺的状况下，呼吸作用的速率就会受制于供应状况，而非反映需求。然而不管是哪一种状况，呼吸作用的整体速度都会反映在电子通过呼吸链的流速上。如果电子流得快，葡萄糖和氧气也消耗得快，而根据定义，这就表示呼吸作用也进行得很快。好了，虽然小小岔题了一下，不过现在我们终于可以回归正题。造成呼吸作用速度下降还有第三个原因，无关乎供应或需求，而是和配线的质量有关：和呼吸链本身的组成元件有关。

电子传递链的组成元件有两种可能的状态：它们可能被氧化（不持有电子）或是被还原（持有电子）。显然，它们不可能同时既被氧化又被还原——它们不是有电子，就是没电子。如果一个电子载体拾已经携带了一个电子，那么在它将原本的电子传递给下一个载体之前，都不能接收另一个电子。在它交出这个电子之前，呼吸作用会处于暂停状态。相反的，如果一个载体不持有电子，就无法传递任何东西给下一个载体，直到它从上一个载体手中接收到电子为止。在它收到电子之前，呼吸作用会处于暂停状态。因此呼吸作用的整体速度取决于氧化和还原之间的动态平衡。一个线粒体上有数千个呼吸链。当这些链中百分之五十的载体处于氧化状态（准备好从前一个载体处接收电子），百分之五十是还原状态（准备好将电子交给下一个载体）的时候，呼吸作用的进行是最快速的。如果将呼吸作用的速率以数学方式描绘下来，呈现的图形将会符合常态分布的钟形曲线。在钟形曲线的顶端呼吸作用速度最快，在其两侧，特定状态的载体偏多偏少的时候，速度则急遽下降。钟形曲线的顶端，呼吸作用速度最快的最佳平衡点，被称为「氧还均衡点」。偏离了氧还均衡点，能量生成的速度就会变慢，而如此低落的效率，如我们所知，在细菌身上是绝对会被淘汰的。

然而偏离氧还均衡点的惩罚不只是效率低落而已，其代价可谓十分惨重。呼吸链中的所有电子载体，潜在活性都很强——它们「想要」将电子交给邻居（它们的化学性质倾向如此）。如果呼吸作用正常进行，个别载体最有可能将手上的电子交给呼吸链中的下一个载体，每一个载体「想要」电子的程度，都比前一个载体略胜一筹；不过下一个载体如果已经持有电子，那呼吸链就被塞住了。于是现在使便产生了一个严重的风险，高活性的载体会改将它携带的电子交棒到其他人手上。最有希望的候选人便是氧气本身，这样便很容易形成有害的自由基，如超氧化物自由基。我曾在《氧：建构世界的分子》一书中讨论过自由基造成的伤害；而在这里，我想表达的重点是，自由基会无差别地攻击所有生物性分子。呼吸链所形成的自由基以深刻而意想不到的方式牵动着生命，包括温血动物的演化，细胞的自杀以及老化，在接下来的章节里我们将会看到相关内容。然而现在，我们先注意一件事：如果呼吸链塞住了，自由基就更容易漏出来，就像排水管塞住时，水就更容易会从裂隙喷出来。

因此，有两个很好的理由可以解释为什么要维持氧还均衡：保持呼吸作用尽可能快速进行，以及控制活性自由基的渗漏。然而维持平衡不只是保持进出呼吸链的电子量相当，还得考虑呼吸链载体的相对数量，因为载体就如同生物体内的一切，持续地在更新着，所以这项因素是会波动的。

让我们思考一下。如果呼吸链中的载体不够，会发生什么事？缺乏电子载体意味着电子流经呼吸链的速度会变慢，就像救火人龙中，传水桶的人数太少时，水要很慢才会到达起火处。水移动的速度这么慢，和缺水没有两样，就算水库是满的，房子还是会被烧光光。相反的，如果呼吸链中段的载体过多，它们累积电子的速度会比电子可以传下去的速度还快。以救火人龙来比喻的话，水桶一开始传得很快，最后却没有那么快——全都积聚在中段而变得漫无章法。两种状况下呼吸作用都会被拖慢，不是因为原料部分有什么问题，而是因为呼吸链中电子载体的数目不平衡。如果呼吸链中任何一个载体的浓度没有和呼吸作用的需求取得平衡，呼吸作用就会变慢，自由基也会泄漏而造成危害。

线粒体为何需要基因

现在我们正试图看清为何线粒体（还有叶绿体）必须在身上保留一小组基因。让我们以呼吸链最末端的电子载体，也就是我们在第四章见过的细胞色素氧化酶为例，来研究一下这档事。想像一个细胞，里头有一百个线粒体。其中有一个线粒体的细胞色素氧化酶不足。于是这个线粒体的呼吸作用慢了下来，电子在呼吸链中大塞车，并且就地逃脱呼吸链形成自由基。这个线粒体效率低落，而且正面临自毁的危险。为了改正这个情形，它需要制造更多的细胞色素氧化酶，于是它向基因发送了一条讯息：请制造更多的细胞色素氧化酶！这条讯息要如何生效呢？自由基本身很有可能就是讯号：自由基的突然爆发，可以透过某些只有被自由基氧化才会启动的转录因子（具有所谓的「氧化还原敏感性」），改变基因的活性。换句话说，如果细胞色素氧化酶不够，电子堵在呼吸链并且渗漏出来形成自由基，细胞会将突然出现的自由基，解读成细胞色素氧化酶不足的讯息。而它会回应这条讯息，多制造一些出来。

想像一下，如果基因在细胞核里会是什么样的情形。讯息成功传达，而细胞核下达指令，制造更多细胞色素氧化酶。它借由标准的地址标记，指挥新铸成的蛋白质前往线粒体——然而这个标记无法区分不同的线粒体。对细胞核来说，「线粒体」是一个概念，细胞内所有的线粒体都共享同一个地址（而且也很难有别的方法，因为线粒体的族群恒常在进行着汰换）。所以新出厂的细胞色素氧化酶便会被分配到全部的一百个线粒体身上。匮乏的那个线粒体获得的不够；而其他的线粒体则是收到太多，而它们立刻回传讯息给细胞核说：不要再制造细胞色素氧化酶了！这样显然是行不通的。线粒体势必会失去对呼吸作用的掌控，产生太多自由基。无法掌控呼吸作用的细胞一定会被淘汰掉。最起码，这会限制细胞在有益的范围内可维持的线粒体数量——而这正是关键。

现在想想反过来会发生什么事。请设想细胞色素氧化酶的基因保留在线粒体中。当请制造更多的细胞色素氧化酶！的讯息出现时，它只会传达给位在现场的基因小队。现场的这些基因便制造出更多细胞色素氧化酶，可以立刻并入呼吸链当中，修正电子流上的不平衡，恢复氧还均衡的状态。当停！不要再制造细胞色素氧化酶了！的讯息回传时，同样只会到达当地的基因小队，并且只会作用于特定那一个线粒体。这般快速的局部反应可以发生在细胞内的任何一个线粒体内，而且原则上，它同一时间可以对同个细胞的不同线粒体给予不同的处理。细胞对呼吸作用的整体速度得以维持掌控，所以，虽然要保留如此大量的基因前哨部队所费不赀，细胞仍能从中得益。将基因搬到细胞核内不是个好选择。

专业的生化学家或是观察敏锐的读者或许会反对这个观点。我在第二章曾提到，呼吸作用复合体是由许多次单元所组成，复合体I就包含高达四十五个不同的蛋白质。线粒体基因会表现其中一部分的次单元，但绝大部分是由核基因所表现的。这表示呼吸作用复合体的组成是混杂的，由两个不同的基因体共同表现。那么，占少数的线粒体基因怎么能把持一切？所有建设的决定一定都需要细胞核的参与，不是吗？不尽然。呼吸复合体似乎是环绕着少数几个核心次单元而组合起来的：这些核心蛋白一旦嵌进膜上，就扮演了指示灯和鹰架的角色，引导其他次单元围绕着它们组装起来。所以要是线粒体基因表现了这些关键的次单元，它们就能控制新复合体的建造数量。由线粒体做出建设决定，并在膜上插上旗子，而细胞核元件围绕着旗子组装起来。有鉴于细胞核一口气伺候数百个线粒体，那么在任何时间，细胞内所有旗子的总数应该都相当一致。核基因不用改变整体转录速度来弥补个别线粒体的波动，但它的效果等同于一口气掌握细胞内所有线粒体的呼吸速率。

如果这是事实，那么艾伦的理论便对哪些基因会留在线粒体内做出了明确的预测。它们应该多半会表现呼吸链中核心的电子运输蛋白，也就是那些像旗子一样插在膜上，说着「这里！」的蛋白质，例如细胞色素氧化酶。而这的确就是真相。已知和线粒体地位相近的叶绿体，也有同样的情形。当然，其他的基因也有可能被保留下来（可能是凑巧，或有其他原因），但是所有物种的线粒体和叶绿体所保留的基因，永远会表现关键的电子运输蛋白，此外就是必需的设备（如转送RNA），以便可以在线粒体内实地制造蛋白质。当基因流失到达极致，唯一（而且毫无例外）会留下来的就是呼吸作用的核心基因。举例来说，疟疾的病原体疟原虫，它的线粒体只留下三个会表现蛋白质的基因（所以，它必须在每个线粒体中随时维持着制造这些蛋白质所需的复杂设备）。这三个基因表现的全都是细胞色素，也就是呼吸链核心的电子传递蛋白——完全命中预测。

呼吸链的简化图，显示出次单元间的编排情形。每个复合体是由许多次单元所组成的，以复合体I来说是四十六个。有些次单元是由线粒体基因表现，有些则是由核基因表现。根据艾伦的假设，为了局部性地控制呼吸作用的速率，线粒体基因的存在是必要的，而这套方法若要生效，线粒体的基因应该要负责表现那些会插在膜上的核心次单元。如图所示，这点大致上是正确的：由线粒体基因表现的次单元（灰色部分）嵌入了膜的中心部分，而由核基因所表现的基因（黑色部分）结合在它们的周围。这里没有画出复合体II。它并不泵送质子，而且没有由线粒体基因所表现的次单元。

从这个理论又可推导出另一个预测，而大致上似乎也是正确的。这个预测是，任何不需要传导电子的胞器，它们的基因体都会消失。出现在某些无氧真核生物身上的氢化酶体便是很好的例子。据悉氢化酶体和线粒体有所关联，而且它们无疑是由细菌演变而来的。它的功能是行使发酵作用并产生氢气。它们不传导电子，也不需要维持氧还均衡。因此根据艾伦的理论，它们就不需要基因体——而确实，几乎所有氢化酶体的基因体都消失了。

复杂性：细菌无法跨越的高墙

如果线粒体需要核心基因来控制呼吸作用的速率，这是否能解释细菌为何无法靠天择演化成真核生物？我相信是的，虽然我必须强调这是我个人的推测。细菌和线粒体的大小差不多，因此对于这个大小的产能膜来说，一套基因显然足以控制其呼吸作用。对于那些演化出大面积内膜系统的细菌（如亚硝化单胞菌和亚硝化球菌）想必也是一样。它们单靠一组基因顺利办到了这件事，因此这应该也是足够的。不过让我们把细菌放大，把它的内膜表面积扩大两倍看看。现在，某些部分的膜或许便会脱离掌控范围。如果你认为不会，那我们再把它放大两倍，然后再两倍。以亚硝化单胞菌来说，它的内膜要经过六次或七次这样倍增的过程，才能和真核细胞相提并论。我不认为现在我们还能让呼吸作用的速率维持控制。我们要怎样才能拿回控制权？

有个方法是复制一小组基因，委派它们控制额外的膜——但我们要怎么选出正确的基因？我能想到的所有方法都需要一些先见之明（事前知道该选哪些基因），而演化没有先见之明。唯一能使这种委任产生效果的方法，是复制整套基因体，再从其中的一套将冗赘的基因逐步削除，直到没有任何多余的基因留下（就像线粒体那样）。但我们怎么知道该从哪一套基因体剔除基因？它们双方一定都能够有效地调控基因的运作。然而同时，我们手上的这只细菌拥有两套活跃的基因体，两套都面临着沉重的筛选压力，迫使它们丢掉多余的基因。这两套基因体应该都会失去一些基因，但如此一来它们就成了相异的两套基因体，彼此竞争；这有可能会造成细胞的损伤，而且一定无法使细胞安稳通过与其他细胞间的汰选战争。

如果能将个别基因体的影响范围区分开来，可能有机会阻止它们彼此之间的这种竞争。真核细胞解决地盘问题的方式，是将线粒体基因体用双层膜封起来。然而这对细菌来说是不可能的，如果把备用的那套基因封起来，它就没有办法得到食物来源，也没办法送出ATP。说得清楚一点，细菌没有ATP输出蛋白——将能量以ATP的形式送到外面的世界和对手分享？这样的特质对细菌来讲无疑是自杀行为。ATP输出蛋白，还有它所属的线粒体运输蛋白家族，总共有一百五十个成员，都是真核细胞的发明。我们之所以知道这点，是因为植物、动物和真菌的ATP输出蛋白，其基因序列明显都有关联，但细菌却没有类似的基因。这暗示ATP输出蛋白是在真核生物的最后共同祖先身上演化出来的，时间点是在这些主要分类群走向分歧之前，但比嵌合型原始真核细胞的形成时间要来得晚。

真核细胞之所以有时间演化出这般精细的构造，是因为在演化的时间长河上，形成嵌合体的双方关系稳定。这两个搭档和谐共处，而且不需要借助其他外力——它们有充分的时间和稳定性让演化得以进行。能有这样稳定性，是因为它们的合作关系有很多其他的好处。如果氢假说讲得没错，一开始的好处便是这两个极端不同的细胞在化学方面对彼此的依赖，而这样的依赖关系持续得够久，足以让ATP输出蛋白演化出来。然而，细菌单靠天择，演化时不会有相应的稳定性。复制一组基因然后用膜封起来，这件事本身没办法提供任何好处，支持细菌走过演化的过渡时期。还不只这样，无偿维持额外的基因和膜还会耗能，因此一定很快就会被天择淘汰。不管怎么看，控制大面积的膜所需要的额外基因，对细菌来说都是负担，筛选压力总是倾向将之舍弃。最安稳的状态永远是利用外膜呼吸的小细胞。

所以现在，我们终于看清了那座阻挡细菌发展大体型和复杂性的高墙。细菌尽可能快速地复制，它们至少有部分受限于ATP生成的速度。它们借由泵送质子通过表层细胞膜来生成ATP。它们长不大，因为随着它们的体型变大，能量效率就会变低。这项事实本身便让它们与真核生物那般的掠食生活绝缘，因为吞噬作用同时需要体型大和能量充足两个条件，而利用表层细胞膜呼吸就排除了这样的可能。有些细菌发展出复杂的内膜系统。然而，这些内膜系统的表面积和一个真核细胞内的线粒体膜相比，还小了好几个数量级，因为细菌没有基因的特勤小队可以控制大面积膜上的呼吸作用。而强大的筛选压力限制着细菌的繁殖速度和产能效率，因此在建立此类特勤小组基因的途中，它们就会在过渡阶段被淘汰掉。只有内共生这样的机制够稳定，可以提供长期的条件，让调控大面积呼吸的机制发展出来。

而在浩瀚无垠的宇宙中，别的地方的故事是否会有不同的情节呢？万事皆有可能，但在我看来这机会微乎其微。天择是概率的问题：不管在宇宙的任何角落，相似的筛选压力最有可能产生相似的结果。这解释了为什么天择常常殊途同归地找到同样的解决之道，比方说不同物种的眼睛和翅膀。尽管有长达四十亿年的演化时间，我们也没有看到任何细菌单靠天择演化成真核生物，除此之外，也找不到任何线粒体失去了所有基因但还保有线粒体功能的例子。我也不觉得这样的事件在其他地方的发生机率会比较高。

真核风格的嵌合体又是怎么回事呢？从第一章中我们得知，真核细胞在这里，也就是地球上，只出现过这么一次，在一连串似乎不可能发生的状况之下演化诞生。或许类似的连续情节会在别处重现，但我认为，物理法则中并没有什么部分暗示复杂生物体的诞生是必然的。物理会受到历史的干扰。我们充其量可以说，多细胞复杂性一度看似不可能发生；而没有生物复杂性的基础，智能更是不可想像。但有一天，那个至今还困住细菌的套索被解开了。第一个大型复杂细胞，也就是第一只真核生物的诞生，标识了这条道路的起点，并且几乎是势不可挡地通向今天我们身边所见，诸般壮盛的生物工程奇观——包括我们自己。线粒体对这条道路的重要性不亚于真核细胞的起源本身，因为线粒体的存在使得大体型和高度复杂性的演化不只是有机会，而是势在必行。

2024-07-06 16:37:00