線粒體和真核生物的起源

編譯 莫莊非

生命起源后的數十億年間，地球上唯一的生命體是微小的原始細胞——類似于今天的細菌。不過在15億年（可能更久）前，發生了一樁了不起的故事：這些原始細胞中的一種古細菌，吞下了另一種古細菌。

被吞噬的細菌沒有被消化，而是永久居住對方體內，生物學家稱之為內共生體。最終，小胞體完全整合至古生菌大胞體，成為我們今天所熟知的線粒體，即細胞的產能器。

生命起源之后最重大的演化飛躍，是從早期原核生物向更復雜真核生物的轉變，而這場飛躍中最重要的一步，是線粒體的獲得。

上述內容是你在大多生物教材里都找得到的簡介，但要把簡介內容展開來細究，故事就變得錯綜復雜。

過去幾年間，新證據的出現對“線粒體在原核-真核轉變過程中發揮重要作用”的觀點提出了挑戰。研究人員曾對第一批真核生物的現代親屬進行基因組測序，結果發現許多意想不到的基因，它們似乎既非宿主之物，也不是來自內共生體。一些科學家指出，這可能意味著第一批真核生物的演化涉及兩個以上的“合作伙伴”，而且發生過程比想象的更慢。

其他學者則認為暫時還沒理由放棄老理論，獲得線粒體可能就是點燃真核大躍進的那把火——億萬年后，植物、動物、脊椎動物以及人類出現了。來自基因組學和細胞生物學的新證據可能有助于解決這一爭論，同時也指出了認知復雜細胞起源所需填補的知識空缺。

神秘參與者的額外貢獻

過去十年間，巴塞羅那超級計算中心的演化基因組學家托尼·加巴爾東（Toni Gabaldón）和同事利用基因測序技術探索各種真核生物的基因組，其中包括一些早期真核生物的現代近親，并發現了神秘基因。

原核細胞往往小而簡單，內部結構少；現代植物和動物的真核細胞比之復雜不少，具備許多執行特定功能的細胞器

他們希望找到其譜系可追溯至古生菌宿主或線粒體祖先的基因。線粒體祖先是變形菌門α-變形菌綱的成員。但他們還驚訝地發現了似乎來自多種其他細菌的基因。

加巴爾東和同事做出假設：真核生物的細胞祖先從多種合作伙伴處獲得基因，這些伙伴可能曾被收編為內共生菌，之后又丟失了；也可能一直都是自由生活的細菌，通過水平基因轉移將自己的一個或多個基因傳遞給宿主。無論以何種形式，真核“大躍進”都涉及兩名以上合伙人。

加巴爾東在2021年的《微生物學年度評論》（Annual Review of Microbiology）中寫道：“很明顯，還有來自其他參與者的貢獻?！?/p>

真核細胞起源于被稱為古生菌的原始細胞，最終獲得復雜特征，例如細胞器，但人們對這段往事的確切順序所知甚少，許多被認為處于中間階段的種類現已滅絕。學界仍在爭論，因內共生而來的線粒體究竟是否出現于原核-真核轉變的早期階段—這決定了它究竟是演化的關鍵觸發事件，還是后期改良因素

由于年深歲久，很難確切知曉那些古老外來基因的源頭。不過亞利桑那州立大學的演化細胞生物學家約翰·麥卡琴（John McCutcheon）表示，有許多更晚出現、結構更松散的內共生體，它們的外源基因起源更易判斷。通過類比研究，科學家有望借助它們揭示線粒體和第一批真核生物的演化過程。

細胞伴侶

在粉蚧（又名水蠟蟲）的細胞里，生活著由兩種細菌組成的內共生體，其中一種“內嵌”于另一種。細菌內共生體已經與粉蚧保持了大約1億年的伙伴關系。（內共生體可制造水蠟蟲無法從飲食中獲取的必需氨基酸。）

麥卡琴和同事通過基因組分析發現，粉蚧的代謝途徑簡直就是一幅基因拼圖畫：源于蟲子自身的基因，拼接上內共生體的核酸序列，或通過環境中其他微生物的水平轉移而吸收的遺傳片段。

麥卡琴等人表示，粉蚧細胞必須演化出一套運輸系統。它能夠在曾經獨立的生物體之間來回輸送蛋白質，允許粉蚧的細胞穿過兩組內共生體膜，供“合伙人”使用。

差不多的情況也出現于寶琳蟲屬（Paulinella）細胞，一種類似變形蟲的單細胞真核細胞。寶琳蟲屬細胞在數千萬年前吞并得到內共生體，從而能夠在無葉綠體的情況下利用太陽能。德國杜塞爾多夫大學的實驗室負責人伊娃·諾瓦克（Eva Nowack）發現，寶琳蟲屬細胞基因組包含來自內共生體的基因以及通過水平基因轉移獲得的其他基因。

內共生體從寶琳蟲屬細胞處“進口”了400多種蛋白質，因此寶琳蟲屬細胞必須像粉蚧細胞那樣演化出復雜的蛋白質運輸系統。加拿大達爾豪西大學教授安德魯·羅杰（Andrew Roger）表示，“這非常令人興奮，因為它表明輸送功能的演化并不像過去想象的那么困難”。

在大約1億年的時間里，粉蚧及其內共生體已經演化出復雜的系統，可助基因產物往來穿梭，正如線粒體和它的宿主細胞那般

上述例子說明了內共生體與宿主整合的方式，也表明在真核生物演化早期，各種來源的水平基因轉移可能非常頻繁。

羅杰表示：“很多強有力的證據顯示，真核生物中存在水平基因轉移，因此真的沒理由說它不可能發生于原核生物向真核生物轉變的時期。事實上，幾乎可以肯定它確實發生了?！?/p>

逐步演化假說

加拿大達爾豪西大學的比較基因組學家約翰·阿奇博爾德（John Archibald）解釋道，古代宿主可能是逐步獲得真核生物特征的，就像購物者把商品逐件加入購物車——它們通過水平基因轉移或吞并一系列內共生體，逐漸發展完善出現代真核細胞的全部機制，其中一些新獲得基因可能對宿主很有用。

若然，當遠古宿主吞噬線粒體祖先時，它可能已經擁有了許多真核生物特征，包括一些細胞器，這意味著線粒體并非真核生物演化的主要驅動力，而是后期改良因素。

上圖從左至右分別為陰道毛滴蟲（Trichomonas vaginalis）、藍氏賈第鞭毛蟲（Giardia lamblia）和布氏錐蟲（Trypanosoma brucei）。它們都被認為是原始真核生物。生物學家對它們以及其他罕見真核生物的基因組進行測序，意外發現一些“無主”基因—似乎既非源于原始真核宿主細胞，也不是來自其線粒體共生體。這意味著可能有其他“合伙”物種參與促成了真核生物起源

不過逐步演化假說也受到不少質疑。首先，前文介紹的這些現代內共生案例，粉蚧和寶琳蟲屬這類現代真核生物，能否等同于原核-真核轉變時期的生物，能否真實反映當時的內共生情況？這是一個很大的疑問。

杜塞爾多夫大學的演化生物學家比爾·馬?。˙ill Martin）表示：“那些案例似乎告訴我們，一旦有了真核細胞，就可輕易建立胞內共生體。但對于原-真核細胞來說，情況亦然嗎？我們還不知道?！?/p>

在馬丁看來，祖先們的內共生難度可能大得多，而這不符合真核細胞逐步演化的理論。逐步演化假說認為真核細胞的祖先在吞并線粒體以前就已非常接近真核細胞，能夠輕松開展內共生；因此，若原-真核細胞如馬丁所言，很難建立胞內共生體，這就意味著它們其實距離真正的真核細胞還很遠，逐步演化假說自然站不住腳了。

事實上，有證據顯示，關鍵的真核生物特征是一次性獲得的。學習過細胞生物學的人都知道，所有真核生物都具備完全相同的一組細胞器：細胞核、核仁、核糖體、粗糙內質網和光滑內質網、高爾基體、細胞骨架、溶酶體以及中心粒。（植物和其他光合真核生物還具有葉綠體。）

霍華德休斯醫學研究所珍妮莉亞研究園區的細胞生物學家詹妮弗·利平科特-施瓦茨（Jennifer Lippincott-Schwartz）表示，標準化的細胞器套件有力地自證——它們幾乎都起源于同一時間，如若不然，不同真核生物應有不同細胞器組合。

一些生化證據也支持此觀點。宿主古生菌和內共生體細菌屬于生命之樹的不同分支，使用不同分子構建膜結構。真核細胞器的膜結構并非完全古生菌式的，因此它們不大可能來自宿主。這個情況也意味著，古生菌宿主似乎是一種相對簡單的細胞，因為它在內共生體細菌，即線粒體祖先來到后，才演化出其他細胞器。

那么關于前文提到的那些神秘外來基因，有什么說法嗎？馬丁認為還存在一種可能：所有外來基因或許都與線粒體祖先一起打包進入宿主，然后在15億年間分散至許多細菌群體。它們的開枝散葉要歸功于細菌善于交換基因的特點，卻也迷惑、誤導了后世學者，讓他們以為多個合作伙伴為真核生物起源貢獻基因。

馬丁還補充道，假使逐步演化論正確，不同真核生物譜系就應當有不同基因集合，這種不同是根本性的，可測量的，但已證明此情況并不存在。

線粒體起源之爭還將繼續。根據羅杰的說法，“我們還很難找到能用于明確區分這些理論的數據”。不過若有進一步研究揭示一些只具備某組真核細胞器子集的生物，逐步演化假說就可得實證支持。另一方面，如果證據顯示簡單的古生菌細胞確能獲得內共生體，那么“線粒體驅動真核生物形成”的理論將更具說服力。

資料來源 Knowable Magazine