第二节
线粒体是关键

既然被称为“真核生物”，我们自然会想到它和原核生物最重要的区别就是它有细胞核。那么细胞核的重要性又是什么呢？细胞核不过是用两层膜把DNA包裹起来而已，这有什么必要性和优越性吗？而且在澳大利亚的淡水湖中，科学家发现了一种细菌，叫做隐球出芽菌（Gemmata obscuriglobus）。这些微生物为球形，像酵母菌那样出芽生殖。从它们核糖体RNA（5S和16SrRNA）的序列来看，它们应该属于细菌中的“浮霉菌门”（Planctomycetes）。奇怪的是，这些细菌却有由两层膜包裹的细胞核，说明细胞核并不是真核生物的专利（参看图3-36）。

原核生物的DNA是环状的，而真核生物的DNA是线状的，那么是不是具有线状DNA的生物就是真核生物呢？引起莱姆病（Lyme disease）的“伯氏疏螺旋体”（Borrellia burgdorferi）是原核生物，却有一个100万个碱基对的线性DNA。真核生物的其他特征，例如细胞内部的膜系统和基因中的“内含子”，也可以在原核生物中找到。那么真核生物和原核生物的根本区别是什么？是什么事件使得原核生物变成了真核生物？如果要找一个真核生物都有，原核生物绝对没有的特征，那就是真核生物的细胞里有线粒体（mitochondria）而原核生物没有。那么线粒体是个什么东西呢？为什么有线粒体的细胞最后变成了真核细胞呢？

线粒体是真核细胞的“动力工厂”，是细胞合成ATP的地方。葡萄糖和脂肪酸在这里被彻底氧化，生成二氧化碳和水，释放出来的能量则被用来合成ATP。线粒体和细菌差不多大（直径约1微米），所以每个真核生物的细胞可以拥有成百上千个线粒体，相当于细胞的“身体”里面有成百上千个发电厂。细胞有了充足的“电力”供应，做什么事情都有能量保证了。线粒体是用大气中的氧来氧化葡萄糖和脂肪酸的，所以真核生物的出现是在空气中氧含量大大增加的时间（大约23亿年前）后不久。换句话说，是线粒体带来的充足的能量供应使原核细胞变成真核细胞。那么细胞里面的线粒体是如何出现的呢？

对线粒体的研究发现，线粒体不仅是一个细胞器，而且更像是一个细胞（图3-2）。它被两层膜（外膜和内膜）包裹，有自己的DNA，有自己合成mRNA和蛋白质的系统。它的DNA是环状的，类似于细菌的环状DNA。它合成蛋白质的核糖体（70S）不像真核生物的核糖体（80S），而像细菌的核糖体（70S）。它的基质相当于细菌的细胞质，里面含有三羧酸循环系统。像细菌那样，线粒体的基因也是组织在“操纵子”（operon）中的，即功能相关的基因共用一个启动子，而不像真核生物那样，每个基因有自己的启动子。线粒体也像细菌那样，通过分裂来繁殖。真核细胞不能“制造”线粒体，所有的线粒体必须从已有的线粒体分裂而来。这也符合“细胞只能来自细胞”的定律。

图3-2 真核细胞中的线粒体（上）和线粒体的祖先 α-变形菌（下）

有一种假说认为线粒体起源于被吞食的细菌。这个过程是如何发生的，现在已经不可考，但是肯定不是一种细菌“吃下”另一个细菌造成的。吞食是一个非常复杂的过程，需要有控制细胞形状的“细胞骨架”，还要有类似肌肉收缩的蛋白质使细胞膜包裹另一个细胞，还要有专门“消化”另一个细胞的“溶酶体”。所有这些原核生物都不具备，所以没有细菌吃细菌的事情，而且细菌在细胞膜外面还有细胞壁或者荚膜等形状比较固定的结构，也不适于吞食。一种可能性是古菌细胞被机械力压开（例如石头滚动），而又没有彻底将细胞压碎。细胞在恢复过程中裂开的古菌又正好把在附近的一个能够用氧彻底氧化葡萄糖和脂肪酸的细菌包裹进去。由于古菌没有溶酶体，被包裹进去的细菌也不被杀死，最后和古菌形成共生关系。要成功地实现这个过程，估计概率非常小，所以原核生物出现数亿年后，才有这种共生的情况发生。而且从所有真核生物的线粒体基因来看，它们都来自同一个祖先，也就是这样的细胞融合只发生过一次。但是就是这次“幸运”的细胞融合导致了真核生物的诞生。

在细菌中，呼吸链是位于细胞膜（即内膜）上的。电子传递时释放出的能量则被用来把氢离子从细胞内泵到细胞的内膜外，建立一个跨膜的氢离子梯度，类似于水坝蓄水。氢离子通过细胞膜再流回细胞时，就带动ATP酶合成ATP，像水库里面高水位的水经过水坝带动水轮机发电（见第二章第九节）。在线粒体中，呼吸链也是位于内膜上的（相当于细菌的内膜），电子传递释放出来的能量则把氢离子从线粒体内部泵到内膜之外，即线粒体的内膜和外膜之间。氢离子流回线粒体内部时则带动ATP酶合成ATP。所以线粒体合成ATP的结构和细菌是一样的，只不过细菌合成ATP的地方以线粒体的形式被带到另一个细胞的内部。

通过对线粒体中基因的分析（例如磷酸丙糖异构酶基因），发现它们和一类细菌，即“变形菌门”（proteobacteria）中的一种—— α-变形菌（α-proteobacteria）的基因最为相似。变形菌门是一大类革兰氏阴性细菌，外膜主要以脂多糖构成。因其形状多变而被称为变形菌（见图3-2下）。根据这些证据，科学家认为，线粒体是某种古菌 “吞并”了 α-变形菌，彼此形成共生关系而演变出来的，因为古菌已经拥有真核生物的一些特征，例如含有细菌没有而真核细胞拥有的组蛋白。古菌给α-变形菌稳定的生活环境，而 α-变形菌给古菌提供能量。因此真核细胞实际上是两种细胞的混合物，是“细胞套细胞”，它们各自的DNA至今还在。

不过在 α-变形菌的细胞演变为线粒体的过程中，许多 α-变形菌的基因逐渐转移到古菌细胞的DNA中去，使得线粒体DNA中的基因越来越少，最后只剩下为蛋白质合成需要的转运RNA（tRNA）、核糖体RNA（rRNA）的基因和少数为蛋白质编码的基因。这些蛋白质基本上都是膜蛋白，高度亲脂，如果在细胞质中合成，转移到线粒体中会很不方便，所以它们的基因就留在线粒体中，以便“就地制造”这些亲脂的蛋白质。在不同的真核生物中，线粒体基因转移到细胞核DNA中的程度不同。例如单细胞的真核生物“异养鞭毛虫”（Reclinomonas americana）的线粒体DNA有69000个碱基对，97个基因，其中62个基因为蛋白质编码，算是保留得比较多的。而在人的线粒体中，DNA只有16000个碱基对，37个基因，其中13个基因为蛋白质编码。引起人疟疾的疟原虫（Plasmodium falciparum）线粒体的DNA只有6000个碱基对，含5个基因。尽管不同的真核生物的线粒体DNA大小差别很大，基因数也不一样，但是所有这些线粒体里面的基因都不出变形菌门细菌基因的范围，说明线粒体的确是从变形菌门的细菌演化而来的。

对于“真核生物的细胞都有线粒体”这个说法，也有反对意见。这些意见的根据是有些真核生物的细胞里没有线粒体。例如寄生在人体小肠内，引起腹泻的兰氏贾第鞭毛虫（Giardia almblia，简称“贾第虫”）是一种单细胞真核生物，它就没有线粒体。贾第虫属于“古虫界”（Excavata），里面有许多靠寄生来生活的低级真核生物。这些生物一般都没有线粒体，曾经被认为是最原始的真核生物，还没有到获得线粒体的阶段，被称为“无线粒体原生生物”（amitochondriate）。但是随后的研究发现，这些生物含有“热激蛋白70”（heat shock protein70，简称Hsp70）基因，和“伴侣素蛋白60”（chaperonin60，简称cpn60）和“伴侣素蛋白10”（cpn10）的基因。这些基因都只有在线粒体或者 α-变形菌中发现，而在古菌和革兰氏阳性细菌中没有发现，说明这些“古虫”都曾经获得过线粒体，只不过后来由于寄生生活或在无氧条件下生活，不再需要线粒体，这些线粒体就退化了。

线粒体退化后，一开始可以变成氢酶体（hydrogenosome）。氢酶体和线粒体一样，也由两层膜包裹，大小也在1微米左右。它能够把丙酮酸经过乙酰辅酶A变成乙酸，在此过程中脱下的电子则经过铁氧还蛋白（ferredoxin）把氢离子还原为氢气。它还利用三羧酸循环中琥珀酰辅酶A转化为琥珀酸的步骤合成ATP（见第二章第十一节），说明氢酶体是从线粒体演变而来的。线粒体进一步退化，还可以变成线体（mitosome）。它也由双层膜包裹，但是不再合成ATP，但是合成“铁-硫蛋白”（含Fe-S结构的蛋白质）。它也含有Hsp70，说明是从线粒体变来的。而在古虫如贾第虫中，连双层膜结构都消失了，只剩下一些线粒体的基因。

所有这些事实都说明，所有真核生物的细胞都曾经获得过线粒体，只不过后来一些真核生物不再需要线粒体的氧化磷酸化功能而部分或全部失去线粒体。而原核细胞无一例外地不含线粒体，所以线粒体是区别真核生物和原核生物最根本的标志。而且线粒体的作用还不仅是为寄主细胞提供能量，它带来的内含子更使得细胞核成为必要，因而是线粒体的出现让原核细胞发展出了细胞核。