导言
线粒体：世界的隐秘统治者

线粒体是细胞内的微小细胞器，以ATP的形式产生我们所需的几乎所有的能量。平均每个细胞有300—400个线粒体，在人体内约有1万兆（1016）个线粒体。基本上所有复杂的细胞都含有线粒体。它们看起来像细菌，而它们的外表也没有欺骗人：它们曾经是自由生活的细菌，它们在大约20亿年前适应了在更大的细胞内生活。它们保留了一部分基因组片段作为彰显曾经独立的标志。它们与宿主细胞的曲折关系塑造了整个生命结构，从能量、性和生育能力，到细胞自杀、衰老和死亡。

线粒体一直像一个被保守得很好的秘密。很多人因为各种各样的原因听过它。在报纸上和教科书中，它们通常被描述为生命的“发电厂”——小小的动力装置几乎提供了我们生命所需要的所有能量。我们的每个细胞中都有成百上千个这样的装置，它们利用氧气来燃烧食物。它们如此之小以至于10亿个线粒体放在一起都不及一粒沙的大小。生命演化出了线粒体后就仿佛配备了一个涡轮增压的发动机，无休止地运转，一刻不停。所有的动物，哪怕再懒散，也至少包含一些线粒体。即便是那些固定不动的植物和藻类也会在光合作用中用到它们。

一些读者可能对“线粒体夏娃”这个表达很熟悉——她被认为是当代人类共同祖先中离我们最近的那一个，如果我们沿着母系血缘追踪我们的基因遗传轨迹，从孩子到妈妈，从妈妈到外婆，向时间迷雾的深处如此追寻，就会找到她。“线粒体夏娃”——所有母亲的母亲——被认为生活在距今17万年前的非洲，因此也被称为“非洲夏娃”。我们可以通过线粒体来追踪我们的祖先，是因为所有的线粒体都保留了一小撮线粒体自己的基因，这些基因同线粒体一起可以通过卵子传给后代，而无法通过精子传给后代。这意味着线粒体基因就像母系姓氏一样，使得我们能够借此追踪我们的母系祖先，就像一些家族会从征服者威廉、诺亚或是先知穆罕默德那里沿着父系追踪遗传后代那样。近来有人质疑其中的部分原理，但整体而言，这个理论依然站得住脚。当然，这项技术不但能帮助我们了解谁是我们的祖先，也能澄清谁不是我们的祖先。根据线粒体分析，我们发现尼安德特人并没有和现代智人杂交产生后代，而是在欧洲边缘被推向灭绝。

线粒体在法医鉴定当中也崭露头角，比如说鉴定某人或某具尸体的身份，其中不乏一些著名的案例。再重复一遍，这项技术完全依赖于线粒体所携带的那一小撮基因。比如最后一个俄国沙皇——尼古拉二世的身份就是通过和亲戚的线粒体基因的比对而确定的。第一次世界大战末期，在柏林一个从河边被救起的17岁的女孩声称自己是沙皇失散的女儿阿纳斯塔西娅，之后她被送进了精神病院。1984年，在她过世以后，线粒体基因分析最终否定了她是沙皇女儿的说法，这场历经70年的争议和喧嚣最终尘埃落定。还有一些更为近期的例子，比如在“9·11”恐怖袭击事件中，在世贸中心的很多无法辨别的受害者残骸通过线粒体基因分析被确定了身份，而把萨达姆与他的多个替身区分开来也用了相同的技术。线粒体基因之所以被广泛应用于分析的一个原因是它们在细胞中的数量很多。每一个线粒体都有5到10份它们自己基因的拷贝，而每个细胞里有几百个线粒体，也就是说在一个细胞里，同一个线粒体基因会有几千个拷贝，相比之下，在细胞核（细胞的控制中心）里一个基因只有2份拷贝。因此完全无法提取出任何线粒体基因的情况是很罕见的。而一旦提取到基因，结合我们与母亲或者母系亲属有着完全相同的线粒体基因的事实，就可以帮助我们轻易地确认或推翻预设的亲缘关系。

“线粒体衰老理论”主张衰老以及很多与之相关的疾病都在正常细胞呼吸时由线粒体泄漏出的称之为“自由基”的活性分子所导致的。线粒体并不是完全的“防火花”。当它们用氧气燃烧食物时，自由基火花会逃离并对附近的结构造成损伤，包括线粒体本身的基因和距离更远的细胞核内的基因。我们身体里面的基因每天要承受自由基1万—10万次的攻击，也就是说每秒都要被虐待一次。这些损伤多半都可以轻松地被修复，但是攻击偶尔还是会造成不可逆的突变——基因序列发生永久性的改变——而这些改变将会伴随我们的一生。那些受伤比较严重的细胞会死去，而细胞持续的损耗最终会导致机体衰老并引起一系列的退行性疾病。很多让人痛苦不堪的遗传疾病也和线粒体自由基所导致的基因突变有关。这些疾病经常呈现出诡异的遗传特征，一代人和一代人之间的严重程度也会有变化，但总体来说都是随着年龄的增长而不可逆地恶化。线粒体疾病的一大特征就是会出现在新陈代谢较为旺盛的组织中，比如肌肉和大脑，因而产生癫痫，也会造成一些行动失调，致盲致聋，以及肌肉退化。

线粒体被另一些人所熟知是因为一项饱受争议的不孕症疗法，在这项疗法中，一个健康女性所提供的卵子中的线粒体被转移到另一个不孕女性的卵子中——这项技术被称为“卵质转移”——即把卵子中的一部分物质进行转移。当这项技术第一次被报道的时候，一家英国报纸用了醒目的标题《两个母亲和一个父亲的婴儿出生》。这个媒体所擅长的引人注目的标题也并不完全错误——尽管细胞核中的基因都来源于它“真正的”妈妈，但是的确有一部分线粒体基因来源于提供线粒体的那位“供体”妈妈，婴儿的确从两个不同的妈妈那里获得了基因。尽管通过这种方式诞生了超过30个表面上完全健康的婴儿，但出于伦理和操作上的考虑，这项技术在美国和英国都被法律所禁止。

线粒体甚至进入了《星球大战》的电影，作为著名的“与你同在”的原力的虚构的科学解释，当然这些解释引起了星球大战粉丝们的愤怒。在开始的一系列电影中，原力被虚构为精神上而非宗教上的，但是在之后的电影中，则被解释为“原力体”的产物。原力体，据某位绝地武士说是“一种存在于所有活的细胞当中的微观生命形式。我们和它们是共生关系，因为这种关系使得我们彼此获益。没有原力体，生命将无法存在，而我们也会变得对原力一无所知”。不管在发音上还是在功能上，原力体和线粒体之间都是如此相似以至于你根本无法认为这仅仅出于巧合。线粒体也的确起源于细菌并和我们的细胞形成了共生关系（生物之间因为互相受益而形成的紧密的共同存在的关系）。正如原力体一样，线粒体也具备很多谜一般的特征，甚至可以通过分支网络而相互沟通。林恩·玛格利斯于20世纪70年代提出了线粒体起源于远古细菌的假说，尽管当初这个假说饱受争议，但是现在已经基本被生物学家们当作事实接受了。

所有的这些线粒体的方方面面都通过报纸或者其他的公共传媒被大众所熟知。而线粒体的其他的一些方面尽管在过去的一二十年里被科学家所广泛熟知，但是对于大众却是陌生的。这其中最重要的就是细胞凋亡，又称为程序性细胞死亡，在这个过程中，个体细胞因为集体利益，即整个身体的利益而选择了自杀。大约在20世纪90年代中期，研究者发现细胞凋亡并非像之前人们所料想的那样由细胞核中的基因控制，而是由线粒体操纵。这项发现对于医学研究尤其重要，因为癌症发生的根本原因就是细胞无法进入程序性细胞死亡，而是一直存活并不断分裂。如今很多研究者放弃寻找细胞核中那些能影响癌细胞生存的基因，转而将注意力放在了线粒体上，尝试通过以某种方式操控线粒体诱发癌细胞的凋亡。然而这个发现还有更深的意义，在癌症中，个体细胞挣脱了整体利益至上的脚镣转而追求个体细胞的自由。在演化的早期，个体细胞因整体利益牺牲个体自由甚至生命的行为似乎很难理解：为什么一个细胞会因为可能存在的整体利益而接受死亡的惩罚，以获得生活在一个社群中的权利？尤其当它依然保留了脱离这个社群去独立生活的可能性的时候？没有程序性细胞死亡，可能永远不会演化出复杂多细胞生物中细胞间的那种紧密的联系。而因为程序性细胞死亡取决于线粒体，那么没有线粒体可能多细胞生物根本不会存在！这并不是异想天开，的确所有多细胞的植物和动物真的都含有线粒体。

另一个线粒体扮演重要角色的领域则是真核细胞的起源。真核细胞指的是那些具有细胞核以及其他复杂结构的细胞，动物、植物、藻类以及真菌都由真核细胞构成。真核这个词源自希腊文（eukaryotic），表示“真正的核”，而细胞核则是基因的所在地。实际上这个名字具有明显的欺骗性，真核细胞除了细胞核以外还包含其他的一些结构，比如说，线粒体。这些复杂的结构是如何演化出来的？这是现今的热点话题。根据目前的理论，真核细胞逐步演化直到某一天吞噬了一个细菌，这个细菌没有被真核细胞消化掉，而是被奴役了几代以后，变得完全依赖它而生，最终演化成为线粒体。这个理论也预测了我们共同的祖先应该是某些鲜为人知的没有线粒体的单细胞真核生物——它们是线粒体被原始真核细胞捕捉并驱使前那个时代的遗老。可是经过十几年的仔细的基因分析，所有已知的真核细胞似乎都拥有或曾经拥有过（但后来遗失了）线粒体。这似乎暗示了，复杂细胞的起源和线粒体的起源是密不可分的——这两件事实际上是一件事。如果这是事实的话，那么不但多细胞生物的演化是以线粒体的存在作为前提的，而且真核细胞的复杂结构的出现也依赖于线粒体。如果这些都是真的，我们也可以进一步大胆推断，如果没有线粒体，地球上的生命形态将会一直在细菌阶段止步不前。

另一个线粒体所涉及的更不为人知的方面是和两性之间的差异有关，可以说线粒体是两性出现的必要条件。性是一个广为人知的难解之谜：通过父母两性结合繁殖产生一个小孩，而克隆繁殖或孤雌繁殖只需要母亲，父亲的角色不单是多余的且浪费空间和资源。更糟糕的是，两性的存在意味着我们只能从一半的种群中寻找配偶，至少当我们把性看成是繁衍后代的手段时是这样。不管是否繁衍后代，所有的个体都保持同样的性别，或者是有无限多种的性别都好过只有两种性别的存在：只有两种性别并且只能找异性繁殖后代简直是最糟糕的情况。而这个谜题的答案在20世纪70年代被提出，如今被科学家广泛接受，但是对于大众却很陌生，相信你也猜到了——和线粒体有关。我们需要有两种性别，因为一种性别必须要特化产生可以传递线粒体的卵子，而另一种性别则必须特化产生不传递线粒体的精子。我们将在第六章中讨论形成这种现象的原因。

所有这些研究方向都让线粒体重新回到了20世纪50年代时的光辉岁月，那时线粒体刚刚被认定为细胞中的能量产生场所，供应我们所需的几乎所有能量。1999年，顶尖学术期刊《科学》用了封面和相当大篇幅以《线粒体回来了》为标题报道了有关线粒体的研究成果。而回望线粒体被忽视的这些年，大约有如下两点主要原因。一是生物能学——研究线粒体中能量产生的学科——被认为是艰难而晦涩的领域，以至于人们总是在听完学术报告后说“不用担心，没有人真正听明白线粒体研究者们在讲什么”，这令人宽慰的总结在讲堂里久久回荡。第二个原因和20世纪后半叶分子遗传学的出现有关。正如著名的线粒体研究者伊莫·舍夫勒所说：“分子生物学家忽视线粒体的原因在于，线粒体基因发现所带来的遥不可及的意义和应用很难被科学家们充分认知。必须经历一段时间，积累了足够多的观察和数据从而形成数据库，才能用以解答人类学、生物起源论、疾病、演化等相关的充满挑战的问题。”

我曾在开篇的时候说线粒体是一个被保守得很好的秘密。尽管新的发现让线粒体名扬四海，但是很多方面依然迷雾重重。很多有关如何演化的问题甚至都没有被提出来，更不要说在科研杂志上定期讨论了：围绕着线粒体所展开的各个研究领域都遵循传统各自开展探索。比如说，线粒体产生能量的机制——通过跨膜主动泵运质子（化学渗透）——存在于包括最原始细菌在内的所有的生命形式。这是一种非常古怪的产生能量的方法。正如一位评论者所说：“自达尔文之后，生物学领域再也没有一个人像爱因斯坦、海森堡或薛定谔那样提出一个违反直觉的想法。”但是化学渗透这个想法被证明是真实存在的，并使得彼得·米切尔在1978年赢得了诺贝尔奖。不过有一个问题却很少被提出：为什么如此独特的一种产生能量的方法却被各种不同的生命形式采用？我们将会看到，这个问题的答案向生命起源的幽暗尽头投射了一束光。

另一个很少被触及的但非常迷人的问题是为什么线粒体的基因会被一直保留下来。很多的学术论文追踪我们的祖先一直到“线粒体夏娃”，甚至用线粒体基因去探究不同物种之间的关系，但很少去探讨这些基因为什么会存在。它们仅仅被认为是来自细菌祖先的遗物。或许是这样吧。但问题是，线粒体的基因可以轻而易举地被整体转移到细胞核中。不同的物种都把不同的基因转移到细胞核中，但是所有包含线粒体的物种都保留了几乎相同的一批核心基因。这些基因到底有什么特别之处？这个问题的答案将帮助我们了解为什么细菌永远不会企及真核生物的复杂程度。同时也解释了为什么生命有可能在宇宙的某个角落停留在细菌阶段亘古不变：为什么我们也许并不孤独，但是我们却几乎注定了要承受寂寞。

还有很多敏锐的思考者们在专业文献中提出了很多其他的问题，尽管这些问题很少困扰广大读者。乍看起来，这些问题带有一种令人发笑的深奥，即便是最爱钻研学术的科学家也很少会去触及。但是当把这些问题汇集在一起，问题的答案则使得那些演化的轨迹无缝衔接起来，从生命起源本身到复杂细胞以及多细胞生物的产生，再到演化出更大的体型、性别、温血，最终衰老并且死亡。从这些答案中所浮现出的全幅景象为很多问题提供了崭新的答案——为什么在这里？我们在宇宙中是否孤独？为什么我们有个人意识？为什么我们要做爱？我们往哪里寻根？为什么我们必须衰老然后死亡？——简而言之，它告诉我们生命的意义到底是什么。善辩的历史学家菲利普·费尔南德斯-阿梅斯托写道：“故事可以解释故事本身，如果你知道一些事情是如何发生的，那么你就能理解它们为何发生。”所以当我们重新建构生命故事的时候，“如何发生”与“为何发生”紧密缠绕在一起，密不可分。

我尝试让这本读物能够被具备较少科学与生物学背景知识的人理解，但是因为不可避免要讨论一些前沿研究的意义，我必须介绍一些专业词汇并假设读者对基础细胞生物学有一定的了解。即便熟悉这些词汇，一些章节读起来也颇有挑战性。我相信科学真正迷人的地方就在于和那些触及生命意义却答案尚不明了的问题在黑暗中角力，而后迎来如日出破晓时的激动，会让人们明白这一切努力都是值得的。当我们去面对这些发生在几十亿年前的遥远的事件时，几乎可以确定的是我们很难获得一个确定的答案。不过我们依然可以用我们已经知道的或者我们觉得我们知道的知识来把答案缩小到一个可能的范围内。我们的生命里遍布了获取答案的线索，有些甚至出现在我们不曾想到的地方，而理解这些线索需要我们对分子生物学有一定的了解，因此某几个章节会有一些复杂。这些线索使得我们能够排除某些可能性，而专注于其他。正如福尔摩斯所说：“当你排除了一些可能，不管剩下来的看似多么难以置信，必定是事情的真相。”在演化的问题上，用不可能这样的表述是比较危险的，但是构建一个生命可能的演化途径是能体会到当一个侦探的满足感的。我希望能够把我在这个过程中激动人心的时刻也传递给这本书的读者。

我已经将大多数技术相关的词汇整理成表供读者查阅，但是在我们继续往下之前，我想带领那些没有生物学背景知识的读者尝一尝细胞生物学的滋味，我相信这对于他们理解之后的内容是有帮助的。活细胞是一个微型的宇宙，是地球上所能存在的最小的生命形式，也是生物学最基本的结构单位。一些生物，比如变形虫或是细菌，由一个细胞构成，我们称之为单细胞生物。另一些生物由很多细胞构成，比如我们人类由上万亿个细胞构成，我们称之为多细胞生物。研究细胞的科学称为细胞生物学（cytology），这个词源于希腊语中的cyto，意指细胞（原意是指中空的容器）。许多专有名词都用到cyto-这个词根，比如细胞色素（cytochromes，细胞中的有色蛋白）或是细胞质（cytoplasm，活细胞除了细胞核以外的具备生命特征的部分），或是以cyte表示细胞，比如红血球（erythrocyte，红色血细胞）。

并非所有的细胞都是平等的，有一些细胞显然比其他细胞更平等。(1)而这其中最不平等的当属细菌这种最简单的细胞了。即便是在电子显微镜下，所能捕捉到的有关细菌结构的信息也少得可怜。它们非常小，直径大约只有千分之几毫米（几微米）的大小，通常呈球状或杆状，被一层坚硬但可透过的细胞壁与外界分隔开来。而在细胞壁的内侧，细胞膜是一层薄薄的只有几万分之几毫米（几纳米）的薄膜，却几乎没有透过性。这层薄膜尽管薄得几乎看不见，但是在这本书中却很重要，因为细菌利用这层膜来产生能量。

细菌细胞里面，或者说几乎所有的细胞的内部都被称为细胞质。细胞质是一种啫喱状的包含有各种生物分子的溶液或悬浊液。人们通过放大百万倍（我们可以达到的最大倍率）的显微镜观察细胞质，可以依稀看到一些分子，这使得细胞质看起来有些粗糙，就像是从空中俯瞰一片被鼹鼠糟蹋过的田地。首先在这些分子中长而如线圈般盘绕的线状DNA——也就是我们通常说的基因——其轨迹就像不良鼹鼠所挖掘的扭曲的地下洞穴。它的分子结构，即著名的双螺旋结构在半个多世纪前由沃森和克里克揭示并披露。其他的分子则是一些在高倍显微镜下能勉强看到的体积较大的蛋白质。尽管一个蛋白质由百万个原子构成，但是这些原子被精准而有序地排列形成固定的结构，科学家们通过X光衍射法可以解密这些结构。除此以外，细胞里就没什么能看到的东西了。通过生化分析我们知道，即便是最简单的细菌也是如此复杂以至于我们对它们那些看不见的部分几乎一无所知。

我们人体则是由另外一种完全不同的细胞构成，是我们的细胞农场中最平等的一群细胞。首先，它们的体积要大得多，几乎是一个细菌体积的10万倍。因此我们可以看到更多的内部结构。有叠在一起的扭曲的膜，表面因布满其他结构而显得粗糙。有各种各样大小不一的囊泡，像封口紧密的拉链袋将细胞质隔绝开来。还有密集的分支结构交错成网，提供细胞结构上的支撑和弹性，我们因此称它们为细胞骨架。还有细胞器——细胞中一个个相互独立的结构。细胞器对于细胞，就像我们的器官相对于我们的身体一样，每个细胞器都有自己所行使的特定功能，就像肾脏的功能是用来过滤一般。但是占据细胞绝大多数位置的是细胞核，操控整个细胞，如果我们把细胞核想象成一个星球，这个星球表面遍布如月球表面环形山般的洞（其实是孔）。拥有细胞核的细胞，称为真核细胞，是地球上最重要的细胞。如果没有它们也就不会有真核生物的存在，所有的动物、植物、真菌、藻类，一切我们肉眼可见的生物都由真核细胞构成，而每一个真核细胞都有一个细胞核。

细胞核包含DNA，是构成基因的分子。真核细胞里的DNA结构和细菌中的完全一样，但是在更大规模的组织上却相当不同。在细菌中DNA会形成一个扭曲的环状。曲折的鼹鼠洞最终会头尾相连，从而成为单一的环形染色体。而在真核细胞中，则通常有多个不同的染色体，比如在人类中这个数字是23，而这些染色体都是线状的，而非环状。这并不是说这些染色体都展开成一根直线，而是说它们有分开的两个端点。在细胞正常工作状态下，染色体的这些构造无法在显微镜下观察到，但是在细胞分裂时，染色体会改变它们的构造，折叠成可以辨认的管状物。大多数真核细胞对它们拥有的每1条染色体都保留有2个拷贝——因此被称为二倍体，使得人类细胞中有46条染色体——在细胞分裂时，成对的染色体两两配对，仅在腰部相连。这使得染色体在显微镜下呈星形。(2)这些染色体并不仅仅由DNA构成，而是被某些特定的蛋白所覆盖，这其中最重要的蛋白被称为组蛋白。这是真核细胞和细菌之间的一个重要区别，细菌的DNA不被任何组蛋白所覆盖，它们是裸露的。这些组蛋白不但防止真核细胞DNA受到化学攻击，而且能够把控读取基因信息的关卡。

当弗朗西斯·克里克发现DNA的结构，他立马就理解了基因遗传是如何工作的，当晚他在剑桥大学附近的老鹰酒吧宣布他洞悉了生命的秘密。DNA本身作为一个模板，可以为DNA和蛋白质的合成提供信息。DNA双螺旋中缠绕在一起的两条链是互补的，那么在细胞分裂时，两条链被分开，每一条链都为合成另一条链提供信息，从而形成2个完全一样的DNA拷贝，而DNA中又包含了决定蛋白质结构的信息。这被称为生物学里的“中心法则”——基因编码蛋白质。DNA的序列不管多长都由4个分子“字母”构成，正如英语虽然由无数单词排列组合形成句子、文章、书籍，但最终都是由26个字母排列而成。因此在DNA中，这4个字母的排列组合决定了对应蛋白质的不同结构。基因组则是一个生物所包含的所有基因的基因库，可以含有多达几十亿个字母。一段包含有几千个字母的基因理论上只能编码一个蛋白质。而每个蛋白质都由很多个氨基酸连接而成，氨基酸的顺序决定了蛋白质的功能特征，而氨基酸的顺序则由基因中字母的序列所决定。如果基因中字母的序列发生了改变——也就是“突变”——那么蛋白质的结构也会发生改变，当然这并不是一定的，因为决定氨基酸序列的遗传密码存在一定冗余，专业术语则称为“简并”，意思是说，几种不同组合的字母会指向同一个氨基酸分子。

蛋白质是生命之光。它们的形式与功能几乎是无穷无尽的，生命之参差多态几乎完全归功于蛋白质的丰富多样。蛋白质使得生命所需的一切生理机能都成为可能，从新陈代谢到运动，从听觉到视觉，从免疫到信号传递。依据它们的功能，蛋白质可以被分为几个大类，大概其中最重要的一类是酶，它们是生物催化剂，可以把生化反应的速率提高几个数量级，且对于反应原材料有着惊人的选择性。一些酶甚至可以区分同一种原子的不同形式（同位素）。其他一些重要的蛋白质种类包括荷尔蒙和它们对应的受体，免疫蛋白质（如抗体），与DNA结合的蛋白质（如组蛋白），结构蛋白质（如组成细胞骨架的纤维）。

DNA密码是非常懒惰的，海量的信息被存放在细胞核里，就如同珍贵的百科全书被安全地存放于图书馆中，而不是放在工厂里让人随意翻阅。作为日常使用，细胞会复印需要的信息带出细胞核，而不是把珍贵的信息带来带去。这些被“复印”出来用于携带信息的分子称为RNA，构成RNA的分子与构成DNA的分子相似，但是这些分子被纺织成一条单链而非DNA分子的双链条螺旋。几种不同的RNA分别行使不同的功能。第一种我们称为信使RNA，长短大致相当于一个基因。像DNA一样，它们由一串字母构成，而这些字母的序列和它们所对应的DNA中的基因序列完全一样。基因序列会以有轻微差别的书法转录至信使RNA，从一种字体变为另一种，但在转录中信息被完整地保留了下来。这个RNA是长着翅膀的信使，从DNA出发，通过如月球表面环形山般的核孔出来，进入到细胞质当中。在这里，RNA会停泊在某座蛋白质制造工厂旁，在细胞中有数以千计的蛋白质制造工厂，它们被称为核糖体。核糖体数量巨大但是体型微小，它们会附着于细胞内膜的表面使得膜表面在电子显微镜下呈现粗糙的表面结构。核糖体由好几种不同的RNA与蛋白质一起组成，它的主要功能是翻译信使RNA中的信息，从而将氨基酸以不同的顺序组合起来，进而制造出不同的蛋白质。转录和翻译的过程被各种不同的蛋白质严格地调控，其中最重要的是转录因子，负责调节基因的表达，当我们说一个基因被“表达”的时候，指的是基因中沉睡的信息通过转录和翻译变为有活性的蛋白质，在细胞或是其他地方行使功能。

掌握了这些基本的细胞生物学知识，让我们回到线粒体。它们是细胞中的细胞器——细胞的“器官”——体型微小但行使某种特殊的功能，对于线粒体来说就是制造能量。我们在上文里提到过线粒体曾经是细菌，从外观上看它们依然和细菌非常相似（图1）。虽然典型的形状经常被形容为香肠或是蠕虫，但是其实它们也可以相当扭曲，甚至扭成红酒开瓶器的螺旋状。它们大小和细菌相似，一般是千分之几毫米（1—4微米）的大小，甚至可以小到只有半微米。组成我们身体的细胞包含有巨大数量的线粒体，具体数量取决于细胞新陈代谢的需求。新陈代谢较为旺盛的细胞，比如肝脏、肾脏、肌肉和大脑，每个细胞都有几百甚至几千个线粒体，占到细胞质的40％。而卵子或者卵细胞则是非同一般地携带了大约10万个线粒体给下一代。相比之下，血细胞和皮肤细胞则只有个位数的线粒体，甚至完全不携带线粒体。精子通常有少于100个线粒体。我们一个人身体里的所有的线粒体加在一起，数量会达到千万亿这个数量级，总重量会占到我们体重的10%。

线粒体的两层膜将线粒体与细胞的其他部分隔开，外膜为光滑而连续的表面，内膜则会折叠成向内凹陷的褶皱甚至是形成管状的构造，我们称之为嵴。线粒体并不是静止不动的，而是一直会非常活跃地移动到需要它们的地方。它们会像细菌一样一分为二，成为独立的个体，也会融合到一起形成大的分支网络。线粒体很早就在电子显微镜下被观察到，并描述为颗粒、杆状或是细丝，但是它们的起源一直存在争议。最先意识到线粒体重要性的是德国人理查德·阿尔特曼，他主张这些微小的颗粒物其实是组成生命非常重要的颗粒，因此在1886年将其命名为原生粒。阿尔特曼主张原生粒是细胞中唯一的有生命的组成成分，并进一步推断认为原生粒因为相互保护的需要而聚集在一起，就像是铁器时代住在防御工事里的人们一般。其他结构，比如细胞膜和细胞核则是由原生粒群体因自身目的而聚集成的结构，细胞溶质（细胞质中液体的部分）则只是包裹在微型城堡中的储存营养物质的蓄水池。

阿尔特曼的想法从来没有被广泛接受，并且还受到了一些嘲笑。其他人声称原生粒只是他臆想出来的东西，是他在精心制备显微镜样本时人为造成的。而当细胞生物学家沉迷于细胞分裂时染色体曼妙的舞姿时，这场争论便愈演愈烈了。为了能观察染色体的移动，透明的细胞必须通过染色剂着色，而能够让染色体着色的染色剂是酸性的，不幸的是，这些酸性染色剂会造成线粒体的溶解，这意味着他们对于细胞核的执着破坏了线粒体存在的证据。而其他的染色剂则产生了自相矛盾的结果，线粒体只能被临时着色，但线粒体本身却可以使得染色剂变成无色。它们鬼魅般的出现与消失更使得人们坚定地相信——原生粒的存在只是臆想。最终，1897年，卡尔·本达证明线粒体的确以物质形态存在于细胞当中，他把线粒体定义为“颗粒、杆状或是细丝状的存在于几乎所有细胞中的……，会被酸性物质或是油脂溶剂破坏的”。他称其为线粒体（mitochondria），来源于希腊语mitos，表示线状，而chondrin表示小体。尽管这个命名经受住了时间的考验，但是线粒体大概有过超过30个不同的晦涩难懂的姓名，包括chondriosomes，chromidia，chondriokonts，eclectosomes，histomeres，mircrosomes，plastosomes，polioplasma和vibrioden。

虽然线粒体的存在最终被确定，但是它的功能依然是未知的。很少有人像阿尔特曼那样将生命的特征归功于线粒体，而是寻找其更为确切的功能。有些人认为线粒体是蛋白质或脂肪合成的中心，另一些人则认为线粒体是基因所在地。实际上，线粒体染色剂神秘地消失使得线粒体的功能浮出水面：染色剂变成无色的原因是因为染色剂被线粒体氧化——一个类似于食物在细胞呼吸中被氧化的过程。因此，在1912年，金伯利提出，线粒体可能是细胞的呼吸中心。他的提议在1949年的时候被证明是正确的，尤金·肯尼迪和阿尔伯特·伦宁格揭示了细胞呼吸的相关的酶的确存在于线粒体中。

尽管阿尔特曼的关于原生粒的理论声名扫地，很多研究者依然坚称线粒体是和细菌相关的独立实体——因为与细胞的共同利益而存在细胞内的共生体。共生体是共生关系中的一方，而共生关系指的是双方从彼此的存在中获得某种生存上的优势。一个非常经典的例子就是埃及千鸟，它们会为尼罗鳄剔牙，为它们提供牙齿健康的同时自己也收获了食物。相似的共生关系存在于细胞当中，比如细菌，它们会生活在大的细胞中作为内共生体。在20世纪最初的几十年里，几乎所有的细胞器都被认为是可能的内共生体，只是因为互利的共生关系使得它们产生了一些变化，包括细胞核、线粒体、叶绿体（负责植物体中的光合作用）和中心粒（参与细胞骨架的组织）。所有这些理论都基于形态和行为，比如可以移动和自主分裂，但这些都仅仅停留在假设这个阶段。更为严重的是，这些学者为了争夺优先权而争论不休，很少能达成共识。正如科学历史学家简·萨普在他的《合作演化》中提道：“从而揭示了一个带有讽刺的事实——许多拥有极强利己主义观点的人却指出在演化中互助合作能带来的创造力。”

事情在1918年后愈演愈烈，当法国科学家保罗·波尔捷发表了他辞藻华丽的著作《共生体》后，更是达到了最高峰。他在书中大胆地提出：“所有的生命体，所有的动物从阿米巴虫到我们人类，所有的植物从隐花植物到双子叶植物，都是通过两种不同的生命联合，嵌套而成的。每一个活细胞都包含了原生质体的形态，组织学家将其命名为线粒体。这些细胞器对于我来说和共生的细菌没有差别，因此我将其称为共生体。”

波尔捷的工作在法国同时获得了高度赞扬和尖锐的批评，尽管在英语语言世界没有引起太多的关注。这是首次没有只基于线粒体和细菌之间的相似的形态作为理论基础，而是开始尝试用细胞培养的方法来培养线粒体。波尔捷声称至少培养了还没有完全适应细胞内生活的“原线粒体”。他的发现被巴斯德学院的一众细菌学家公开质疑，细菌学家们表示他们无法复制波尔捷的工作。而令人感到悲伤的是，当波尔捷在索邦大学的位置坐稳了以后，他很快放弃了这块领域的研究，而他的工作也很快被人们遗忘。

几年以后的1925年，美国人伊万·沃林独立提出了他自己关于线粒体具备细菌特性的观点，并声称这种紧密的共生关系是新物种形成背后的驱动力。这也使得他开始尝试培养线粒体并且也认为自己取得了成功。但是又一次因为无法重复他的实验，人们的兴趣再一次减退。不过共生的假说并没有被完全排除，美国细胞生物学家E.B.威尔逊归纳了大众普遍的态度后给出了他的著名论述：“对许多人来说，这些推测毫无疑问都过于天马行空，但是不管怎样，在未来的某一天，的确存在被重新严肃审视的可能性。”

这个“未来的某一天”出现在了半个世纪之后：那是1967年6月，在爱情之夏诉说一段亲密的共生关系真是再浪漫不过了。(3)林恩·玛格利斯向《理论生物学期刊》提交了她著名的文章，在文章中她复活了半个世纪前的“娱乐性的幻想”并将其赋予了科学的外衣。在那个时候证据更加充分了，线粒体中存在DNA和RNA的事实已经被发现，一些证明“细胞质遗传”（在细胞质遗传中遗传特性的传递独立于细胞核基因外）存在的案例也被记录在案。玛格利斯后来嫁给了一个宇宙学家卡尔·萨根，这使得她对于生命演化的观点不再局限于生物，而是拓展到大气演化的地质证据，还有细菌的化石和早期真核生物。她将自己对微生物结构和化学完美的洞察力应用到这项工作中，并且以系统的标准去衡量共生关系存在的可能性。尽管如此，她的工作还是被拒绝了多次。她的奠基性论文被15家不同的杂志拒绝，直到遇到了詹姆斯·丹尼利，《理论生物学期刊》杂志的一位有远见的编辑(4)。论文发表以后受到了空前的关注，一年中便收到800次重印的要求。她的书《真核细胞的起源》，尽管已经签订了合同还是被学术出版社拒绝了，但最终在1970年由耶鲁出版社出版。这后来成为20世纪最有影响力的生物学作品。玛格利斯编集的证据如此有信服力，以至于如今的生物学家们至少在线粒体和叶绿体的起源方面，已经承认曾经的异端邪说是符合科学事实的。

激烈的争论持续了十几年，尽管局限在小范围内，却是至关重要的。没有这些争论，人们不会对最终达成的共识如此有把握。每一个人都接受线粒体和细菌的确是类似的，但是不是每个人都同意这些类似的背后到底意味着什么。毫无疑问，线粒体中的DNA具备了细菌DNA的特征：它们是单个环状的DNA（而不是像细胞核中的线状DNA），DNA是“裸露的”——指它们并不和组蛋白相结合。而且线粒体与细菌中的转录和翻译的过程非常相似，就连蛋白质的组装过程也非常相似，但是和真核细胞中所发生的在很多细节方面迥异。线粒体甚至有它们自己的核糖体，也和细菌中的类似。很多能够抑制细菌中蛋白质合成的抗生素也会阻碍线粒体中蛋白质的合成，而不会对真核生物细胞核基因控制合成的蛋白质产生影响。

把这些证据放在一起，线粒体和细菌之间的类似听起来仿佛是令人信服的，但是实际上存在有其他可能的解释，正是这些可能的解释的存在才支撑了这场旷日持久的争辩。其实线粒体的细菌属性可以用线粒体演化慢于细胞核来解释。如果这是事实的话，那么线粒体和细菌有如此多的共性可能仅仅只是因为线粒体演化速率不够快，因此保留了更多返祖的特征。因为线粒体基因并不在有性繁殖中被重组，那么基因便可以被持续地保留下来。我们无法驳斥这个论点，除非已知实际的演化速率，而想知道线粒体基因实际演化的速率就必须要对线粒体基因进行测序。1981年，来自剑桥大学的弗雷德·桑格团队对人类线粒体基因组进行了测序，结果显示，线粒体基因的演化速率远远快于核基因。那么线粒体的细菌特征也就只能用直接关系来解释了，最终研究揭示线粒体只和非常特异的一群细菌——α-变形菌相关。

即便是如玛格利斯一般有真知灼见的人也会有出错的时候，这对我们其他人来说也是幸运的。作为早期的共生理论的支持者，玛格利斯也提出总有一天线粒体是可以在培养基中生长的——而这只是什么时候能找到合适的生长因子的问题。今天我们知道，这是不可能的，因为线粒体全基因组的详细测序已经揭示了：线粒体基因只能编码13个蛋白质，加上制造这些蛋白质的遗传装置。绝大多数线粒体蛋白质（大约1 500个）都由细胞核中的基因所编码，而细胞核中大约包括了总共3万个基因。线粒体可以独立存在的事实很明显，却不是完全真实的。它们同时依赖于线粒体和细胞核的基因组，甚至有一些蛋白质的组分中的一部分由线粒体基因编码，另一部分却由核基因编码。因为这种依赖性，线粒体只能在它的宿主细胞体内被培养，并被正确地描述为“细胞器”而非“共生体”。尽管如此，细胞器这个词没有描述出线粒体的辉煌过去，也没有洞悉线粒体在演化上产生的显著影响。

即便是现在很多生物学家依然不同意林恩·玛格利斯的观点，问题主要集中在共生关系在演化上的驱动力。玛格利斯认为真核细胞是多重共生关系所形成的，因此细胞的各组分被捏成一个整体。她的理论因此被称为“连续内共生理论”，意思是真核细胞通过一系列细胞间的兼并而形成一个细胞套细胞的群体。除了线粒体和叶绿体外，玛格利斯提出细胞骨架包括它们的组织中心——中心粒——都来源于另一类细菌——螺旋菌。实际上，根据玛格利斯的理论，整个有机世界都是来自细菌的紧密合作，我们称之为“微型生态圈”。这个观点可以追溯到达尔文，他在一篇著名文章中写道：“每一个生命体都是一个微型生态圈——一个由小到肉眼不可见的却多如繁星的微型生物通过自我繁殖集合而成的小宇宙。”

微型生态圈的观点非常美妙且振奋人心，但是带来了一系列困难。合作和竞争并不是二者选其一。不同细菌之间通过共同合作形成新的细胞或是物种只是使得竞争的层级被提高了，从而使得竞争出现在更为复杂的生物之间而非组成它们的亚基之间——很多这些亚基，包括线粒体，都保留了足够多的一己私利。但是全盘接受共生关系的最大困难来自线粒体自身，它似乎摇着手指告诫我们不要高估微观合作的力量。似乎所有的真核细胞要不就是有线粒体，要不就是有过线粒体（后来丢失了）。换句话说，拥有线粒体是真核细胞存在的必要条件。

到底为什么会是这样？如果细菌中的合作如此常见，那么我们可以预期发现各种不同的“真核”细胞，每一种都由不同组合的微生物合作形成。当然，的确存在各种各样的真核细胞内的合作，尤其是在那些隐蔽的、人迹罕至处（比如海底泥浆）的微观群落。但是令人震惊的是所有这些分布广泛的真核细胞都有着共同的祖先——它们全部都有或者曾经有过线粒体。但是对于真核生物体内的其他的微生物间的合作而言就不一定是这样了。换句话说，真核生物中的合作必须以线粒体的存在为前提。如果最开始的合并（获得线粒体）没有发生，那么其他的一切合并都不会发生。我们可以近乎确定地说，因为细菌已经合作竞争了差不多40亿年，但是真核细胞却只诞生了1次，那么获得线粒体则是生命历史进程中至关重要的一刻。

我们一直不停发现新的栖息地和生物之间新的联系，这意味着我们有大片的可用于检验各种观点的试验田。仅举一例说明，在千禧年附近的一个令人震惊的发现是，大量微小的被称为超微型真核生物的生物，生活在极端环境中的微型浮游生物之间，比如南极洲的海底和酸性的富含铁元素的河流中，就像西班牙南部的廷托河一样（在古代腓尼基语中意为“火之河”，因河中水流呈现深红色）。总之，这些环境被认为是能适应极端环境的细菌的领地，是最不可能发现脆弱的真核细胞的地方。这些超微型真核生物和细菌大小相似，生存环境相似，因此引起了科学家们的兴趣，推测它们可能是介于细菌和真核细胞之间的中间形态。尽管它们体型很小且不正常地偏好极端环境，结果却被归为真核生物：基因分析显示它们并不违反现存的分类系统。令人震惊的是，这个如喷泉般涌现出来的真核生物的各种变种，仅仅只是为已经存在的真核生物增加了一个亚群体而已。

这些未知的环境本是我们最可能发现独特合作关系的地方，但是我们只是发现了更多相同的例子，以最小的真核细胞金牛微球藻（Ostreococcus tauri）为例，这些细胞只有1/1 000毫米（1微米）的大小，甚至小于很多细菌，但是它是一个货真价实的真核生物。它拥有一个包含有14条线状染色体的细胞核，一个叶绿体，但最引人瞩目的是它还包含有几个小的线粒体。而它并不是唯一特别的存在。在极端环境中我们还发现了20—30种新的真核生物亚群体。尽管它们体型微小，生活方式独特，生存环境恶劣，但似乎都拥有或是曾经拥有线粒体。

所有这一切意味着什么？这意味着线粒体并不只是一个寻常的合作对象，它们是演化中出现复杂性的关键。这本书就是关于线粒体为我们带来了什么。我忽略了很多在教科书中会涉及的原理性的内容——那些次要的细节，比如卟啉的合成甚至是三羧酸循环，它们原则上可以发生在细胞里的任何地方，而只是把线粒体作为一个方便的场所。我们会看到为什么线粒体对生命，对我们的生活意义非凡。我们将看到线粒体为什么是我们世界的隐秘统治者，主宰着能量、性与自杀。

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(1)　这里是借用了乔治·奥威尔在《动物庄园》里的著名表述：并非所有动物都生来平等，显然一些动物要比另一些更平等。——译者

(2)　只有在减数分裂的时候染色体才两两配对，在有丝分裂时，每1条染色体会自我复制形成2条染色单体，染色单体在腰部相连。——译者

(3)　“爱情之夏”指的是1967年，并不是因为那年发生了革命性的新运动，而是因为那时媒体开始识别并关注嬉皮现象——这种在美国和欧洲正在酝酿的地下替代性青年文化。——译者

(4)　他也是和达夫森一起提出关于细胞膜结构的达夫森-丹尼利模型，即三明治模型的科学家。——译者