真核细胞起源的内共生学说及其疑问

张学澄 ，王润英＊，施时迪

（1.中国人民大学附属中学，北京 100080；2.台州学院 生命科学学院，浙江 台州 318000）

1 内共生学说及其发展

1970年，美国生物学家林恩·马古利斯（Lynn Margulis）通过对许多古微生物学、地质学、生物化学和细胞学资料综合分析研究之后，在《真核细胞的起源》（Origin of eukaryotic cells）一书中提出真核细胞起源的观点。她认为，大约在十几亿年前，某个原始海洋中具有吞噬能力的大型原始真核细胞，在其生命活动过程中吞噬了某小型需氧呼吸的原核细胞（原线粒体），由于某些原因未将其消化分解，原核细胞便生活在原始真核细胞内与其共生，最终进化为原始真核细胞的细胞器，在此之后，这种大型原始真核生物还吞噬了蓝细胞和螺旋体，经过漫长的发展，这三种原核细胞成为现在真核细胞中的线粒体、叶绿体与真核细胞的鞭毛（螺旋体转化成鞭毛缺少相应证据）。这种共生关系，对于共生体和宿主来说是互惠互利的，因为共生体可以从宿主处得到更多营养，而宿主则可利用共生体所具有的呼吸作用或光合作用更好地适应环境。［1］这个理论提出以后，获得了许多证据的支持，发展成现在的内共生学说，也逐渐成为当下最主流的真核细胞起源学说。

其实，早在20世纪初，俄罗斯生物学家康斯坦丁（Konstantin Mereschkowski）就曾提出，真核细胞中的某些部分是原本独立生存的，后来它们进入其他细胞并成为寄居的微生物。他认为这正是细胞核的起源。［2］1922年美国解剖学家伊万·沃林（Ivan Wallin）认为新物种，包括新的组织、器官、生物乃至物种的起源，都建立在长期或永久的共生基础上。［3］但这些观点并没有引起重视。直到1967年，林恩·马古利斯在论文《有丝分裂细胞的起源》中提出，线粒体和叶绿体曾经都是独立生存的细菌，后来相继被另一种古老的微生物吞噬。她认为这正是这些细胞器仍拥有自己基因组的原因。［4］在此基础上，1970年她出版前述专著详细阐述真核细胞起源内共生理论。这种理论刚一提出就遭到学界的强烈抨击。但她很快找到了许多生物学研究证据支持并使该学说普及开来。1981年她在 《细胞进化中的共生》（Symbiosis in Cell Evolution）中进一步提出，真核细胞起源于相互作用的个体组成的群落，也包括内共生的螺旋体形成了真核生物的鞭毛和纤毛。［5］

其后几十年，关于真核细胞起源方式内共生学说的支持者分成两大派。其一延续了林恩?马古利斯所坚持的观点——原核细胞是吞噬了蓝细胞和原线粒体，渐进式地发展出了线粒体叶绿体，从而进化为真核细胞的。另一派则认为，真核细胞是由两种原核生物通过在特殊环境下的突然融合而爆发式地产生的。而目前的主流内共生学说，主要指第一种起源方式。

同时，有关真核细胞起源的重要问题——线粒体的起源问题还有另一种学说即分化假说，认为线粒体的诞生是由原核细胞质膜内陷再逐步分化而来的。这个假说缺少足够证据而不被广泛接受，而内共生学说由于其具有相对充足的证据（现在自然界中依然存在类似内共生的次内共生现象，如裸藻与褐藻的形成［6］）且逻辑相对缜密而为当今生物学界大多数学者认可。

2 内共生学说的一些疑问

纵使经过40多年的发展，我们仍能发现内共生学说无法解释的一些问题。

2.1 原始真核细胞的体积问题

根据内共生学说与从现在真核细胞结构中推理出的一些证据，如果原始真核细胞真的存

在，当时它们应当是一类大体积的厌氧单细胞生物，这样方能完成吞噬其它单核细胞的“光荣使命”。而一个常识是，细胞的体积与其相对表面积成反比，同时有氧呼吸的产能效率是厌氧呼吸的15—16倍。那么能进行有氧呼吸的原线粒体的生存能力应当比进行厌氧呼吸的原始真核细胞更强。然而在内共生学说中大型原始真核细胞吞噬了原线粒体。这种原始真核细胞与外界物质交换的能力（相对表面积）和呼吸产能效率都比原线粒体低，那么在种间的竞争中是怎样幸存甚至吞噬对方的？

2.2 原始真核细胞与原线粒体的生态隔离

过氧化物酶在有氧呼吸生物吸收氧气氧化有机物的过程中使其不受过氧化物侵害，而过氧化物酶的存在与否也决定了细胞是否能在有氧气的环境下生存。氧气也成为了阻碍厌氧呼吸的单细胞生物扩大其生态价的巨大屏障。厌氧生物不能到达有一定氧浓度的区域，而有氧呼吸的细胞又倾向于处于氧浓度更高的区域。由此原始真核细胞在空间上便与原线粒体隔绝开来了。两者的生态价不重合，似乎难有吞噬作用的机会。

同时作为产氧细胞的蓝藻，也似乎不太可能被原始真核细胞所吞噬。蓝藻光合作用产生的大量氧气，对无氧呼吸的原始真核细胞来说是一种毒害。

2.3 真核细胞内叶绿体和线粒体的基因结构与原核生物有差异

虽然都是环形的DNA分子，但真核细胞内的叶绿体与线粒体DNA仍与原核生物中的有极大的不同。其中最重要的区别便是内含子的存在。在今日真核细胞基因表达的过程中，还需对DNA转录出的前体MRNA进行剪切与修饰，剪除其中内含子的部分，而这也是真核生物与原核生物的重大区别之一。如果从内共生学说角度思量，叶绿体与线粒体的基因内同样具有内含子似乎是说不通的。因为它们作为外源细胞，基因的结构应当更倾向于与原核生物一致，而非与真核细胞基因一样具有极高比例的内含子。另一个重要的问题，就是叶绿体与线粒体的基因并不完整，而所缺的一部分基因现在发现是在细胞核中。这也便是为什么线粒体与叶绿体只是半自主的细胞器——它们有许多的生命活动受到细胞核的限制甚至是依赖于核的调控。那么，为什么外源细胞的基因会一部分安然处在细胞核内“远程调控”着叶绿体与线粒体？需要作出有力的解释。

2.4 核的发生问题

真核细胞中含有双层膜的细胞结构不只有线粒体与叶绿体，还有细胞核。具有核包被的细胞核是将真核细胞与原核细胞区分开来的重要凭借，而真核细胞核的发生问题也是真核细胞起源的一个关键。内共生学说认为核膜是在原始真核细胞进化的过程中，细胞膜内陷断裂成片状囊泡，在相互连接而形成的，但这又难以解释核仁的发生。另外，内共生学说认为今日真核细胞发达的内质网是由于它要限制叶绿体、线粒体活动而发展形成的，可是在今日细胞的形态结构中似乎没有发现这两种细胞器活动受内质网限制的现象，这又怎么解释呢?

3 关于真核细胞起源的初步猜想

由探究内共生学说存在的疑问出发，笔者试图提出团聚体假说，即认为真核细胞的起源是以团聚体为原点，再被原核生物进入团聚体，随后发生一些变化，最后逐渐成为我们今天所知的真核细胞。简言之为三个阶段，即原核细胞进入团聚体、不均等分裂与“前核”的形成、细胞器的形成与真核细胞的诞生。本假说与内共生学说的不同之处在于本假说以非生体的团聚体作为真核细胞的前身，而后者以早期大型前真核细胞为进化的主体。

3.1 原核细胞进入团聚体

前苏联科学家奥巴林（Oparin Alexander Ivanovich）曾提出过“团聚体学说”以解释生命的起源，其核心是团聚体。奥巴林做了一系列实验，发现将明胶与阿拉伯胶的水溶液相混合，便会发现两者团聚成了小滴，与周围溶液的水有明显的界限。随后的实验又证明了蛋白质、核酸、多糖、磷脂等也会形成这样的团聚体。［7］本文的团聚体指的是由磷脂双层膜包裹形成的囊泡结构，借用了奥巴林学说中的概念，以便直观清晰地描述真核细胞的起源。

可以想象的是，在太古代的海洋中，存在着大量磷脂团聚体。笔者猜想，会不会在某个特殊的情况下，某种原核有氧呼吸的细胞主动或被动地进入了团聚体？所谓主动，即团聚体包裹有某种原核细胞所需的能跨膜扩散的分子，如氧气等，在趋性作用下，原核细胞便会试图进入团聚体，有可能会被团聚体外层的磷脂双分子层包裹住从而进入团聚体。所谓被动，即在某种外力作用下，与团聚体距离很近的原核细胞被动地进入团聚体，如在湍急的水流或漩涡中等。像这样，某个或几个原核细胞被团聚体的脂双层包裹进入了团聚体，形成了一个团聚体——原核细胞的复合结构，这就是真核细胞的前身。

3.2 不均等分裂与“前核”的形成

早期的原核细胞分裂方式应类似于无丝分裂，是一种简单的二分裂，这就很有可能产生分裂异常的情况，尤其在团聚体这样一个相对封闭的环境中。随着时间的推移，由于内部环境的熵值不断增高，发生分裂异常的可能性也会随之升高。存在这样一种可能性:某个被包裹在团聚体中的原核细胞发生异常突变，复制出数个遗传物质的拷贝再进行一次核物质分配不均匀的不均等分裂，包裹在原核细胞外的外膜也一同一分为二，但或许由于形状与附着物的一些因素，受力不均，使外膜的分裂也同样不均匀。导致的结果就是一个子细胞的遗传物质有残缺部分，总量也相对较少，外膜比内膜的面积要小，在力的作用下内膜向内折叠产生褶皱。这个子细胞最后会进化成为真核细胞的线粒体。而另一个子细胞分得的遗传物质较多，外膜比内膜面积要大。这个子细胞便是真核细胞细胞核的前身，即“前核”，而多余的外膜将逐渐进化成为内质网。

这样的进化方式可以解决线粒体的基因有部分存在于核中与真核细胞DNA具有内含子的问题。基因的转移其实质并不是基因从线粒体中被转运至核中，再融合进核的DNA中，而是在不均等分裂的过程中，将一部分原核细胞的基因拷贝，全部分配给了“前核”，故而线粒体内基因有缺失。至于内含子问题，笔者认为这可能是由冗余的拷贝整合进基因组造成的特殊现象。对于内含子的作用问题，许多人认为它具有调控基因表达的作用，笔者认为是说得通的，因为如果内含子真的是一些原有的基因片段插入而形成的，那么内含子上或许会有一些曾经的基因元件，或特殊的结构，可以调控基因的表达转录。

分裂时膜的不均等分裂导致将来线粒体的内膜内折成嵴与细胞核的外膜外延成内质网，遗传物质的多次复制与不均等分裂造成了将来线粒体的基因缺失与真核细胞的内含子结构。从此这个复合系统便开始向一个完整的生命体转化，这一步的转化，是由原核细胞进化到真核细胞最重要、最关键的一步。

3.3 细胞器的形成与真核细胞的诞生

“前核”虽然已经形成，但本质上，还只是拥有许多遗传物质的子细胞，与团聚体内还是有着明显界限的。直到某个时间“前核”发生了胞质的外流与内外膜的愈合。前者将核糖体分散到团聚体中，而后者则产生核孔使遗传信息得以转移到前核外，让团聚体中的核糖体将其翻译成蛋白质。如此便将整个团聚体内部空间有机地联系在一起。之后团聚体内充足的空间与可能含有的大量营养物质给予整个复合系统很大的进化空间，而前核也由于含大量遗传物质专司控制整个复合系统。至此，原本原核细胞分裂出的两个子细胞，生命活动受到调控，进行呼吸作用为整个系统供能；另一个外膜折叠成内质网，胞质外流，部分区域内外膜愈合成孔道（即核孔），内部充斥着遗传物质，而原来的拟核区则专门负责核糖体RNA的转录等工作（即核仁）；团聚体内部则出现了许多来自“前核”的核糖体，它们在“前核”的调控下翻译出了许多蛋白质，使团聚体内无时无刻不在进行着许多化学变化，真正成为系统的一部分而非原核细胞生存的环境。

之后整个系统在结构上又产生一系列的变化:如细胞骨架的构建完成使得系统整体分裂成为了可能，如一部分内质结构网脱形成了高尔基体，再如高尔基体断裂出含有大量水解酶的囊泡方便了外源物质的消化，等等。与此同时，“前核”内的遗传物质在不断融合外源遗传物质与突变更新中壮大，使“前核”转变成真核细胞的细胞核。同样重要的是系统膜系统的改变，内质网内连核膜、外接细胞膜，极大地方便了物质的运输，核糖体翻译出的蛋白质镶嵌在线粒体与核的外膜与细胞膜上，成了物质运输、生化反应、物质识别等的媒介。

至此真核细胞已经基本构建完成。拥有复杂的结构，巨大（相对而言）的体积，高效的产能途径，使它在大多数环境下具有更强的生存力，是一种较原核生命更高级的生命形式。

于此还应补充说明一下真核细胞核榶体结构问题。真核细胞与原核细胞核糖体的沉降系数是不同的，前者是80S，后者是70S。笔者认为，造成这种情况的原因只是在原核细胞不均等分裂时产生的变异，或在之后的进化过程中核仁区的遗传物质发生了突变。但却很巧合地存活了下来，甚至因为可能拥有某种优势而成为现存（至少是现在发现的）唯一一种真核细胞核糖体结构。

当然，还有一些问题笔者现在无法解释，如冗余基因整合的原理，叶绿体诞生的方式等，有待更深的研究。

生命在荒芜的地球中诞生，毫无疑问是一种令人惊叹的奇迹。对这一历程中发生的种种奇迹与巧合，没有人敢说自己能完全还原出其轨迹。内共生学说无疑是一种有着广泛、深远影响的学说，而团聚体假说试图从新的视角作出努力，以对进一步探索研究有所助益。

［1］Lynn Margulis.Origin of eukaryotic cells:Evidence and Research Implications for a Theory of the Origin and Evolution of Microbial,Plant,and Animal Cells on the Precambrian Earth ［M］.New Haven:Yale University.1970:5-12.

［2］阿诺·卡伦.细菌的传记 ［M］.曹卫国等译.哈尔滨:哈尔滨出版社，2003:82-83.

［3］张永缜.共生理念的哲学维度考察 ［J］.辽宁师范大学学报，2009，(9):11-18.

［4］L.Sagan.关于有丝分裂细胞的起源［A］.生物科学参考资料 第十集［C］.北京:科学出版社，1978:17-42。

［5］姚娟.基于共生理论的物流交易模式研究［M］.南京:东南大学出版社，2010:45-46.

［6］A.M.史密斯 G.库普兰特 L.多兰等.植物生物学［M］.瞿礼嘉等译.北京:科学出版社，2012:8-9.

［7］斯卡比契夫斯基.地球上生命起源问题与奥巴林院士的理论［A］.奥巴林,斯卡比契夫斯基.关于生命起源问题的讨论［M］.刘后贻等译.北京:科学出版社，1954:36-47.