线粒体的发现和起源假说

刘 锐

(中国科学技术大学科技史与科技考古系 合肥 230026)

1 线粒体的发现过程

自19世纪以来，解剖学迅速发展，生物器官的结构以及相应功能的研究得到科学界的重视。这一时代有一位杰出的德国生物学家、解剖学家寇里克(Rudolph Kolliker)在这一研究领域做出了杰出的贡献。寇里克出生于瑞士苏黎世，21岁之前一直在家乡生活学习，并顺利读完高中。1838年，他来到波恩大学学习生理学，毕业后一直从事解剖学研究。他在动物学方面的研究有很深的造诣，他解剖了脊椎动物中的哺乳纲和两栖纲动物的横纹肌、平滑肌、骨头、皮肤、血管等各种组织，并且详细地记录了实验结果[1]。1850年，他在实验中观察到昆虫的横纹肌中具有许多颗粒结构，并将这些颗粒进行了分离研究。根据实验，寇里克推测它们被半透性的膜包被着，这些小颗粒其实就是当时未认识的线粒体。寇里克第一个描述了线粒体，但他当时并没有对这些颗粒进行命名，因为他还无法窥测到线粒体内部的亚显微结构，无从得知这些细胞器的具体功能，因而无法根据结构或功能上的特点对其命名。

在实验中，寇里克所解剖的都是一些需要能量较多的组织，包括平滑肌、横纹肌和心肌等。这些组织都与运动紧密相关，需要大量的能量供给，而线粒体正是细胞中的动力工厂，因此这些组织中的线粒体数量相对其他组织要多很多，这也让寇里克有机会发现它们。

由于当时生物学界对细胞的微观结构并没有达成共识，同时显微镜也刚刚应用到生物学的研究中，所以对新发现的细胞器大多数是停留在外观形状的描述，并没有了解它们的具体功能和亚细胞结构。寇里克也仅仅是描述了线粒体的形状和大小，他无法去验证线粒体的具体功能和内部结构，只是大胆猜测这种数量众多的颗粒可能会有着极为重要的生理学功能。

1880年左右，显微手段有了质的飞跃，出现了多个镜片组合在一起的复合显微镜，使得显微镜的放大倍数提高到了2000倍，分辨率也相应地提高到1 μm的水平，从而使生物学家得以深入研究细胞的亚显微结构。德国病理学家及组织学家理查德·阿尔特曼(Richard Altman)在研究细胞的亚显微结构时,在需能组织附近发现了大量的颗粒聚集，他决定将这种“原生粒”与细胞中的其他结构区分开来[2]。阿尔特曼1886年发明了一种鉴别这些颗粒的染色法，据此可以在显微镜下清楚地看到这些颗粒在细胞中的分布情况。阿尔特曼猜测这些颗粒可能并不是细胞自身的组成部分，而是与细胞具有共生关系的细菌。他将观察到的这些颗粒命名为“原生粒”(bioblast)。1890年，生物学家帕特斯(Petzius)将观察到的同样的小颗粒命名为肌粒(sarcosome)，因为它在肌肉细胞中的数量较多。同年，生物学家理查德·阿尔特曼又将这些颗粒命名为细胞质活粒(bioblast)，认为这些颗粒并不是细胞的组成部分，而是独立的与细胞有共生关系的细菌[3]。

直到1897年，德国生物学家卡尔·本达(Carle Benda)首次正式将这种颗粒命名为线粒体(mitochondrion)。他在研究中发现，这些原生粒数量众多，且形态多变，有时候呈线状、有时呈颗粒状，所以他用希腊语中“线”和“颗粒”对应的两个词“mitos”和“chondros”组成“mitochondrion”为这种结构命名。至此，“线粒体”的名称才正式被科学界所采纳。从1850年线粒体被描述，到对它正式命名整整经历了漫长的半个世纪的时间[4]。

在线粒体被发现和命名之后很长一段时间里，它在细胞中的具体功能依然是个谜，直到20世纪初关于线粒体功能的研究才有所突破。

1899年，美国化学家莱昂诺尔·米歇利斯(Leonor Michaelis)开发出具有还原性的詹姆斯绿染液，并且利用这种染液为肝细胞中的线粒体染色。他通过颜色的变化，推断线粒体参与了细胞中的某些氧化反应。该实验成功的关键是实验素材选择了肝脏细胞。由于肝脏在人体中担负了解毒的重要作用，而解毒需要大量的能量，因此其中线粒体的数量也较其他组织更为丰富，染色后容易被清楚地观察。米歇利斯发现，在细胞耗氧后，被染色的线粒体颜色会逐渐变淡，从而提示线粒体具有氧化还原反应的作用。经过反复的实验验证，1900年米歇利斯公布了这一方法，随后很多生物学家开始不断尝试使用这种方法去观察线粒体。美国细胞学家埃德蒙·文森特·考德里(Edmund Vincent Cowdery)对米歇利斯的方法进行了大力推广，并在此基础上进行了改良，使得线粒体的结构能够更清楚地展示在显微镜下。随后，德国生物化学家奥托·海因里希·沃伯格(Otto Heinrich Warburg)在对线粒体进行标志性染色后，成功完成了线粒体的粗提取，继而从中分离得到一些催化有氧呼吸反应的酶，并提出了这些酶能被氢氰酸等氰化物抑制的猜想。沿着这一思路，科学家逐步证明线粒体是细胞中发生克雷布斯循环、电子传递、氧化磷酸化作用的场所，从而确定了线粒体是真核生物细胞进行能量转换的主要部位。

2 线粒体的起源假说

关于线粒体的起源，生物学界一直没有形成统一的观点，迄今为止，依然存有争论。目前主要存在两种截然不同的假说，其一是内共生起源学说(endosymbiosis theory)；其二是非共生起源学说(noendosymbiosis theory)。这两种假说相互对立，又各自有着支持论据。

2.1 内共生起源学说 内共生起源学说认为，线粒体是由被细胞吞入的细菌演化而来。这一学说最早的雏形来自于几位俄罗斯科学家，其中起关键作用的是生物学家安德雷·谢尔盖耶维奇·法明茨恩(Andrei Sergeevich Famintsyn)。他着手从植物的细胞中将重要细胞器叶绿体分离出来，并试图让它在离体的状态下生长。他的想法代表着内共生学说最原始的萌芽：假如能够证明叶绿体能够在离体的环境下独立生长，就可以从侧面反映叶绿体可能是来自于被细胞吞入的细菌，它与细胞之间是共生的关系。随后，另一位生物学家康斯坦丁·谢尔盖耶维奇·梅里日可夫斯基(Constantine Sergeevich Merrykovsky)提出了“双原生质”(twoplasm)理论，他认为细胞器来自于细胞内部的新细胞，叶绿体起源于一种特殊的蓝绿藻。这种理论实际上也认为叶绿体与细胞可能存在共生的关系。第三位生物学家波利斯·米哈伊洛维奇·库佐·波利延斯基(Boris M. Kozo-Polyansky)则认为细胞的游动性源于共生。当时这三位生物学家在俄罗斯学术界享有很高的声誉，他们的观点在俄罗斯引起了不小的轰动，但是当时占据主导地位的西方科学界对这些理论并不以为然。1905年，克斯坦丁·麦斯克沃斯基(Konstantin Mereschkowsky)最先提出叶绿体是由原先的内共生体形成的。随后在20世纪20年代，美国学者伊万·沃林(Ivan Wallin)在哥伦比亚大学做“推测细胞成分”的主题汇报时，提出线粒体由原先的内共生体形成，而这些共生体具有与细胞器相同的功能。但是，这个在当时颇具前瞻性的学说却遭到与会者的嘲笑与抵制。而最终完整提出内共生学说的是美国生物学家马古利斯(LynnMargulis)，她在1970年出版了《真核细胞的起源》一书，在书中她第一次提出了较为完善的内共生学说。她认为原核生物在某些特殊的情况下吞入了一些好氧的细菌，这些细菌在长期与原核生物共存的情况下逐步发展演化起来，并且没有被分解与消化，而是与寄主之间达到了一种默契，产生相互适应的关系，形成一种互利共生的状态，随着时间的推移而逐渐进化成线粒体。她的这一学说包含了几条重要的观点：原线粒体是线粒体的祖先，它属于一种革兰氏阴性菌，它可以进行三羧酸循环和电子传递；原线粒体可以与寄生的宿主产生相互依赖的共生关系，两者是互利共生的；宿主可以给原线粒体提供丰富的营养，原线粒体的氧化分解可以给宿主提供生命活动所必须的能量[5]。

马古利斯提出的线粒体起源于内共生细菌的假说，获得了学术同行的大力支持。首先，线粒体与它的宿主细胞一样，均具有各自独立的遗传物质——线粒体脱氧核糖核酸和线粒体核糖核酸；第二，细胞在进行自身繁殖的同时，线粒体等细胞器也同时进行增殖和分配，保留了独立性和连续性；第三，现存生命有机体中依然存在着类似的现象，例如，低等动物草履虫中含有蓝藻共生体，水螅中含有绿藻共生体等。这些证据都可用来作为线粒体起源于需氧的细菌的证据，也成为支持马古利斯内共生起源学说的依据。

2.2 非共生起源学说 有关线粒体起源的另外一种截然不同的理论是非共生起源学说。这种学说认为，细胞本身就来源于一种好氧的细菌，伴随着生物的不断进化，某些具有呼吸作用的细胞膜逐步内陷，并包裹住部分遗传物质，如DNA或RNA等，逐渐形成了既具有独立遗传物质、又有着呼吸功能和膜结构的线粒体。

非共生起源学说的产生是内共生起源学说的反对者集思广益的产物，是在不断反驳马古利斯观点的基础上综合起来的[6]。

非共生起源学说的内容主要包括三点：第一，现今存在的一部分原始的好氧细菌中具有拟线粒体结构，这种结构是由细胞质膜的内陷和折叠形成的，具有呼吸功能；第二，原核细胞中具有呼吸功能和光合作用功能的结构可以分别看成是线粒体和叶绿体的雏形，现今细胞的这两种细胞器都是在原核细胞中逐步进化而来的，而不是由细菌共生转化而成的；第三，在验证内共生学说的实验中，通过对真核细胞连续切片发现核膜与各种细胞器膜的连续关系，由此有力地证明了这些细胞器与细胞核具有更为亲密的关系，很可能是起源自自身内膜系统的内陷，而非外来共生的细菌。

2.3 两种起源学说的比较分析 目前这两种学说都有着各自的理论和实验证据，但是究竟孰是孰非至今尚无定论。但是相比较而言，由于共生是生物界的普遍现象，所以内共生学说的支持依据相对较多。

例如，近年发现的灰孢藻本身并无叶绿素，但有许多叶蓝小体生活在其体内并进行光合作用，这是对内共生起源学说的有力支持。此外，叶绿体和线粒体都有各自独特的DNA，可以自行复制，且不完全受细胞核DNA的控制。线粒体和叶绿体的DNA同细胞核DNA有很大差别，但同蓝藻和细菌的DNA却很相似。这些事实都说明细菌和线粒体、蓝藻和叶绿体可能是同源的，也就是存在着共生的关系。同时，抗生素可以分别抑制真核生物细胞的线粒体和叶绿体以及细菌和蓝藻的现象，也从另一个角度提示这两种胞器与细菌和蓝藻之间可能有着共同的起源。再从细胞膜的角度来看，线粒体和叶绿体的内、外膜有显著差异，并且内、外膜的化学成分是不同的。外膜与宿主的膜基本一致，特别是与内质网膜很相似，而内膜则同细菌和蓝藻的膜相似。这些证据都有力地支持着内共生起源假说。

虽然有着很多的证据支持，但是迄今为止关于内共生起源学说的争议依然存在。最大的争议来自于它与进化思想的矛盾。按照进化论的观点，在内共生过程中，拥有先进氧化代谢途径的好氧细菌无疑应该占优势，但是马古利斯的内共生学说却认为好氧细菌反而逐步丧失了独立自主性并将其遗传信息成批地转移到了宿主细胞中，这显然是不符合进化论思想的。同时，内共生起源学说也不能清楚地解释细胞核这样一个控制生命活动最主要的细胞器是如何起源的。因此，内共生起源假说依然有进一步探讨的必要。相信在不久的将来，一定会有更加合理和完善的学说出现。