它只發生過一次,卻永遠改變了地球生命的進程

我們或許已經非常習慣面對這個豐富多彩、生機勃勃的生命星球。放眼望去,鬱鬱蔥蔥的樹林,活蹦亂跳的貓貓狗狗,一不小心就會踩到的昆蟲……

但在地球生命史的很長一段時間裡,生物世界並非如此。「生物」這個詞僅僅代表著一個個肉眼看不見的細胞。不可思議的是,如今豐富的生命世界的存在,都離不開大約20億年前兩個細胞之間發生的一段小插曲。

20億年前的一口……

大約在20億年前,地球上都是一個個簡單的細胞,但它們之間的生存競爭並不比今天的少。細胞也會吃下其他細胞,來維持自己的生命。

但突然有一天,當一個細胞原本打算像往常一樣吞下另一個細胞時,它們意外地「發現」,合作比對抗更容易。我們無法得知其中的細節,但最終的結果是,它們「決定」相互依賴,共同生存了下來。

這個被吞噬的細胞開始為宿主細胞提供能量,並伴隨著宿主細胞一代代繁衍了下去。如今,它已經演變成了存在於各種生物體內的一個特殊的細胞器,被稱作線粒體

或許一個更讓你震驚的事實是,目前普遍認為,線粒體具有單一起源,廣泛的線粒體都有一個單一的共同祖先,換言之,線粒體的起源在生命史上是一個一次性事件,卻永遠改寫了地球生命的發展歷程。用一些生物學家的諧音梗來說,「線」實就這樣發生了……

這一起源理論被稱為內共生,顧名思義,就是「在細胞內共同生活」,最早由生物學家林恩·馬古利斯(Lynn Margulis)提出。它解釋了原本形態簡單的細胞如何獲得更多細胞器,並演變出了更復雜的生命形式。

這個顛覆性的理論在20世紀60年代剛剛問世時,經歷了無數反對,馬古利斯甚至受到了來自生物學界的嘲笑。但它如今已經廣為接受,因為資料和證據卻站在了馬古利斯這一邊。

線粒體內共生的證據

其中一條關鍵的證據藏在遺傳密碼DNA中。線粒體保留了少量屬於自己的DNA,也就是線粒體DNA(mtDNA),這是它們古老祖先的殘餘。這些DNA獨立於細胞核中的DNA,但同樣會隨著細胞增殖不斷傳遞。

有研究認為,mtDNA非常類似變形菌的DNA。換言之,20億年前很有可能是一個細菌「入侵」了一個細胞,並意外地在那裡永久定居了下來。

另一條證據則來自線粒體的結構。線粒體具有一種特殊的雙層膜結構。這一特徵恰好符合一種被稱為胞吞的過程。

胞吞過程簡單示意圖。宿主細胞在這個過程中會用自己的一部分膜包裹住外來物。|圖片設計:雯雯

在胞吞過程中,宿主細胞會用自身的細胞膜裹住外來的食物或者「入侵者」。科學家推測,線粒體的祖先正是在進入細胞時獲得了第二層膜

線粒體結構之謎

但線粒體身上的謎團還不止它古老的身世。

隨著時間的推移,線粒體在各種細胞中充當著「發電廠」的角色。它通過呼吸作用,幫助細胞將有機物氧化分解成能量。

與此同時,為了更好地工作,線粒體的結構和形態也發生著變化。尤其是,線粒體的內膜會褶皺形成一種「」的結構。

線粒體嵴上充滿了功能各異的蛋白質,保證產能的順利進行。而這種膜的褶皺和摺疊能有效地增加內膜的表面積,讓耗氧的化學反應可以更快進行。

線粒體嵴示意圖。|圖片來源:Wikimedia

在不同種類的細胞中,線粒體嵴形態和排列各異,在數量上同樣天差地別。解釋線粒體嵴的結構形成的細節差異,也成了當今生物學的最大挑戰之一。

不同細胞類型中的線粒體嵴形態結構各異。|圖片來源:Open Biology (2022)

對於生物學家來說,想要解釋嵴的形成,實際上是需要找到一套規律,從而可以預測不同線粒體在所處的環境中會採用怎樣的嵴的形態。這些規律還需要囊括對線粒體本質性的功能描述。

近年來,對活細胞的超解析度光學顯微和電子斷層掃描等技術方面的進展,科學家也對線粒體嵴的動態行為有了新的認識。整個線粒體的詳細結構現在可以從一系列圖像中構建出來,這些圖像被反推以創建三維斷層圖。

在近期發表於《開放生物學》的一篇文章中,研究人員解釋了線粒體嵴的生物發生是通過4條主要通路的協調活動實現的。這些通路包含了酶、功能蛋白和膜等合成的多個方面。簡而言之,這是一個極其複雜的過程,它涉及4種塑造因素之間的緊密配合和相互作用

研究人員還發現,這些通路在進化上是保守的,也就是說,它們在進化的過程中被保留了下來,從原生生物和酵母菌,一直到像我們這樣的高等真核生物都能找到。

但仍有許多細節有待發掘。目前世界各地的實驗室都在開發新的計算模型,這些不同通路和成分的作用比例可以進行微調和調整,這將大大有助於確定究竟是什麼在控制線粒體的形成。

#創作團隊:

撰文:Takeko

排版:雯雯

#參考來源:

[美] 拉里·戈尼克 [美] 戴維·威斯納,《漫畫生物學》,中信出版·鸚鵡螺,2020年11月

https://phys.org/news/2022-01-mitochondria.html

https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rsob.210238

#圖片來源:

封面圖:Pixbay

首圖:Max Pixel

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