劉 銳

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技史與科技考古系 合肥 230026)

1 線粒體的發(fā)現(xiàn)過(guò)程

自19世紀(jì)以來(lái)，解剖學(xué)迅速發(fā)展，生物器官的結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)功能的研究得到科學(xué)界的重視。這一時(shí)代有一位杰出的德國(guó)生物學(xué)家、解剖學(xué)家寇里克(Rudolph Kolliker)在這一研究領(lǐng)域做出了杰出的貢獻(xiàn)?？芾锟顺錾谌鹗刻K黎世，21歲之前一直在家鄉(xiāng)生活學(xué)習(xí)，并順利讀完高中。1838年，他來(lái)到波恩大學(xué)學(xué)習(xí)生理學(xué)，畢業(yè)后一直從事解剖學(xué)研究。他在動(dòng)物學(xué)方面的研究有很深的造詣，他解剖了脊椎動(dòng)物中的哺乳綱和兩棲綱動(dòng)物的橫紋肌、平滑肌、骨頭、皮膚、血管等各種組織，并且詳細(xì)地記錄了實(shí)驗(yàn)結(jié)果[1]。1850年，他在實(shí)驗(yàn)中觀察到昆蟲(chóng)的橫紋肌中具有許多顆粒結(jié)構(gòu)，并將這些顆粒進(jìn)行了分離研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，寇里克推測(cè)它們被半透性的膜包被著，這些小顆粒其實(shí)就是當(dāng)時(shí)未認(rèn)識(shí)的線粒體?？芾锟说谝粋€(gè)描述了線粒體，但他當(dāng)時(shí)并沒(méi)有對(duì)這些顆粒進(jìn)行命名，因?yàn)樗€無(wú)法窺測(cè)到線粒體內(nèi)部的亞顯微結(jié)構(gòu)，無(wú)從得知這些細(xì)胞器的具體功能，因而無(wú)法根據(jù)結(jié)構(gòu)或功能上的特點(diǎn)對(duì)其命名。

在實(shí)驗(yàn)中，寇里克所解剖的都是一些需要能量較多的組織，包括平滑肌、橫紋肌和心肌等。這些組織都與運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān)，需要大量的能量供給，而線粒體正是細(xì)胞中的動(dòng)力工廠，因此這些組織中的線粒體數(shù)量相對(duì)其他組織要多很多，這也讓寇里克有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)它們。

由于當(dāng)時(shí)生物學(xué)界對(duì)細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)并沒(méi)有達(dá)成共識(shí)，同時(shí)顯微鏡也剛剛應(yīng)用到生物學(xué)的研究中，所以對(duì)新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞器大多數(shù)是停留在外觀形狀的描述，并沒(méi)有了解它們的具體功能和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。寇里克也僅僅是描述了線粒體的形狀和大小，他無(wú)法去驗(yàn)證線粒體的具體功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只是大膽猜測(cè)這種數(shù)量眾多的顆?？赡軙?huì)有著極為重要的生理學(xué)功能。

1880年左右，顯微手段有了質(zhì)的飛躍，出現(xiàn)了多個(gè)鏡片組合在一起的復(fù)合顯微鏡，使得顯微鏡的放大倍數(shù)提高到了2000倍，分辨率也相應(yīng)地提高到1 μm的水平，從而使生物學(xué)家得以深入研究細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)。德國(guó)病理學(xué)家及組織學(xué)家理查德·阿爾特曼(Richard Altman)在研究細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)時(shí),在需能組織附近發(fā)現(xiàn)了大量的顆粒聚集，他決定將這種“原生?！迸c細(xì)胞中的其他結(jié)構(gòu)區(qū)分開(kāi)來(lái)[2]。阿爾特曼1886年發(fā)明了一種鑒別這些顆粒的染色法，據(jù)此可以在顯微鏡下清楚地看到這些顆粒在細(xì)胞中的分布情況。阿爾特曼猜測(cè)這些顆粒可能并不是細(xì)胞自身的組成部分，而是與細(xì)胞具有共生關(guān)系的細(xì)菌。他將觀察到的這些顆粒命名為“原生?！?bioblast)。1890年，生物學(xué)家帕特斯(Petzius)將觀察到的同樣的小顆粒命名為肌粒(sarcosome)，因?yàn)樗诩∪饧?xì)胞中的數(shù)量較多。同年，生物學(xué)家理查德·阿爾特曼又將這些顆粒命名為細(xì)胞質(zhì)活粒(bioblast)，認(rèn)為這些顆粒并不是細(xì)胞的組成部分，而是獨(dú)立的與細(xì)胞有共生關(guān)系的細(xì)菌[3]。

直到1897年，德國(guó)生物學(xué)家卡爾·本達(dá)(Carle Benda)首次正式將這種顆粒命名為線粒體(mitochondrion)。他在研究中發(fā)現(xiàn)，這些原生粒數(shù)量眾多，且形態(tài)多變，有時(shí)候呈線狀、有時(shí)呈顆粒狀，所以他用希臘語(yǔ)中“線”和“顆?！睂?duì)應(yīng)的兩個(gè)詞“mitos”和“chondros”組成“mitochondrion”為這種結(jié)構(gòu)命名。至此，“線粒體”的名稱才正式被科學(xué)界所采納。從1850年線粒體被描述，到對(duì)它正式命名整整經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間[4]。

在線粒體被發(fā)現(xiàn)和命名之后很長(zhǎng)一段時(shí)間里，它在細(xì)胞中的具體功能依然是個(gè)謎，直到20世紀(jì)初關(guān)于線粒體功能的研究才有所突破。

1899年，美國(guó)化學(xué)家萊昂諾爾·米歇利斯(Leonor Michaelis)開(kāi)發(fā)出具有還原性的詹姆斯綠染液，并且利用這種染液為肝細(xì)胞中的線粒體染色。他通過(guò)顏色的變化，推斷線粒體參與了細(xì)胞中的某些氧化反應(yīng)。該實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是實(shí)驗(yàn)素材選擇了肝臟細(xì)胞。由于肝臟在人體中擔(dān)負(fù)了解毒的重要作用，而解毒需要大量的能量，因此其中線粒體的數(shù)量也較其他組織更為豐富，染色后容易被清楚地觀察。米歇利斯發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞耗氧后，被染色的線粒體顏色會(huì)逐漸變淡，從而提示線粒體具有氧化還原反應(yīng)的作用。經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，1900年米歇利斯公布了這一方法，隨后很多生物學(xué)家開(kāi)始不斷嘗試使用這種方法去觀察線粒體。美國(guó)細(xì)胞學(xué)家埃德蒙·文森特·考德里(Edmund Vincent Cowdery)對(duì)米歇利斯的方法進(jìn)行了大力推廣，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良，使得線粒體的結(jié)構(gòu)能夠更清楚地展示在顯微鏡下。隨后，德國(guó)生物化學(xué)家?jiàn)W托·海因里?！の植?Otto Heinrich Warburg)在對(duì)線粒體進(jìn)行標(biāo)志性染色后，成功完成了線粒體的粗提取，繼而從中分離得到一些催化有氧呼吸反應(yīng)的酶，并提出了這些酶能被氫氰酸等氰化物抑制的猜想。沿著這一思路，科學(xué)家逐步證明線粒體是細(xì)胞中發(fā)生克雷布斯循環(huán)、電子傳遞、氧化磷酸化作用的場(chǎng)所，從而確定了線粒體是真核生物細(xì)胞進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的主要部位。

2 線粒體的起源假說(shuō)

關(guān)于線粒體的起源，生物學(xué)界一直沒(méi)有形成統(tǒng)一的觀點(diǎn)，迄今為止，依然存有爭(zhēng)論。目前主要存在兩種截然不同的假說(shuō)，其一是內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)(endosymbiosis theory)；其二是非共生起源學(xué)說(shuō)(noendosymbiosis theory)。這兩種假說(shuō)相互對(duì)立，又各自有著支持論據(jù)。

2.1 內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō) 內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)認(rèn)為，線粒體是由被細(xì)胞吞入的細(xì)菌演化而來(lái)。這一學(xué)說(shuō)最早的雛形來(lái)自于幾位俄羅斯科學(xué)家，其中起關(guān)鍵作用的是生物學(xué)家安德雷·謝爾蓋耶維奇·法明茨恩(Andrei Sergeevich Famintsyn)。他著手從植物的細(xì)胞中將重要細(xì)胞器葉綠體分離出來(lái)，并試圖讓它在離體的狀態(tài)下生長(zhǎng)。他的想法代表著內(nèi)共生學(xué)說(shuō)最原始的萌芽：假如能夠證明葉綠體能夠在離體的環(huán)境下獨(dú)立生長(zhǎng)，就可以從側(cè)面反映葉綠體可能是來(lái)自于被細(xì)胞吞入的細(xì)菌，它與細(xì)胞之間是共生的關(guān)系。隨后，另一位生物學(xué)家康斯坦丁·謝爾蓋耶維奇·梅里日可夫斯基(Constantine Sergeevich Merrykovsky)提出了“雙原生質(zhì)”(twoplasm)理論，他認(rèn)為細(xì)胞器來(lái)自于細(xì)胞內(nèi)部的新細(xì)胞，葉綠體起源于一種特殊的藍(lán)綠藻。這種理論實(shí)際上也認(rèn)為葉綠體與細(xì)胞可能存在共生的關(guān)系。第三位生物學(xué)家波利斯·米哈伊洛維奇·庫(kù)佐·波利延斯基(Boris M. Kozo-Polyansky)則認(rèn)為細(xì)胞的游動(dòng)性源于共生。當(dāng)時(shí)這三位生物學(xué)家在俄羅斯學(xué)術(shù)界享有很高的聲譽(yù)，他們的觀點(diǎn)在俄羅斯引起了不小的轟動(dòng)，但是當(dāng)時(shí)占據(jù)主導(dǎo)地位的西方科學(xué)界對(duì)這些理論并不以為然。1905年，克斯坦丁·麥斯克沃斯基(Konstantin Mereschkowsky)最先提出葉綠體是由原先的內(nèi)共生體形成的。隨后在20世紀(jì)20年代，美國(guó)學(xué)者伊萬(wàn)·沃林(Ivan Wallin)在哥倫比亞大學(xué)做“推測(cè)細(xì)胞成分”的主題匯報(bào)時(shí)，提出線粒體由原先的內(nèi)共生體形成，而這些共生體具有與細(xì)胞器相同的功能。但是，這個(gè)在當(dāng)時(shí)頗具前瞻性的學(xué)說(shuō)卻遭到與會(huì)者的嘲笑與抵制。而最終完整提出內(nèi)共生學(xué)說(shuō)的是美國(guó)生物學(xué)家馬古利斯(LynnMargulis)，她在1970年出版了《真核細(xì)胞的起源》一書，在書中她第一次提出了較為完善的內(nèi)共生學(xué)說(shuō)。她認(rèn)為原核生物在某些特殊的情況下吞入了一些好氧的細(xì)菌，這些細(xì)菌在長(zhǎng)期與原核生物共存的情況下逐步發(fā)展演化起來(lái)，并且沒(méi)有被分解與消化，而是與寄主之間達(dá)到了一種默契，產(chǎn)生相互適應(yīng)的關(guān)系，形成一種互利共生的狀態(tài)，隨著時(shí)間的推移而逐漸進(jìn)化成線粒體。她的這一學(xué)說(shuō)包含了幾條重要的觀點(diǎn)：原線粒體是線粒體的祖先，它屬于一種革蘭氏陰性菌，它可以進(jìn)行三羧酸循環(huán)和電子傳遞；原線粒體可以與寄生的宿主產(chǎn)生相互依賴的共生關(guān)系，兩者是互利共生的；宿主可以給原線粒體提供豐富的營(yíng)養(yǎng)，原線粒體的氧化分解可以給宿主提供生命活動(dòng)所必須的能量[5]。

馬古利斯提出的線粒體起源于內(nèi)共生細(xì)菌的假說(shuō)，獲得了學(xué)術(shù)同行的大力支持。首先，線粒體與它的宿主細(xì)胞一樣，均具有各自獨(dú)立的遺傳物質(zhì)——線粒體脫氧核糖核酸和線粒體核糖核酸；第二，細(xì)胞在進(jìn)行自身繁殖的同時(shí)，線粒體等細(xì)胞器也同時(shí)進(jìn)行增殖和分配，保留了獨(dú)立性和連續(xù)性；第三，現(xiàn)存生命有機(jī)體中依然存在著類似的現(xiàn)象，例如，低等動(dòng)物草履蟲(chóng)中含有藍(lán)藻共生體，水螅中含有綠藻共生體等。這些證據(jù)都可用來(lái)作為線粒體起源于需氧的細(xì)菌的證據(jù)，也成為支持馬古利斯內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)的依據(jù)。

2.2 非共生起源學(xué)說(shuō) 有關(guān)線粒體起源的另外一種截然不同的理論是非共生起源學(xué)說(shuō)。這種學(xué)說(shuō)認(rèn)為，細(xì)胞本身就來(lái)源于一種好氧的細(xì)菌，伴隨著生物的不斷進(jìn)化，某些具有呼吸作用的細(xì)胞膜逐步內(nèi)陷，并包裹住部分遺傳物質(zhì)，如DNA或RNA等，逐漸形成了既具有獨(dú)立遺傳物質(zhì)、又有著呼吸功能和膜結(jié)構(gòu)的線粒體。

非共生起源學(xué)說(shuō)的產(chǎn)生是內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)的反對(duì)者集思廣益的產(chǎn)物，是在不斷反駁馬古利斯觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上綜合起來(lái)的[6]。

非共生起源學(xué)說(shuō)的內(nèi)容主要包括三點(diǎn)：第一，現(xiàn)今存在的一部分原始的好氧細(xì)菌中具有擬線粒體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是由細(xì)胞質(zhì)膜的內(nèi)陷和折疊形成的，具有呼吸功能；第二，原核細(xì)胞中具有呼吸功能和光合作用功能的結(jié)構(gòu)可以分別看成是線粒體和葉綠體的雛形，現(xiàn)今細(xì)胞的這兩種細(xì)胞器都是在原核細(xì)胞中逐步進(jìn)化而來(lái)的，而不是由細(xì)菌共生轉(zhuǎn)化而成的；第三，在驗(yàn)證內(nèi)共生學(xué)說(shuō)的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)真核細(xì)胞連續(xù)切片發(fā)現(xiàn)核膜與各種細(xì)胞器膜的連續(xù)關(guān)系，由此有力地證明了這些細(xì)胞器與細(xì)胞核具有更為親密的關(guān)系，很可能是起源自自身內(nèi)膜系統(tǒng)的內(nèi)陷，而非外來(lái)共生的細(xì)菌。

2.3 兩種起源學(xué)說(shuō)的比較分析 目前這兩種學(xué)說(shuō)都有著各自的理論和實(shí)驗(yàn)證據(jù)，但是究竟孰是孰非至今尚無(wú)定論。但是相比較而言，由于共生是生物界的普遍現(xiàn)象，所以內(nèi)共生學(xué)說(shuō)的支持依據(jù)相對(duì)較多。

例如，近年發(fā)現(xiàn)的灰孢藻本身并無(wú)葉綠素，但有許多葉藍(lán)小體生活在其體內(nèi)并進(jìn)行光合作用，這是對(duì)內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)的有力支持。此外，葉綠體和線粒體都有各自獨(dú)特的DNA，可以自行復(fù)制，且不完全受細(xì)胞核DNA的控制。線粒體和葉綠體的DNA同細(xì)胞核DNA有很大差別，但同藍(lán)藻和細(xì)菌的DNA卻很相似。這些事實(shí)都說(shuō)明細(xì)菌和線粒體、藍(lán)藻和葉綠體可能是同源的，也就是存在著共生的關(guān)系。同時(shí)，抗生素可以分別抑制真核生物細(xì)胞的線粒體和葉綠體以及細(xì)菌和藍(lán)藻的現(xiàn)象，也從另一個(gè)角度提示這兩種胞器與細(xì)菌和藍(lán)藻之間可能有著共同的起源。再?gòu)募?xì)胞膜的角度來(lái)看，線粒體和葉綠體的內(nèi)、外膜有顯著差異，并且內(nèi)、外膜的化學(xué)成分是不同的。外膜與宿主的膜基本一致，特別是與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜很相似，而內(nèi)膜則同細(xì)菌和藍(lán)藻的膜相似。這些證據(jù)都有力地支持著內(nèi)共生起源假說(shuō)。

雖然有著很多的證據(jù)支持，但是迄今為止關(guān)于內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)的爭(zhēng)議依然存在。最大的爭(zhēng)議來(lái)自于它與進(jìn)化思想的矛盾。按照進(jìn)化論的觀點(diǎn)，在內(nèi)共生過(guò)程中，擁有先進(jìn)氧化代謝途徑的好氧細(xì)菌無(wú)疑應(yīng)該占優(yōu)勢(shì)，但是馬古利斯的內(nèi)共生學(xué)說(shuō)卻認(rèn)為好氧細(xì)菌反而逐步喪失了獨(dú)立自主性并將其遺傳信息成批地轉(zhuǎn)移到了宿主細(xì)胞中，這顯然是不符合進(jìn)化論思想的。同時(shí)，內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)也不能清楚地解釋細(xì)胞核這樣一個(gè)控制生命活動(dòng)最主要的細(xì)胞器是如何起源的。因此，內(nèi)共生起源假說(shuō)依然有進(jìn)一步探討的必要。相信在不久的將來(lái)，一定會(huì)有更加合理和完善的學(xué)說(shuō)出現(xiàn)。