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如果你對生命足夠好奇，你一定要來讀這本書。

無論你所修何種專業，無論你愛好興趣如何，更無論你的閱讀背景與習慣，這本書都會為你開啟認識生命的前所未有的方式。

我無法告訴你我讀到這本書有多興奮。作者探究的豐度和深度足夠燒腦，但層層推進伴有幽默詼諧的方式絕不會讓你淺嘗輒止。

作者尼克·連恩（英語：Nick Lane，1967年生）是一位英國生物化學家和科普作家，倫敦大學學院進化生物化學教授，致力于遺傳，進化和環境學的研究，2015年獲得生物化學協會獎，2016年獲Michael Farada獎（英國皇家協會頒發給為大眾傳遞科學知識的優秀作者的獎項）。

主要科普作品有《能量、性、死亡：線粒體與生命的意義》（Power, Sex, Suicide: Mitochondria and the Meaning of Life）、《生命之源：能量、演化與復雜生命的起源》（The Vital Question: Energy, Evolution, and the Origins of Complex Life'），如果大家感興趣，可以繼續到作者網站繼續獵奇（http://nick-lane.net）。

本書中文版來自貓頭鷹出版社2013年5月出版的《能量、性、死亡：線粒體與生命的意義》（譯者：林彥綸；ISBN：9789862621431）

線粒體：隱匿的世界統治者

粒線體是細胞內的小小胞器，我們對能量的需求，絕大部分都是靠它們產生的ATP（腺苷三磷酸）來滿足。每個細胞內平均有三百至四百個粒線體，也就是說，人體內約有一萬兆個粒線體。基本上每個復雜細胞中都有粒線體。它們看起來像細菌，而它們的外觀也沒有騙人：粒線體的確曾經是自由生活的細菌，約在二十億年前它們適應了在更大的細胞體內生活。粒線體的內部仍留著一部分基因體片段，這些DNA就像是彰顯它們曾一度獨立生活的徽章。它們和宿主細胞之間曲折的關系形塑了生命的整幅紋理，從能量、性、生育力，到自殺、老化、死亡。

粒線體是個半公開的秘密。許多人因為不同的原因聽過它的名字。在報紙和部分教科書里，它們被簡略地稱做「生物的發電廠」，是活細胞內的小小發電機，生產了我們生存所需的幾乎所有能量。單一細胞內通常有數百個或數千個粒線體，它們在此利用氧氣將食物徹底燃燒。它們如此迷你，十億個粒線體可以輕輕松松地裝進一粒沙大小的空間里。生物演化出粒線體，就像是安裝了渦輪引擎，轟隆隆地轉動起來，隨時蓄勢待發。所有動物的體內（包括最懶散的那些），都至少有一些粒線體。即使是固著不動的植物和藻類，也利用它們來擴充光合作用所擷取的太陽能。

還有一些人則是對“粒線體夏娃”這個字眼比較熟悉。據信她是當代人類的共同祖先中，和我們最接近的一個，如果沿著母系血緣向前回溯我們的基因遺傳，由孩子回推到母親，再到外祖母，向未知的過往一路追蹤下去，就會找到她。藉由這種方法找到的那位最初的母親，粒線體夏娃，被認為曾生活在十七萬年前的非洲，因此也被稱做“非洲夏娃”。我們可以像這樣追溯遺傳上的祖先，是因為粒線體還保有小小一組自己的基因，粒線體的基因只會透過卵細胞，而不會透過精子傳給下一代。這意味著粒線體基因扮演了類似于母系姓氏的角色，使我們可以藉此回推母系的祖先，就像一些家族會追蹤著名人物的嫡傳后裔，如征服者威廉、諾亞或先知穆罕默德。雖然近來有人質疑其中的部分原理，但整體而言這個理論還是算數。當然，這項技術不只能幫我們尋找祖先，也能幫助我們厘清誰不是我們的祖先。根據粒線體基因分析，尼安德塔人和現代的智人沒有血緣關系，他們走向了滅絕之路，消失在歐洲大陸的邊緣。

粒線體也因為它在犯罪鑒識方面的用途而登上頭條，它們可以用于身分重建，不管對象是活人還是死尸，許多知名案件的調查都曾用到這個方法。此一技術同樣要動用到粒線體的那一小撮基因。俄羅斯末代沙皇尼古拉二世的身分便是靠著比對其親族的粒線體基因而確認的。第一次世界大戰結束時，在柏林有一名十七歲的少女被從河中救起，她聲稱她是沙皇失散的女兒安娜塔西亞，之后她被送進了精神病院。一九八四年，在她過世之后，粒線體的分析駁斥了她的說法，長達七十年的爭論才終于落幕。此外還有一些更近期的例子，世貿中心的災難中，有許多遇害者的遺體無法辨識，最后是靠著粒線體基因鑒定他們的身分。這個方法也被用來區分海珊和他的一名替身。粒線體基因之所以這么好用，有一部分要歸因于它的數量眾多。每個粒線體中，同樣的基因會有五到十組拷貝，而每一細胞內通常有數百個粒線體，所以在單一細胞中，同一個粒線體基因就會有數千份拷貝。在此同時，核基因只會有兩組拷貝，它們位在細胞的控制中心——細胞核內。因為上述的原因，一點粒線體基因都抽不到是很罕見的。加上我們和母親及母系親屬擁有同樣的粒線體基因，因此一旦抽到了粒線體基因，通常就意味著可以確認或推翻預設的母親關系。

此外還有粒線體老化理論，這個理論主張，老化以及伴隨老化而來的疾病，其成因是一種人稱自由基的活性分子，而它們會在細胞正常行呼吸作用時從粒線體滲漏出來。粒線體并不是完全「防火花」的裝置。當它們利用氧氣燃燒食物時，溢散的自由基火花會破壞鄰近的構造，包括粒線體本身的基因，和距離更遠的細胞核基因。細胞內的基因每天大約會被自由基攻擊一萬到十萬次，具體來說就是每秒都會有基因遭到摧殘。這些損傷多半都可以輕松地被修復，然而頻繁的攻擊還是會造成不可逆的突變，永久性地更動基因序列，而這樣的突變會在一生當中不斷累積。受損嚴重的細胞陸續死亡，像這樣持續的耗損就是老化和退化性疾病背后的原因。許多殘酷的遺傳疾病也和自由基攻擊粒線體基因所造成的突變有關。這些疾病的遺傳模式通常很古怪，而且在每一代患者間的嚴重性也不一致，不過一般而言都會隨著年紀增長愈見惡化。粒線體遺傳疾病常會侵襲代謝旺盛的組織如肌肉組織和腦組織，導致癲癇、運動障礙、眼盲、耳聾和肌肉退化。

還有些人對粒線體的印象則來自一種頗具爭議性的不孕癥療法：從捐贈者的健康卵細胞取出粒線體，移入不孕癥女的卵細胞內。此一技術被稱為卵質轉移。當它在新聞界初次登場，英國一家報社刊登時為這個故事配上了一個趣味的標題：「兩女一男合產一子」。這個標題活靈活現地表現了技術的特征，而且不完全是錯的，因為細胞核內的基因都來自「真正的」母親，有一部分的粒線體基因則來自「捐贈者」母親，所以嬰兒確實從兩個母親身上分別得到部分的遺傳物質。雖然有超過三十名看來健康的嬰兒透過這項技術誕生，但出于倫理以及實務上的考量，英國和美國后來便禁止了這項技術。

粒線體甚至曾出現在星際大戰電影里，做為虛構的科學根據，用來解釋赫赫有名，與你同在的原力，這還觸怒了一些狂熱的影迷。在最早的幾部電影里，原力被當做一種精神上的，或甚至是宗教上的存在來理解，但在后續的電影里則說那是「迷地原蟲」所制造的產物。何謂迷地原蟲？一位絕地武士好心地解釋它是「顯微鏡層級的生命體，存在于每個生物細胞內。我們與之共生，并藉這種關系從彼此身上得到助益。如果沒有迷地原蟲，生命便不會存在，我們也沒有機會認識原力。粒線體（Mitochondriumt）和迷地原蟲（Midichlorian）在名稱和本質上的相似性難以忽視，而且看來創作者是有意如此的。粒線體的祖先是細菌，它們也以共生生物的身分住在我們的細胞內（共生生物是與他種生物共享互利關系的生物）。粒線體也像迷地原蟲一樣具有許多神奇的特質，它們甚至可以形成彼此溝通的分支網路。在一九七○年代，瑪格利斯提出了粒線體源自細菌的著名論點，一度也頗受爭議，但現今大部分生物學者都把它當做事實來接受了。

粒線體的這幾個面向，都是一般人可以透過報紙或是大眾文化了解的。還有另一些面向，雖然對大眾而言或許比較深奧，但近一二十年在科學家間相當著名。最重要的像是細胞凋亡，或稱計畫性細胞死亡，指的是細胞為了個體的整體利益而自殺，犧牲小我完成大我。大約從九○年代中期開始，研究人員發現，細胞凋亡并非像早先認為的那樣由細胞核內的基因所控制，而由粒線體掌握控制權。其中的意涵在醫學研究上相當重要，因為，細胞在該凋亡時不凋亡，正是癌癥的主要原因。如今，有許多研究人員已經不再將矛頭指向核內基因，改為針對粒線體下手。但是，這個主題還有更深一層的意義。在癌癥的狀況下，個別細胞會爭取自由，掙脫枷鎖，不再為整個生物體服務。在個體的早期演化時，要把這樣的枷鎖強加在細胞上是很困難的：試想，一個有能力自由生活的細胞，憑什么要接受死刑判決來換取成為群體一員的權利？尤其是當它大可選擇脫離群體，再次獨自生活的時候？如果沒有計畫性細胞死亡，多細胞生物或許根本演化不出團結個別細胞的約束力。而計畫性細胞死亡又得仰賴粒線體，所以，如果沒有粒線體，多細胞生物可能也就不會存在。為免口說無憑，請讓我補充一點：所有多細胞的動物和植物真的都有粒線體，千真萬確。

現在，粒線體還在另一個圈子里非常出名：真核細胞的起源。真核細胞是具有細胞核的復合型細胞，植物、動物、藻類和真菌都是由這類細胞所構成。真核（eukaryotic）指的是基因在細胞內的座位，其希臘文詞源意思是真的細胞核。但坦白說，這個命名是有缺陷的。事實上，真核細胞除了細胞核外還具備許多其他零碎雜物，比方說——粒線體。真核細胞最初是怎么樣演化出來的？這是現今的當紅議題，一般的說法是，原始真核細胞逐步向現今的樣貌演化，然后有一天，它吞進一支細菌，這細菌被囚禁了數代后變得完全依賴它而生，最終演化為粒線體。根據這個理論，我們的共同祖先會是種沒有粒線體的低等單細胞真核生物，是從原始真核細胞尚未捕捉到粒線體供其驅使之前的年代，所留下來的遺產。但如今，這十年來謹慎的遺傳分析結果顯示，所有的真核細胞似乎都擁有或曾經有過（但后來舍棄了）粒線體，這暗示了復雜細胞的起源和粒線體的起源是不可分割的：兩件事其實是同一件事。如果這是真的，那不只是多細胞生物的演化需要粒線體，就連構成多細胞生物的真核細胞也需要粒線體在其起源中扮演重要角色。若上述為真，那就可以說，沒有粒線體，地球上就不會有細菌以外的生物了。

粒線體另一個比較秘而不宣的層面，和兩性間的差別有關，實際上，它是兩性世界的必要條件。眾所周知，性是個難解的課題：以性作為繁衍手段時，要有一對父母才能得到一個小孩，然而，復制或孤雌生殖只要母親就夠了；添加一個父親的形象不只冗贅，還會浪費空間和資源。更糟的是，性別一分為二意味著我們可以選擇的對象只有總人口數的一半，至少就以傳宗接代為前提的性來說是如此。就算不用傳宗接代，每個人都是同一個性別，或是有接近無限種性別也會比較好，「兩性」是最差的狀況。七○年代后期有人給這個謎提出了答案，這個解釋現在已經廣為科學家所接受，雖然一般大眾還沒有那么清楚。這個答案和粒線體有關。我們必須區分出兩種性別，是因為必須要有一種性別專門將粒線體透過卵細胞傳遞下去，同時要有另一性別特化出不會將粒線體送出的精子。我在本書第六部會提出其解釋。

這幾條研究的方向，一起將粒線體重新拱上了它自五○年代后再未享受過的尊榮地位（彼時才剛發現它是細胞內能量的來源，供應細胞所需的幾乎所有精力）。頂尖期刊《科學》也出了點力，在一九九九年為粒線體貢獻出它的封面和大篇幅的內文，標題是《粒線體大翻身》。這段日子里它之所以會被忽略，有兩個原因，其一是生物能學（研究粒線體產能的學門）被認為是一門困難而冷僻的學問。「別擔心，反正大家都不懂粒線體」，這句回蕩在講堂里，令人安慰的細語可以生動地概括這個現象。第二個原因和分子遺傳學在二十世紀后半的強勢有關，《粒線體》一書的作者薛弗勒特別提到：「分子生物學家之所以忽略了粒線體，可能是因為粒線體基因會被發現時，他們還沒有辦法察覺這有多深遠的涵義以及應用價值。必須要經過一段時間，累積了夠廣夠深的資料庫之后，才有辦法引導出值得投入的問題，主題包括人類學、生源論、疾病、演化等等。」

粒線體是個半公開的秘密，但畢竟還是個秘密。盡管它近來大大有名，實際上卻仍是一團謎。有許多重大的演化問題甚至都還沒有陳述，更遑論會有有在期刊中定期討論；幾個應運粒線體而成長的領域，往往只會很務實地被盡歸給它們的本科專家。比方說，粒線體產生能量所采用的機制，也就是泵送氫離子穿過膜（化學滲透），在所有生物，包括最原始的細菌體內都有發現。這樣的方法相當古怪。以某位評論者的話來說就是，「達爾文之后生物學界再沒出現過這么違反直覺的想法，其程度直逼愛因斯坦、海森堡和薛丁格。」然而這個想法最終被證明是正確的，并且在一九七八年為米歇爾掙得一座諾貝爾獎。然而絕少有人問：為什么如此奇特的產能方法會成為這么多不同物種的骨干？這個問題的答案向生命起源的幽暗之處拋出了一線光芒。這點我們之后將會看到。

還有一個有趣的問題很少被注意到：為什么粒線體基因還持續存在？已知的文獻一路追蹤我們的祖先找到粒線體夏娃，利用粒線體基因拼湊物種間的關系，但卻不問粒線體基因為何存在。我們單純只是預設那是它的細菌祖先遺留下來的。或許吧，但問題是粒線體基因大可以整段轉移到核內。不同物種轉移到核內的基因并不相同，然而所有具粒線體的物種也都在其內部保留了完全相同的一組核心基因。這些基因有何特別之處？在接下來的章節里我們將會披露最佳解答，也會解釋為何細菌永遠無法達到真核生物的復雜度。這說明了為什么宇宙中其他地方的生命形式可能卡在細菌的窠臼里，走不出去；為什么我們或許并不孤單，但幾乎肯定會是寂寞的。

類似這樣的問題還很多，一些思考敏銳的人會在專門文獻中提及，但這對大部分的群眾并不會造成困擾。表面上看起來，這些問題似乎深奧到荒謬的程度，想必連最聰明的科學專家也不會想考慮這些問題。但若把這些問題全部合起來，它們的答案天衣無縫地解釋了演化的整個軌跡，從生命本身的起源，到復雜細胞和多細胞生命體的誕生，到大體型、性別以及溫血動物的演化，一直到老化衰退以及死亡。從解答里浮現的這幅廣闊圖像，為我們帶來了嶄新的領悟——為什么我們存在于此？是否我們是宇宙里唯一的生物？我們為什么會有個體性？為什么我們要做愛？我們的根在哪里？為什么我們必須老化、必須死亡？——簡而言之，它們向我們訴說了生命的意義。口才出眾的歷史學家費南德薩姆斯托曾寫過：「故事有助于解釋故事本身；如果你知道事情如何發生，你會開始理解它們為何發生。」同樣的，在重建生命的故事時，「如何」和「為何」也密不可分。

我試圖將這本書的書寫對象設定為廣大的讀者群，或許你們沒有科學和生物學背景，但是如果要討論一些最新研究的影響和意義，我不免會使用一些專門術語，并且預設你們對細胞生物學有基本的了解。就算你們熟知這些詞匯，有些章節可能還是很有挑戰性，但我相信，為了科學的迷人之處，以及與那些觸及生命意義的未解問題奮力纏斗，而后終于見到一線曙光時的興奮激動，費點力氣是值得的。在研究遠古（比方說百萬年前）發生的事件時，要得到明確的答案幾乎是不可能的。盡管如此，我們可以運用我們所知的一切（或是我們認為我們所知的一切）來縮小可能答案的范圍。線索就散布在生命的各個層面，有時出現在最不可思議的地方，正是因為要解讀這些提示，讀者必須對現代細胞生物學有所認識，也因此部分章節會顯得困難。這些線索讓我們能夠排除一些可能性，并專注于剩下的選項，這樣的做法師法自福爾摩斯。正如這位偵探所言：「當你排除不可能的選項后，剩下來的無論多么難以置信，必定是事實真相。」雖然在演化的領域搬弄「不可能」這樣的字眼有點危險，但重建生命一路起來最可能采取的途徑，確實有種扮演偵探般的滿足感。希望我能把自己感受到的興奮透過書寫傳給各位。

為了方便快速檢索，我在本書最后的名詞解釋表列出了大部分的專有名詞和它們簡短的定義，但在我們繼續下去之前，或許可以先在這里讓沒有生物背景的讀者感受一下細胞生物學的氣氛。生物細胞自成一個微型宇宙，是可以獨立存在的最簡單生命形式，因而也是生物的基本單元。有些生物體像阿米巴原蟲或細菌，單單只有一個細胞，又稱單細胞生物。其他生物則由眾多細胞構成（以我們人類來說是數兆個），像這樣的生物就是多細胞生物。研究細胞的學門是細胞學（cytology），這個名詞的來源是希臘語的cyto，意指細胞（原意是圓形的容器）。許多專有名詞都有用到cyto-的字根，如細胞色素（cytochrome，細胞內的有色蛋白質）、細胞質（cytoplasm，細胞內部除了細胞核之外的生命物質），還有一種用法是以cyte來指稱細胞，例如像是紅血球（erythrocyte）。

并非所有的細胞都是平等的，有些細胞的配備比其他細胞來得更多。配備最少的細胞是細菌，它們是最簡單的細胞。就算在電子顯微鏡下觀察，細菌提供的構造資訊也少得可憐。它們非常小，直徑幾乎不到一微米（一毫米的千分之一），外觀通常不是圓球狀就是短柱狀。它們以堅硬便具有通透性的細胞壁和外界隔絕，在其內側，幾乎緊貼著細胞壁的，是一層輕薄但相對不具通透性的細胞膜，厚度只有幾奈米（一毫米的百萬分之一）。這層膜，薄得讓你感覺不到它的存在，細菌利用它生成能量，因此我們在本書中將一再提到它們。

細菌細胞的內部（事實上是所有細胞的內部）是細胞質，它具有膠狀的質地，各種生物性分子溶解或懸浮于其中。用一百萬倍的放大倍率，也就是我們可以達到的最大倍率來觀察，可以依稀看見其中一些分子，這使得細胞質看起來有些粗糙，就像是從空中俯看一片被鼴鼠侵擾的田地。首先看到的是長而如線圈般盤卷的DNA，它們是編織基因的原料，其扭曲的軌跡就像被惡劣鼴鼠開挖的工程。半個世紀前華生和克里克披露了它們著名的雙股螺旋結構。除此之外還有一些皺紋，那是大型蛋白質，它們即使被放大到這個倍率依舊只是勉強可見，但它們其實是由數百萬個原子構成的，這些原子排列精確，其實際結構可以藉由X光繞射解開。然后就到此為止了。即便生化的分析已經說明了細菌這種最簡單的細胞實際上非常復雜，其不可見的構造還藏有許多故事，但我們雙眼能見的就只有這么多了。

我們自身則是由另外一種細胞所組成的，是我們的細胞農場中配備最充足的一群。首先，它們大多了，其體積通常是細菌的數百或數千倍。看得見的內部構造也更多。一疊疊盤繞的膜狀物，皺褶處處；各式各樣，或大或小的囊泡，像封緊的夾鏈袋般將細胞質隔絕開來；細絲構成的致密分支網路——細胞骨架，提供細胞構造上的支持和彈性；還有胞器——細胞內獨立的器官，專司特定任務，正如同腎臟專司過濾那般。但最重要的是細胞核，那顆支配著小小的細胞宇宙的憂郁星球。細胞核這顆星體簡直就像月球一樣布滿坑洞（應該說是小孔）。具備這種細胞核的真核細胞，是這世上最重要的細胞。如果它們不存在，我們所知的世界也不會存在。所有植物和動物，所有藻類和真菌，基本上我們肉眼可見的所有一切，都由真核細胞構成，而它們每一個都懷抱著自己的細胞核。

細胞核內含有構成基因的DNA分子，此處的DNA和細菌的DNA在細部的分子結構上是完全一樣的，但它們大尺度的外觀構造卻大相逕庭。細菌的DNA會形成長而扭曲的一圈。曲折的鼴鼠洞最終會頭尾相連，成為一個封閉的環形染色體。真核細胞多半會擁有一定數量的相異染色體，以人類來說，這個數字是二十三，這些染色體多半是線性的而非環狀的——線性的意思并不是說這些染色體被一條條拉長排成一直線，而是表示每條染色體都有兩個端點。在一般狀況下，我們即使用顯微鏡也無法看見這些構造，但在細胞分裂時期，染色體的構造會改變，壓縮為管狀而可被辨識。大多數的真核細胞具有成對的染色體，因而被稱為二倍體，所以人類細胞內其實有四十六條染色體。在細胞分裂時成對的染色體兩兩相配，僅以腰部相連，在顯微鏡下呈星形。這些染色體不是只由DNA構成，還有專門的蛋白質包覆著它，其中最重要的一種名為粗蛋白。這一點和細菌相當不同，細菌的DNA都沒有組蛋白包覆，是裸露的。組蛋白不僅保護真核細胞的染色體不受化學性傷害，也對基因的存取通路進行把關。

當克里克發現了DNA的結構，他隨即明白了基因遺傳是如何運作的，當天晚上就在酒吧里宣布他了解了生命的秘密。在制造蛋白質或是DNA時，都需要DNA本身做為模板。互相纏繞的雙股螺旋彼此是對方的模板，所以當細胞分裂，兩股DNA被拉開時，個別的任一股都具備足夠的訊息，可以重建出完整的雙股DNA，最終產生兩份相同的復本。編寫于DNA上的訊息寫明了蛋白質的分子結構。克里克說，這是生物學的「中心法則」：基因編寫蛋白質的密碼。長長的DNA磁帶是一段貌似永無止盡的序列，只由四種分子「字母」寫成，正如同所有英文單字甚至書籍都僅由二十六個字母排列而成。DNA的字母序列指定了其蛋白質產物的結構。基因體是單一生物體所擁有的全部基因總和，可以包含高達十億個字母。基本上一個基因只編寫一個蛋白質的密碼，而這會用上數千個字母。蛋白質是由一系列名為胺基酸的單位所串起的長鏈，而胺基酸排列的精確順序決定蛋白質的功能特性。基因的字母序列決定其蛋白質產物的胺基酸序列。如果字母的序列出現改變，也就是「突變」了，有可能會造成蛋白質結構的改變。但這并非絕對，因為遺傳密碼有重復和簡并的現象，有時不同的字母排列會指向同一個胺基酸。

蛋白質是生命最瑰麗耀眼的一環。它們的形式和功能幾乎是數不清的，生命的富饒多元，可以說全都來自于蛋白質的豐富多變。蛋白質締造了生命的所有實質成就，從代謝到運動、飛行到視覺、免疫到訊息傳導。它們依其功能大致被歸入幾個不同的分類。其中最重要的一群大概是酶，它們是生物性的催化劑，可以讓生化反應的速度加快好幾個數量級，而且它們區別原料的能力令人驚嘆。有些酶甚至能夠辨別同位素（同一種原子的不同形式）。其他重要的蛋白質分類還包括荷爾蒙和荷爾蒙接受器、免疫蛋白（如抗體）、DNA結合蛋白（如組蛋白）還有結構蛋白（如織維和細胞骨架）。

錄有密碼的DNA沉睡著。大量的訊息深鎖在細胞核的寶庫里，就像珍貴的百科全書會被安全地收存在圖書館中，而不是放在工廠供人隨時翻查。而在日常使用上，細胞仰賴的是由RNA構成的一次性復印本。RNA這種分子和DNA的構成原料相似，但它們被紡成單股的絲線，而非互相纏繞的雙股螺旋。幾種不同的RNA被用來執行不同的任務。首先是傳訊RNA，它的長度和基因大致相同。傳訊RNA像DNA一樣，由一串字母組成，而且它們的序列也正是DNA上的基因序列的復寫本。基因的序列會以略微不同的筆跡轉錄至傳訊RNA上，雖然字體有所改變，但完整的內容都有保留下來。這種RNA是飛翔的信使，從細胞核內的DNA出發，穿過核上有如月球表面般的孔洞，移動到細胞質，停泊在某一座制造蛋白質的工廠。細胞質內有數千個這樣的工廠，它們是核糖體，以分子構造而言它們極其龐大，以肉眼看來則是微乎其微。它們有些點綴在細胞的內膜系統上，使得后者在電子顯微鏡下顯得有點粗糙，另外一些則散見于細胞質內。核糖體的組成分包含蛋白質和另外幾種RNA，任務是將來自傳訊RNA的編碼訊息轉譯成蛋白質的語言，也就是胺基酸的序列。轉錄和轉譯的整個過程都受到許多專門的蛋白質調控，其中最重要的是轉錄因子，負責調節基因的表現。當某個基因被表現了，這個基因就從沉睡的密碼化身為積極的蛋白質，準備在細胞或是其他地方執行它的任務。

基礎細胞生物學補強完畢，現在我們回到粒線體。它們是細胞內的胞器之一，胞器這種微小的器官專司特定的任務，以粒線體來說的話就是制造能量。我之前提過粒線體曾一度是細菌，而且外觀上仍然有點像細菌（圖1）。一般而言它們被描述成香腸狀或是蟲形，但其實它們也可能采取相當扭曲的形狀，例如螺旋形。它們的尺寸多半和細菌差不多大，長度約是一毫米的千分之幾（一至四微米），直徑則約為半微米。構成我們身體的細胞一般具有大量的粒線體，實際數量依個別細胞的代謝需求而有不同。像肝臟、腎臟、肌肉及腦細胞這類代謝旺盛的細胞會有數百甚或數千個粒線體，約占細胞質的百分之四十。卵細胞（或卵母細胞）更不尋常，她本身攜帶有約十萬個粒線體，全都會傳給下一代。相反的，血球細胞和表皮細胞的粒線體則非常少，甚至可能沒有；精子的粒線體通常不到一百個。據說一個成人的體內合計有一萬兆個粒線體，約占我們體重的百分之十。

粒線體以雙層膜將自己和細胞其他的部分區隔開來。其外膜為一連續且平滑的表面，內膜則不客氣地深深凹陷，形成褶疊或是小管狀的構造，稱為皺褶。粒線體并非固著不動，相反的，它們經常活躍地在細胞內移動，哪里需要它，就往哪里去。它們像細菌一樣自行分裂增殖，甚至會相互融合形成龐大的分支網絡。粒線體最初是在光學顯微鏡下被發現的，它們在顯微鏡下呈顆粒、短棒或是細絲狀，不過它們的起源在一開始就頗有爭論。德國學者阿爾特曼是最早發現粒線體重要性的數人之一，他在一八八六年提出了一個論點，指出這些小顆粒正是構成生命的基本粒子，并據此將它們命名為原生粒。阿爾特曼認為「原生粒」是細胞內唯一的活物，它們在此形成小小的社群互助而居，細胞只是提供保護的外墻，就像鐵器朝代的人生活在他們建筑的防御建設之中。細胞的其他構造，如細胞膜和細胞核，是由「原生粒」因應自己的需求而建造出來的，而水狀的細胞質則是這個迷你要塞里的液體糧倉。

阿爾特曼的想法從來沒有被大眾接納，他還成了別人嘲笑的對象。其他人認為，所謂原生粒，不過是顯微樣本的復雜制程中所產生的雜質，被阿爾特曼天馬行空的想像力渲染而成的假象。還有一些其他狀況更加劇了他人對阿爾特曼的質疑。當時的細胞學家們正著迷于細胞分裂時染色體之間的壯盛舞蹈，為了觀察這現象，他們必須使用染劑將透明的細胞構造染色，而最適合觀察染色體的染劑是酸性的。但不幸的是，這樣的染劑往往會破壞粒線體；細胞學家對于細胞核的執著，輕易地抹殺掉了粒線體存在的證據。另外一些染色的結果則互相矛盾，它們只能暫時替粒線體上色，而粒線體自己又會使染劑的顏色消失不見。存在或是不存在？粒線體鬼魅般的身姿使人無法對其做出定論。終于在一八九七年，本達證明了粒線體確實存在于細胞之中，賦予這個飄忽的身影一個血肉之軀。本達為它下了這樣的定義：「分布于細胞質中的顆粒、短棒，或細絲，出現在幾乎所有的細胞中……酸性物質或油脂溶劑會使之破壞。」而他所使用的名稱，粒線體（mitochondria），語源自希臘文的mitos，意指細線，和chondrin，即小顆粒。雖然這是唯一通過了時間的考驗存留至今的名稱，但在當時，「粒線體」只是這個構造眾多稱呼中的其中一個。粒線體擁有過堂堂三十個以上，令人混淆不清的名字（包括chondriosome、chromidium、chondriokonts、eclectosome、histomere、microsome、plastosome、polioplasma和vibrioden）。

粒線體的存在終于被學界承認了，但說到它的作用，當時的人仍然是毫無頭緒。幾乎沒有人和阿爾特曼一樣，將構成生命的基本性質歸功于它；大部分人在尋找的是更清晰確實的定位。有些人認為粒線體是蛋白質和脂質合成的中心，也有人認為基因位在粒線體上。實際上，最后是染劑顏色的神奇消失破解了這個謎團：染劑的顏色消失是因為被粒線體氧化了，此一過程類似于細胞行呼吸作用時食物的氧化。一九一二年，金伯利呼應此一發現提出假設，認為粒線體可能是細胞呼吸作用的中樞。一九四九年甘迺迪和雷寧杰證實了這個說法，他們的實驗結果顯示呼吸作用相關的酶確實位在粒線體內。

雖然阿爾特曼提出的原生粒假說在那時備受惡評，但除了他之外有不少學者也曾認為粒線體是某種和細菌有關系的獨立生命體，以共生生物的身分生存在細胞內。共生生物是共生有關系中的一份子，共生關系，就是兩種共同生存的生物都因對方的存在而獲益。埃及行鳥和尼羅河鱷就是是個經典的例子，埃及行鳥會啄食尼羅河鱷齒縫間的食物渣滓，這對尼羅河鱷來說是牙齒保健，對埃及行鳥而言則是一頓免費的午餐。類似的互利關系也會出現在細胞上，如細菌有時會寄宿在較大型的細胞內成為內共生菌。在二十世紀初時，幾乎所有的胞器都被認為有可能是內共生菌（它們或許因應互利共生的關系而有所更改），被懷疑過的包括細胞核、粒線體、葉綠體（負責植物的光合作用）還有中心粒（組織細胞骨架的胞器）。以上這些理論的立論根據只有胞器的外形和行為模式，像是移動和自主分裂行為，所以理論的發展一直遲滯不前。更大的問題是，這些學者彼此之間惡斗連連，為了爭搶排名而嚴重分化，幾乎無法獲得任何共識。正如科學史研究者塞普在他的著作《合作演化》中所說：「于是展開了一個諷刺的故事：由一群極度利己主義的人來指出演化里互助合作所帶來的創造性。」

爭論愈演愈烈，在一九一八年，法國科學家波提耶發表了他辭藻華麗的杰作《共生體》之后，更是到達最高峰。他大膽地聲稱：「所有的生物體——所有的動物，從阿米巴原蟲到人類，以及所有植物，從隱花植物到雙子葉植物——都是由兩種不同個體互相結盟，嵌套而成的。任何一個活細胞的原生質體，都包含一種特定的組成分子，組織學家稱之為粒線體。這種胞器，以我的觀點來說，無非是一種共生細菌，我將它稱為共生體。」

波提耶的著作在法國引起軒然大波，毀譽參半，在英語世界卻沒有多少人注意。然而，這是第一個不以粒線體和細菌外觀上的相似度做為立論基礎，而是試圖分離粒線體進行培養的研究。波提耶聲稱他完成了這個實驗，培養出了「原始粒線體」——就他的解釋，是尚未完全改變以適應共生狀態的粒線體。他的發現曾被巴斯德研究所的微生物研究小組公開質疑，因為他們無法重復這項實驗，而且遺憾的是，波提耶鞏固了自己在索邦大學的地位后就放棄了這個研究領域。他的研究就這樣默默地被遺忘了。

又過了幾年，在一九二五年時，美國人瓦林也獨立提出了自己的意見，肯定粒線體的細菌本質，并宣稱這親密的共生關系正是驅動新物種誕生的力量。他的主張同樣走向分離培養粒線體，而且他也同樣認為自己的實驗成功了。然而又一次，大家因為實驗無法再現而興致消退。但這次共生的想法并沒有遭受到同樣的惡毒言語而被抹殺，美國的細胞學家威爾遜在他著名的發言里歸納了當時群眾普遍的態度：「毫無疑問，對許多人來說，要在生物學協會上表彰這樣的奇想是很荒誕的；盡管如此，未來的某一天，這些說法也有可能會需要被嚴肅看待。」

威爾遜口中的某一天發生在半個世紀后，那是一九六七年的六月，嬉皮的愛之夏，正適合我們訴說不同物種親密共生的故事，瑪格利斯向《理論生物學期刊》提交了她著名的論文，讓上個世紀那「娛樂性的白日夢」披上科學的衣裳，起死回生。在當時這個立論已經變得比過去有力許多：粒線體內被證實有DNA和RNA存在，一些證明和核基因無關的「細胞質遺傳」性狀案例，也被列入了記載。瑪格利斯當時剛嫁給宇宙學家薩根，而她采用了宏觀的切入角度檢視生命的演化，不僅考慮生物學的部分，還顧及大氣層演變的地質證據，還有細菌和早期真核生物的化石。她在這項任務中提供了微生物解剖學和化學方面的完善洞察力，以及評估共生發生可能性時所需的實際環境要素。即使如此，她的論文還是被駁回了。她那影響深遠的文章曾被十五家不同的期刊摒于門外，直到《理論生物學期刊》眼光遠大的編輯丹涅利終于采納了她的文章。在當刊發行之后，出版社史無前例地在一年內收到了八百次再刷要求，就為了這篇文章。她的著書《真核生物的起源》雖然和學院出版社簽訂了合約，卻還是被退稿了，最后是在一九七○年由耶魯大學出版社公開發行，成為本世紀最具影響力的科學書籍之一。瑪格利斯以極具說服力的方式編整諸多證據，使她一度被視為異端邪說的觀點變成了普遍接受的事實，至少，在葉綠體和粒線體的部分是如此。

然而時光流轉，刺骨的反對言論持續存在著，雖然只有少數人理解，但它們意義重大。如果沒有這些質疑，最終的共識就不會如此牢靠。每個人都同意粒線體和細菌間確實有可以對照的相似之處，但不是每個人都對這其中的涵義有一致的看法。粒線體基因的確具有細菌的特質：它們坐落在單一環形的染色體，而不像核基因位于數條線性的染色體上，而且它們沒有被組蛋白包裹，是「裸露」的。再加上，細菌和粒線體之間，由DNA進行轉錄和轉譯，制造蛋白質的過程也雷同。它們組裝蛋白質的產線也相似，而且在許多細節上也都不同于真核細胞。粒線體甚至擁有自己的蛋白質合成工廠，也就是核糖體，而且外觀就跟細菌的一樣。許多種抗生素藉由阻斷細菌的蛋白質合成發揮功效，而它們也會抑制粒線體的蛋白質合成，卻對真核生物的細胞核基因沒有影響。

相加之下，這些相似之處聽起來讓人似乎可以不做他想了，可是實際上還是有其他可能的解釋，也正是這樣的可能性支撐起漫長的爭論。實質上，粒線體會具有細菌的特性，也可以解釋為粒線體內的演化速度較細胞核來得慢。如果事實如此，那粒線體之所以會比較像細菌，可能只是因為它們演化速度沒有那么快，還來不及追上細胞核的腳步。它們保留著較多古老的性狀，是因為就算有某些性狀不怎么令人滿意，但粒線體基因不會在兩性結合時發生重組，性狀就可以在這個位置被永續保存。我們無法駁斥這個論點，除非我們知道確實的演化速度，而要知道演化速率得要定出粒線體基因的序列并且進行比較才行。一直等到一九八一年，桑格的劍橋團隊對人類粒線體基因進行定序后，世人才知道粒線體基因的演化速度其實比細胞核基因來得更快。它們具有原始特質的唯一可能性，就是因為它們和古老的生物有直接的關聯；最終，這個關聯被證明是指向特定的一類細菌，即α-變形菌。

即使是真知遠見的瑪格利斯還是有出錯的地方，對我們剩下的這些學者而言算是喜事一樁。瑪格利斯也和其他共生說的前輩同聲一氣，她宣稱只要找到合適的生長因子，分離培養出粒線體是遲早的事。然而今天我們已知道這是不可能的。粒線體基因體的詳細定序結果說明了原因：粒線體的基因只編寫了寥寥數個蛋白質訊息（精確地說是十三個），以及制造這些蛋白質所需的遺傳裝置而已。絕大多數的粒線體蛋白質（約有一千五百個）是由擁有約三萬個基因的細胞核所表現的。因此粒線體雖然看起來是獨立的，但也只是看來如此，并非事實。它們必須仰賴兩組基因體（細胞核和粒線體）一事，可以在一些特別的蛋白質身上獲得進一步證實，這些蛋白質由數個次單元結合而成，其中有一些次單元由粒線體基因表現，另一些則來自核基因。正因為它對兩組基因體的依賴性，粒線體只可能在宿主細胞內培養，它們確實該被畫歸為「胞器」，而不是共生生物。盡管如此，「胞器」一詞實在不足以傳達它們非凡的歷史，無法讓人洞察它們在演化上深遠的影響。

還有一點至今仍有許多生物學家和瑪格利斯持不同意見，是關于共生現象背后的演化力量。在瑪格利斯看來，真核細胞是多次共生性吞并后的產物，作為元件的細胞在不同層次上歸入更大的整體。她的理論被稱為「序列性內共生理論」，意指真核細胞透過一系列細胞間的吞并而誕生，形成了細胞住在細胞體內的共同體。除了葉綠體及粒線體之外，瑪格利斯也援引了細胞骨架及組織細胞骨架的中心粒，認為它們源自另一種細菌——螺旋體。實際上，根據瑪格利斯的看法，整個有機世界就是相親相愛的細菌們合作的精巧作品，也就是微縮生態系。這個想法可以追溯到達爾文本人，他曾在他著名的篇章里寫道：「每個生物都是一個微縮生態系——由多如天上繁星，小得難以置信，自行增殖的生命體所構成的小宇宙。」

微縮生態系的概念美麗而富有啟發性，但也讓一些難解之題浮上臺面。合作和競爭并不是二選一的選擇題。由不同細胞合作產生的新細胞和新物種，只是讓競爭向上提高了一個層級，現在競爭發生在更復雜的生物之間，而不在于它們合作的次單元體——更何況有不少次單元體其實為自己保留了大部分的利益，包括粒線體在內。不過，這個包容一切的共生觀最大的問題還是粒線體本身，它正搖著手指，告誡我們不要高估微觀世界的合作力量。所有真核生物似乎都擁有，或擁有過粒線體（只是之后舍棄了），換句話說，擁有粒線體是成為真核狀態的先決條件。

究竟為什么會這樣呢？如果細菌間的合作是如此司空見慣的事情，我們應該會看到五花八門的「真核」細胞，每一種都攜帶著一套不同的共生細菌。確實，我們看到了很多這樣的例子——真核細胞的合作范圍是很大的，特別是那些居住在人跡罕至之處，如泥巴里或海床上，比較低等的微生物族群。然而，我們很驚訝地發現，這些廣布各處的真核生物都有共同的祖先，而且全部都擁有或有過粒線體。而真核細胞與體內的其他微生物都沒有這樣的合作關系。也就是說，真核生物體內的合作關系，是在粒線體存在之后才出現的。如果最初的合并沒有發生，其他任何合并也復函會發生。我們有幾乎十足的把握可以這樣說，因為細菌彼此合作和競爭了將近四十億年，然而真核細胞只誕生過一次。獲得粒線體，是生命史上極為關鍵的一刻。

我們一直不斷發現新的生物棲地和新的親緣關系，它們正是驗證各種想法的絕佳場所，以下是一個實例。千禧年之際的一項驚人發現，是大量微小的真核超微藻類，這些小型浮游生物生活在極端的環境，如南極海的底層，或是酸性、富含鐵質的河流，如西班牙南部的紅酒河（因為它的暗紅色澤而聞名，古腓尼基人還稱它為「火之河」）。一般而言，這類環境會被認為是是刻苦耐勞的「嗜極端性」細菌的地盤，不會預期在這樣的地方找到纖弱的真核生物。真核超微藻類和細菌尺寸相當，又偏好類似的環境，這讓人產生了很大的興趣，認為它們可能是細菌和真核生物之間的過渡產物。但盡管它們個頭小，對極端環境又有不尋常的偏愛，卻完全符合已知的真核生物分類：遺傳分析的結果顯示它們絲毫不會影響原有的分類系統。這真是跌破大家的眼鏡，這座為真核生物議題增添大量新變數的冒泡噴泉，實質上只在一些我們認識多年的類群下，增添了幾個亞群而已。

在這些未知的環境中，我們期待能長到幾組獨一無二的合作關系，但我們沒有。我們反而找到了更多原有的組合。舉青綠藻（Ostreococcus）為例，它是目前已知最小的真核生物，直徑小于一毫米的千分之一，也就是一微米，它甚至比大多數的細菌都還小，卻完美具備了真核生物的特性。它擁有一個內含十四條線性染色體的細胞核，一個葉綠體，以及最引人注目的，幾個微小的粒線體。它并不孤獨，因為那座意外的噴泉里還有許多生活于極端環境的真核變種，包含二十到三十個真核生物亞群，盡管尺寸小，它們似乎全者擁有或擁有過粒線體。

以上這些代表了什么呢？代表粒線體不僅僅是隨便一個尋常的合作對象：它們掌握向復雜生命體演化的關鍵。本書所要敘說的正是粒線體為我們帶來了什么。我省略了許多教科書內會出現的專業面向和附帶的細節，如紫質的合成，甚至于呼吸作用的克式循環。（它原則上可以在細胞內任何其他地方進行，但實際上卻只會在一個合宜的場所出現，就是粒線體）。取而代之的是，我們可以透過本書看到為什么粒線體對生命，對我們的生活，造成了如此巨大的改變。我們將會看見，為什么粒線體是這個世界的地下統治者，是能量、性和死亡的主宰。

2024-07-06 16:32:45