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在時光的長河中，但凡是主流，必產生于異端。

完滿是一種盲端，也就意味著沒有了更多可能。

能承受怎樣的復雜度，才有可能迎接多精彩的未來。

第八節 為何線粒體能實現復雜性

在上一節，我們思考了細菌為何在形態方面始終維持著小而樸實的樣貌。原因主要和細菌所面臨的篩選壓力有關。它們面對的篩選壓力和真核細菌有所不同，因為大部分的細菌都不會吃其他的細菌。所以它們要在數量上獲得成功，主要得靠復制的速度。這又取決于兩個關鍵因素：第一，復制細菌基因體是細菌復制過程中最慢的一步，所以基因體愈大，復制速度就愈慢；第二，細胞分裂需要能量，因此能量效率愈低的細菌復制得愈慢。基因體大的細菌往往會在競爭中輸給擁有小基因體的對手，因為細菌會利用水平基因轉移的方式抽換基因，因而能夠隨時裝配有用的基因，并在失去利用價值后丟掉它們。所以，在基因方面負擔較輕的細菌復制較快，比較有競爭力。

如果兩個細胞擁有的基因數量一樣，產能系統的效率也相同，那么復制較快的就會是兩者之中體型較小的那個。這是因為細菌要靠細胞外側的膜來生成能量，也要靠它吸收食物。當細菌的尺寸變大，它們表面積擴大的程度追不上內部體積的增加，它們的能量效率便會因而降低。大型細菌的能量效率較低，往往競爭不過小型的細菌。大尺寸細菌的能量劣勢，妨礙了它們行吞噬作用的可能性，因為如果要實際「吞」下獵物，同時需要有較大的體型，以及足以改變細胞形狀的充沛能量。因此我們在細菌身上看不到真核式的掠食行為（捕捉并吞吃獵物）。真核生物能擺脫這個困境，似乎是因為它們的產能工作在體內進行，這使它們相對不受表面積所束縛，就算體型變大幾千倍也不會喪失能量效率。

就憑這個理由讓細菌和真核生物走上分歧之路，聽起來有點單薄。有些細菌擁有頗為復雜的內膜系統，應該能掙脫表面積的限制才對，但它們在體型和復雜度上仍無法企及真核生物的高度。為什么呢？這一節我們將深入探討某個可能的解答：線粒體或許需要基因來控制大面積內膜上的呼吸作用。所有已知的線粒體都保留了一小群自己的基因。被留下的基因組合是特定的，線粒體之所以能將它們保留下來，是因為線粒體與宿主共生的特性。細菌就沒有這項優勢，它們傾向于舍棄多余的基因，因此無法持續配備著控制能量生成的整組核心基因，而此一事實使得它們始終無法發育出真核生物般的大尺寸和復雜性。

為了了解線粒體基因為何重要，以及細菌為何無法獲得正確的基因組合，我們必須更深入探究二十億年前，那兩個參與原始真核聯盟的細胞間的親密關系。我們會重拾第一章暫時擱下的故事。當初我們是停在嵌合細胞獲得了線粒體，但還沒有發展出細胞核的時候。根據定義，真核細胞是擁有「真正的」細胞核的細胞，因此我們其實還不能將我們的嵌合怪物稱為真核生物。所以，現在讓我們來想想，是什么樣的篩選壓力將我們那奇異的嵌合細胞，轉變成像樣的真核細胞。這些壓力不只握有真核細胞起源的鑰匙，也是復雜性起源的關鍵，因為它們說明了細菌為什么始終是細菌——它們為什么永遠無法單靠天擇的力量演化成復雜的真核細胞，而必須求助于共生關系。

請回想一下第一章，氫假說的關鍵在于基因從共生菌身上轉移至宿主手中。這沒有用上什么演化的新發明，只需要這兩種親密合作的細胞身上原有的配備。我們可以肯定基因確實會從線粒體轉移到細胞核內，因為今天的線粒體身上幾乎沒剩什么基因，而且許多核內基因毫無疑問就是源自于線粒體，這可以從其他物種的線粒體上獲得證實，因為不同物種的線粒體喪失的基因不同，同樣的基因在其他物種的線粒體里可能還看得到。所有物種的線粒體都失去了絕大多數的基因，數量或許高達數千個。這其中到底有多少基因被送進核里，又有多少只是單純地消失了，實際的數字還有待專家商榷，不過，看來有數百個基因很有可能是被送進細胞核內的。

對于不了解DNA的「黏性」及彈性的人來說，線粒體的基因突然岀現在細胞核中，簡直像是在變戲法，就像從帽子里抓出兔子一樣。它們到底是怎么辦到的？實際上，這種基因跳動的情形在細菌間相當常見。先前我們提過，水平基因轉移是很普遍的，細菌從環境中取得基因是一種常態。雖然我們一般認為「環境」指的是細胞外的地方，不過從細胞內取得多余的基因甚至更加容易。

且讓我們先假設，最初的線粒體是可以在宿主細胞內進行復制的。時至今日，我們的一個細胞內就有數十至數百個線粒體，即使經過了二十億年，它們已經適應生活在其他細胞的體內，但線粒體的分裂大致上還是獨立進行的。不難想像最初的時候，宿主細胞體內可能會有兩個或兩個以上線粒體。現在請設想，因為某些原因，例如無法取得足夠的食物，其中一個線粒體死了。當它死亡時，它的基因便被釋放到宿主的細胞質內。其中部分基因會很干脆地就此喪失，但少數會透過一般的基因轉移被并入細胞核內。理論上每當有線粒體死亡，這樣的過程都會重復一遍，每一次都有可能會多轉移一小部分的基因至宿主細胞中。

這樣的基因轉移聽起來或許有點不可靠，或是流于空談，但其實并不會。澳洲阿德萊德大學的狄米斯及他的同事，在他們二〇〇三年發表于《自然》的論文中，證明了這個作用在演化過程中進行得多么快速，而且從不停歇。這些學者研究的主題是葉綠體（植物細胞中負責光合作用的胞器）而非線粒體，不過葉綠體和線粒體在很多方面都很相似：兩者都是半自主性的產能胞器，都一度是自由生活的細菌，而且兩者都還保有自己的基因體，只是大小逐漸在萎縮。狄米斯他們發現，每一萬六千顆煙草種子，就會有一顆發生葉綠體基因的轉移。這個數據聽起來或許不怎么令人印象深刻，不過一株煙草每年會產生高達一百萬顆種子，總計就有六十顆種子會有至少一個葉綠體基因轉移至細胞核中——這只是單單一棵植物，繁衍一代產生的結果。

類似的轉移同樣發生在線粒體身上。許多物種身上都有證據可證明這樣的基因轉移確實會在自然界發生，證據就是，它們的葉綠體和線粒體基因在核基因體中有基因重復的現象——換句話說，同樣的基因既出現在葉綠體或線粒體中，也同時出現在核里。人類基因體計劃便顯示，人類身上至少發生過三百五十四次獨立的轉移，線粒體DNA轉移到了核內。這些DNA序列被稱為核內線粒體序列（nuclear-mitochondrial sequence，簡稱numt）。它們一點一滴地描繪出完整的線粒體基因體：有些片段會重復出現，有些則不會。以靈長類和其他哺乳類來說，核內線粒體序列的轉移在過去這五千八百萬年中經常發生，只要我們繼續探究，估計還能回推到更早以前。線粒體中DNA的演化速度比細胞核快，因此核內線粒體序列上的字母排列就像時光膠囊，讓我們能稍微感受一下線粒體DNA在遙遠的過去可能會是什么樣子。不過，這些外來的DNA可能造成嚴重的混淆，它們一度被誤認為是恐龍的DNA、害得犯下這個錯誤的研究團隊個個面上無光。

時至今日基因轉移都還在持續發生中，偶爾也會引起人們的注意。例如在二〇〇三年，透納（后來他任職于華盛頓的里德陸軍醫療中心）和他的合作伙伴證實，線粒體DNA自發性地轉移到核中，是造成一位不幸的患者罹患罕見遺傳疾病——帕霍癥候群的原因。在諸多遺傳疾病之中，我們還不知道其中有多少是由基因轉移所造成的。

基因的轉移主要是單向進行的。我們再回頭來看第一個嵌合真核生物。如果宿主細胞死亡，它的寄生菌，也就是原始線粒體，就會被釋放到環境中，重獲自由的寄生菌可能會死亡也可能不會，但不論它們的命運為何，這項嵌合共存的實驗肯定是砸了。而另一方面，要是宿主細胞內有一個線粒體死亡，但第二個線粒體活了下來，那這嵌合怪物整體而言還是能夠順利運作。要讓線粒體恢復到原本的數目，活下來的線粒體只需要分裂就好。每當有線粒體死亡，釋放到宿主細胞的基因，就有機會透過正常的基因重組并入宿主的染色體。這表示，這套系統有遺傳上的防逆轉裝置，讓基因只能從線粒體轉移到宿主細胞，反向運轉則是行不通的。

細胞核的起源

轉移到核的基因會發生什么事呢？我們在第一和第二部見過的馬丁認為，這番程序或許可以解釋真核生物細胞核的由來。為了解其中的來龍去脈，我們得回憶一下前幾章討論過的兩個論點。第一，請回想馬丁的氫假說，他主張真核細胞是由一只古細菌和一只細菌的結合制造出來的。第二，請回想第六節說過，古細菌和細菌細胞膜上的脂質不同。細節我們不必深究，不過請想想看，在第一只嵌合真核生物身上我們會預期看到哪一種細胞膜。宿主細胞身為古細菌，應該擁有古細菌型的膜。線粒體是細菌出身，應該會擁有細菌型的膜。而今天我們實際看到的情況又是如何呢？真核生物的細胞膜在性質上一律都是細菌型的——不管是脂質的結構，還是膜蛋白的諸多細節（如組成呼吸鏈的蛋白質，以及核膜上發現的類似蛋白質）。真核生物不管是細胞膜、線粒體膜、其他的內膜結構，還是雙層核膜，全都走細菌風格。事實上，完全沒有任何線索顯示真核生物原本擁有古細菌型的膜，盡管它的其他特征讓我們幾乎能完全肯定，原始宿主細胞確實是只古細菌。

我們預期會看到差異，卻發現根本上的一貫性，如此的結果引發部分學者對氫假說的質疑，不過馬丁將這顯著的異常視為助力。他提出了一個想法，認為用來制造細菌型脂質的基因，連同許多其他的基因一起被轉移到了宿主細胞。據推測，如果轉移后基因還能運作，那它們就會繼續執行它們的正常任務，比方說制造脂質；而它們沒有理由不能像過去一樣正常運作。但和過去不同的是，宿主細胞可能無法將蛋白質產物送到指定的位置（蛋白質的定向輸送得仰賴特殊的「地址」序列，不同物種間互不相通）。因此宿主細胞或許成功制造了細菌產物，卻不知道該拿它們怎么辦；尤其是不知道該把它們送到哪里。當然，脂質是不溶于水的，因此若沒有被定向到既有的膜上，它們就會凝聚形成脂質囊泡，也就是呈空心球狀，內部包著水的微滴。這樣的微滴就像肥皂泡泡一樣，很容易彼此融合，延展成為液泡、管狀泡，或扁平的囊泡。在第一個真核生物身上，這些囊泡可能就在它們生成之處（也就是染色體周圍）聯結了起來，形成松松垮垮的膜構造。今日的核膜正是這樣的構造——不是像線粒體或葉綠體那樣連續的雙層膜，而是由一系列扁平的囊泡組成，這些囊泡還延伸至細胞內其他的膜系。尤有更甚的是，現代的真核細胞分裂時，核膜會解散，好讓屬于個別子細胞的染色體能分開；而新的核膜會在子細胞染色體的周圍形成，它們集結的方式讓人聯想到馬丁的假說，而且依舊會延伸到細胞內其他的膜系。因此，在馬丁的腳本里，基因轉移解釋了核膜以及真核細胞所有其他膜系的形成原因。這需要的只是某種程度的迷路，或說地圖閱讀障礙而已。

還有一個步驟尚待完成：我們必須拼裝出一個從內到外都由細菌型膜組成的細胞，換句話說，我們得把細胞膜上的古細菌脂質用細菌型脂質給替換掉。這是怎么進行的？可以想見，要是細菌型脂質能提供任何優勢，比方說膜的流動性，或對不同環境的適應性，那么只表現細菌型脂質的細胞便占了這個優勢。如果這樣的優勢確實存在，那就可以確保古細菌的脂質一定會被天擇替換掉。這幾乎沒有用到任何遺傳上的「新發明」，只是擺弄現有的材料而已。然而，還是可能會有一些真核生物斬草不除根。這是個有趣的問題：是否仍有原始的真核細胞膜上還保留著殘余的古細菌脂質？有件事實可以支持這個假設。大致上，所有的真核生物，包括真菌、植物，以及像我們這樣的動物，都仍擁有整套的基因，可以用來制造古細菌細胞膜的基本含碳建材，異戊二烯。然而我們不再利用它們構筑細胞膜，而是用它們來建立一支由類異戊二烯組成的軍隊。類異戊二烯，又稱做萜類或是萜烯，所有由異戊二烯單元相連形成的構造都包括在內，是天然產物中已知最大的家族，合計共有超過兩萬三千種構造名列其中。包括有類固醇、維生素、荷爾蒙、香氣、色素，還有一些聚合物。許多類異戊二烯擁有強大的生物功效，而被用于藥物研發；例如抗癌藥劑紫杉醇這種植物代謝物，便是一種類異戊二烯。因此我們并未失去制造古細菌脂質的設備；我們所做的，只是豐富了這套機制。

如果馬丁的理論正確，那他已成功地借一連串簡單的步驟得到了完整的真核細胞：它擁有被不連續的雙層膜包裹起來的細胞核；有內膜構造；有像線粒體這樣的胞器。這個細胞失去細胞壁也沒關系（當然表面的細胞膜是不能丟失的），因為它不再需要細胞周質幫助它生成能量。它發源自甲烷菌，因此它的基因有組蛋白包裹著，而且轉錄基因以及建構蛋白質的系統基本上也是真核型的。然而另一方面，這個假想的真核細胞始祖可能沒辦法靠吞噬作用將食物整團吞入——雖然它擁有細胞骨架（可能承襲自古細菌或細菌），卻還未獲得像移動型的原生動物（如變形蟲）那樣機動性的細胞骨架。比較可能的情形是，最早的真核生物會像單細胞真菌那般，分泌各種消化酶到周邊環境里，將食物在體外分解。一些近期的研究支持這個結論，但在這里我們將不會深入討論，因為其中還有太多不明確之處。

線粒體為何要保留基因

誠如以上所述，基因從線粒體轉移到宿主細胞已經足以解釋真核細胞的發端，不需用上任何演化新發明（有不同功能的新的基因）。不過基因轉移的輕松容易，反而勾起了另一個可疑的問題：為什么還會有基因留在線粒體內呢？為什么不全都轉移到細胞核里呢？

在線粒體內保留基因有很多壞處。首先，每個細胞內有數百套，甚至數千套線粒體基因體（每個線粒體通常會有五到十套）。線粒體DNA之所以在犯罪鑒識以及古遺體鑒定方面如此重要，原因之一就是這龐大的套數——它們的數量豐富到令人困擾，若想分離出至少一點線粒體基因通常都沒有問題。然而基于同樣的道理，細胞每次分裂時都必須復制大量看似多余的基因。不只這樣，每個線粒體還都必須保留自己的遺傳設備，用來轉錄自己的基因，組裝自己的蛋白質。以細菌講求經濟的標準來看（就像我們先前看過的，用不上的基因就盡快丟掉），留著這些冗贅的基因小隊似乎是一大筆虛擲的開銷。而且，我們在第六章將會看到，若不同基因體在一個細胞內彼此競爭，可能會造成毀滅性的后果——天擇可能會使線粒體不考慮長遠的代價，只顧博得眼前的某個基因，而陷入與彼此或是與宿主細胞間的斗爭。第三，將基因這種脆弱的信息系統，儲存在緊鄰線粒體呼吸鏈，極易被外泄的破壞性自由基波及之處，等于是把珍貴的藏書收存在木制的簡陋小屋，里頭還住著一個登記有案的縱火狂。線粒體基因有多容易受破壞？這反映在它們的演化速度上——以哺乳類為例，它們比核基因快上約二十倍。

所以，保留線粒體基因是要付出極大代價的。我再重復問一次：如果基因轉移很輕松容易，那到底為什么還會有線粒體基因留在線粒體？首要并且也是最淺顯的原因是，問題不在于基因；線粒體需要的是這些基因的產物，也就是蛋白質，在它們體內執行功能。這些蛋白質大多和細胞呼吸作用有關，也因此對細胞的生命非常重要。如果這些基因被運送到核內，還是得找方法把它們的蛋白質產物送回線粒體，如果沒有成功送達，細胞很有可能會死亡。話雖如此，但還是有許多在細胞核表現的蛋白質會返抵線粒體。它們被「標記」了一小段胺基酸鏈——等同于一張地址標簽，指向最終的目的地，就像幾頁前我們討論脂質時所說過的一樣。線粒體膜表面的蛋白質復合體可以辨識這個地址標簽，就像海關一樣，控制膜內外的進出口情形。好幾百種屬于線粒體的蛋白質都以這種方式標記運送。這個系統很單純，但正因如此又引發了一個問題——為什么不能讓所有預計在線粒體作用的蛋白質，都用這種方式標記呢？

教科書上的答案是，它們可以，只是部署這一切要花很長的時間，即使以廣袤的演化時間來看依舊很長。必須先順利通過好些隨機事件，蛋白質才可能被成功送回線粒體。首先，基因必須好好地并入細胞核，也就是整段基因（而不是只有片段）都被轉移到細胞核內，然后融入細胞核DNA。合并之后，要能作用：這基因必須被啟動，被轉錄，制造蛋白質。這可能會很困難，因為基因大體上是隨機插入細胞核DNA的，如此可能會使原有的基因，或是主管基因活性的調控性序列被破壞。其次，蛋白質必須獲得正確的地址標記，這也是一項隨機事件；如果沒有得到正確的標記，蛋白質就不會被送回線粒體，而是在細胞質被制造出來后就留在原地，像是進不了特洛伊的落魄木馬。取得正確的地址標記需要時間，而且是極為漫長的時間。因此，理論學家認為，所剩無幾的線粒體基因只不過是日漸萎縮的殘跡。假以時日，或許數億年之后，線粒體內將會一個基因也不剩。而不同物種的線粒體剩下的基因數目不同，頁是坐實了此一過程的緩慢及隨機特質。

光靠核是不夠的

不過這個答案不是很有說服力。所有物種都失去了幾乎全部的線粒體基因，但沒有一個物種失去了全部的基因。它們剩下的基因全都不超過一百個，二十億年前左右則大概有數千個，因此對所有物種而言這段旅程都已是進入了尾聲。基因流失在不同物種身上平行發生，它們互不相干，各自丟棄自己的線粒體基因。以基因流失的比例來看，目前所有物種都已失去了百分之九十五到百分之九十九點九的線粒體基因。如果機運是唯一的主導因素，我們應該會預期，時至今日，至少會有幾個物種已走完全程，將所有線粒體基因都轉移到核基因體內。然而沒有一個物種做到這點。所有已知的線粒體都還留著至少一些基因。更重要的是，不同物種中分離出的線粒體，毫無例外地保留了相同的核心小組基因。它們個別丟棄了大部分的基因，實質上卻都留下了同樣的一小撮，這再次暗示了這項機制的運作不該歸于機運。有趣的是，和線粒體地位相近的葉綠體身上也有類似的情形：沒有任何葉綠體失去了所有的基因，而且同樣的，出現在它們身上的基因總是會包含相同的核心小組。相形之下，其他和線粒體相關的胞器，如氫化酶體和線粒體殘跡，則是一律喪失了所有的基因。

所有線粒體都有保留基因的現象，學界提出過幾個原因試圖予以解釋，但大部分都不是非常有說服力。舉例來說，有個一度頗受歡迎的想法是說，有些蛋白質無法被標記送入線粒體，因為它們太大，或是疏水性太強了。然而事實上，大部分具有這些特質的蛋白質，也都成功地在某些物種身上，靠著標記的方式或是遺傳工程，送達了線粒體。顯然，要將蛋白質打包并配送至線粒體，它們的物理性質不會構成無法跨越的障礙。還有一種看法是，線粒體的遺傳系統包含某些不符合通用基因密碼的例外，因此線粒體基因和核基因就不是絕對等效的。如果這些基因被搬到核內，并根據標準基因密碼解讀出來，制造出的蛋白質便會和線粒體遺傳系統不盡相同，或許會無法產生正確的功效。不過這也不是完整的答案，因為很多物種的線粒體基因是符合通用基因密碼的，在這些案例里它們不應會有差別，這些線粒體也就沒有理由不能被轉移到細胞核——但它們卻還是頑固地留在線粒體。同樣的，葉綠體的基因所使用的密碼無異于通用基因密碼，但它們也像線粒體一樣，永遠在手邊保留著一組基因的核心小隊。

我心目中的正確答案，盡管早在一九九三年就由艾倫（其后任職于瑞典的隆德大學）提出，但最近才開始在演化生物學家之間獲得認可。艾倫主張，有很多很好的理由支持線粒體基因該全部搬進核里，「技術面」上也沒有明顯的障礙迫使它們留下來。因此它們會留下來，一定是基于某種非常有力的正面因素。它們留在那里并非出于巧合，而是因為天擇傾向保留它們，盡管這樣缺點很多。兩相權衡之下，利多于弊（至少就留下的這一小部分而言是如此）。但既然它的缺點如此重大而明顯，那我們怎么會沒有看到它的優勢？它們應該要比缺點來得更有分量啊？

據艾倫所言，原因正是在于線粒體存在的理由：呼吸。呼吸作用的速度對變動的環境相當敏感——不管我們是醒著，睡著，正在做有氧運動，或是無所事事，在寫書，還是在追球。面對這些突如其來的變化，線粒體需要在分子層級上調整自己的活性——這些需求太重要，而變動又太突然，不適合由遠在細胞核、官僚的基因聯邦政府進行遙控。這般需求驟變的狀況不只發生在動物身上，也會發生在植物、真菌或微生物，它們甚至更容易受分子層級的環境變化（像是氧濃度的改變，還有冷或是熱）所影響。為了有效地回應這樣的驟變，艾倫主張，線粒體需要保留一支基因前哨部隊在現場，因為在線粒體膜上進行的氧化還原反應，必須靠基因在當場進行嚴密調控。請注意這里我指的是基因本身，而不是它們所表現的蛋白質；待會我們將深入探討這些基因為何重要。但在我們繼續之前，請先注意，需要反應快速的駐地基因單位一事，不只說明了線粒體為何必須保留一小組基因，我相信除此之外，它也解釋了細菌為何無法單靠天擇的力量，演化成更復雜的真核細胞。

平衡問題

且讓我們再次回想呼吸作用是怎么進行的。電子和質子被從食物上拆下來，并和氧氣作用，以提供我們賴以維生的能量。整個反應被拆成一連串的小步驟，每個步驟只會釋放出一點能量。這些步驟環環相扣構成了呼吸鏈，而電子從中流過，就像流過一段微小的電線。某幾處釋放出的能量被用來泵送質子穿過膜，將它們困在膜的一側，就像水庫的水被困在水壩的一側。當質子從質子水庫通過水壩上的特別通道（ATP酶馬達中的傳動軸）回流，便會推動ATP，也就是細胞能量「貨幣」的生成。

我們先很快地來思考一下呼吸作用的速度。每一件事都像齒輪一樣緊密相扣，所以一個齒輪的速度就控制著其余所有齒輪的速度。那么，是什么控制著這些齒輪的整體速度？答案是需求，讓我們來把細節徹底弄清楚。如果電子快速地通過呼吸鏈，那么質子泵送的速度就會很快（因為泵送質子要靠電子流），并將質子水庫「裝滿」。而質子含量豐沛的水庫能提供較高的壓力，在質子通過專門的ATP酶傳動軸回流時，能快速制造ATP。現在想想看，如果細胞對ATP沒有需求時會發生什么事。在第四節，我們曾看到ATP是由ADP和磷酸根所構成，而當它為了供應能量而被分解，就會再次變回ADP和磷酸根。當需求很低時，細胞不會消耗ATP。呼吸作用便會將所有的ADP和磷酸根都轉換成ATP，結果就是原料用盡了，ATP酶必須停機。假如ATP酶的馬達沒有運轉，那么質子就不能再通過傳動軸。質子水庫接近滿溢邊緣。于是質子不能再逆著高壓進入水庫。而不泵送質子，電子便無法通過呼吸鏈。換句話說，如果需求低迷，一切都會卡住，呼吸作用的速度變得極度緩慢，直到新的需求再次轉動所有的齒輪。所以呼吸作用的速度最終取決于需求。

不過只有當齒輪全都上了油，一切順利運轉時才是如此。其他還有別的原因會拖慢呼吸作用，它們無關乎需求，問題在于供應。我們曾提到其中的一個例子：ADP和磷酸根的供應。一般狀況下，這些原料的濃度反映ATP的消耗情形，不過也有可能純粹就是短缺了。此外還有氧氣和葡萄糖的供應。如果附近沒有足夠的氧氣（比方說如果我們窒息了），電子傳遞就一定會慢下來，因為沒有東西能在終點移除電子。電子被逼得在呼吸鏈上回堵，其他的程序也就會慢下來，就跟缺乏ADP的時候一樣。那么葡萄糖呢？缺乏葡萄糖時（就像我們挨餓的時候）則是進入呼吸鏈的電子及質子數量會受限，電子的傳遞因此被迫減速，也就是說每秒通過呼吸鏈的電子流量會降低。

因此在理想狀況下，呼吸作用整體的速度應該能反映需求，也就是ATP的消耗情形，但在條件艱困，比方說挨餓或窒息，或是代謝物短缺的狀況下，呼吸作用的速率就會受制于供應狀況，而非反映需求。然而不管是哪一種狀況，呼吸作用的整體速度都會反映在電子通過呼吸鏈的流速上。如果電子流得快，葡萄糖和氧氣也消耗得快，而根據定義，這就表示呼吸作用也進行得很快。好了，雖然小小岔題了一下，不過現在我們終于可以回歸正題。造成呼吸作用速度下降還有第三個原因，無關乎供應或需求，而是和配線的質量有關：和呼吸鏈本身的組成元件有關。

電子傳遞鏈的組成元件有兩種可能的狀態：它們可能被氧化（不持有電子）或是被還原（持有電子）。顯然，它們不可能同時既被氧化又被還原——它們不是有電子，就是沒電子。如果一個電子載體拾已經攜帶了一個電子，那么在它將原本的電子傳遞給下一個載體之前，都不能接收另一個電子。在它交出這個電子之前，呼吸作用會處于暫停狀態。相反的，如果一個載體不持有電子，就無法傳遞任何東西給下一個載體，直到它從上一個載體手中接收到電子為止。在它收到電子之前，呼吸作用會處于暫停狀態。因此呼吸作用的整體速度取決于氧化和還原之間的動態平衡。一個線粒體上有數千個呼吸鏈。當這些鏈中百分之五十的載體處于氧化狀態（準備好從前一個載體處接收電子），百分之五十是還原狀態（準備好將電子交給下一個載體）的時候，呼吸作用的進行是最快速的。如果將呼吸作用的速率以數學方式描繪下來，呈現的圖形將會符合常態分布的鐘形曲線。在鐘形曲線的頂端呼吸作用速度最快，在其兩側，特定狀態的載體偏多偏少的時候，速度則急遽下降。鐘形曲線的頂端，呼吸作用速度最快的最佳平衡點，被稱為「氧還均衡點」。偏離了氧還均衡點，能量生成的速度就會變慢，而如此低落的效率，如我們所知，在細菌身上是絕對會被淘汰的。

然而偏離氧還均衡點的懲罰不只是效率低落而已，其代價可謂十分慘重。呼吸鏈中的所有電子載體，潛在活性都很強——它們「想要」將電子交給鄰居（它們的化學性質傾向如此）。如果呼吸作用正常進行，個別載體最有可能將手上的電子交給呼吸鏈中的下一個載體，每一個載體「想要」電子的程度，都比前一個載體略勝一籌；不過下一個載體如果已經持有電子，那呼吸鏈就被塞住了。于是現在使便產生了一個嚴重的風險，高活性的載體會改將它攜帶的電子交棒到其他人手上。最有希望的候選人便是氧氣本身，這樣便很容易形成有害的自由基，如超氧化物自由基。我曾在《氧：建構世界的分子》一書中討論過自由基造成的傷害；而在這里，我想表達的重點是，自由基會無差別地攻擊所有生物性分子。呼吸鏈所形成的自由基以深刻而意想不到的方式牽動著生命，包括溫血動物的演化，細胞的自殺以及老化，在接下來的章節里我們將會看到相關內容。然而現在，我們先注意一件事：如果呼吸鏈塞住了，自由基就更容易漏出來，就像排水管塞住時，水就更容易會從裂隙噴出來。

因此，有兩個很好的理由可以解釋為什么要維持氧還均衡：保持呼吸作用盡可能快速進行，以及控制活性自由基的滲漏。然而維持平衡不只是保持進出呼吸鏈的電子量相當，還得考慮呼吸鏈載體的相對數量，因為載體就如同生物體內的一切，持續地在更新著，所以這項因素是會波動的。

讓我們思考一下。如果呼吸鏈中的載體不夠，會發生什么事？缺乏電子載體意味著電子流經呼吸鏈的速度會變慢，就像救火人龍中，傳水桶的人數太少時，水要很慢才會到達起火處。水移動的速度這么慢，和缺水沒有兩樣，就算水庫是滿的，房子還是會被燒光光。相反的，如果呼吸鏈中段的載體過多，它們累積電子的速度會比電子可以傳下去的速度還快。以救火人龍來比喻的話，水桶一開始傳得很快，最后卻沒有那么快——全都積聚在中段而變得漫無章法。兩種狀況下呼吸作用都會被拖慢，不是因為原料部分有什么問題，而是因為呼吸鏈中電子載體的數目不平衡。如果呼吸鏈中任何一個載體的濃度沒有和呼吸作用的需求取得平衡，呼吸作用就會變慢，自由基也會泄漏而造成危害。

線粒體為何需要基因

現在我們正試圖看清為何線粒體（還有葉綠體）必須在身上保留一小組基因。讓我們以呼吸鏈最末端的電子載體，也就是我們在第四章見過的細胞色素氧化酶為例，來研究一下這檔事。想像一個細胞，里頭有一百個線粒體。其中有一個線粒體的細胞色素氧化酶不足。于是這個線粒體的呼吸作用慢了下來，電子在呼吸鏈中大塞車，并且就地逃脫呼吸鏈形成自由基。這個線粒體效率低落，而且正面臨自毀的危險。為了改正這個情形，它需要制造更多的細胞色素氧化酶，于是它向基因發送了一條訊息：請制造更多的細胞色素氧化酶！這條訊息要如何生效呢？自由基本身很有可能就是訊號：自由基的突然爆發，可以透過某些只有被自由基氧化才會啟動的轉錄因子（具有所謂的「氧化還原敏感性」），改變基因的活性。換句話說，如果細胞色素氧化酶不夠，電子堵在呼吸鏈并且滲漏出來形成自由基，細胞會將突然出現的自由基，解讀成細胞色素氧化酶不足的訊息。而它會回應這條訊息，多制造一些出來。

想像一下，如果基因在細胞核里會是什么樣的情形。訊息成功傳達，而細胞核下達指令，制造更多細胞色素氧化酶。它借由標準的地址標記，指揮新鑄成的蛋白質前往線粒體——然而這個標記無法區分不同的線粒體。對細胞核來說，「線粒體」是一個概念，細胞內所有的線粒體都共享同一個地址（而且也很難有別的方法，因為線粒體的族群恒常在進行著汰換）。所以新出廠的細胞色素氧化酶便會被分配到全部的一百個線粒體身上。匱乏的那個線粒體獲得的不夠；而其他的線粒體則是收到太多，而它們立刻回傳訊息給細胞核說：不要再制造細胞色素氧化酶了！這樣顯然是行不通的。線粒體勢必會失去對呼吸作用的掌控，產生太多自由基。無法掌控呼吸作用的細胞一定會被淘汰掉。最起碼，這會限制細胞在有益的范圍內可維持的線粒體數量——而這正是關鍵。

現在想想反過來會發生什么事。請設想細胞色素氧化酶的基因保留在線粒體中。當請制造更多的細胞色素氧化酶！的訊息出現時，它只會傳達給位在現場的基因小隊。現場的這些基因便制造出更多細胞色素氧化酶，可以立刻并入呼吸鏈當中，修正電子流上的不平衡，恢復氧還均衡的狀態。當停！不要再制造細胞色素氧化酶了！的訊息回傳時，同樣只會到達當地的基因小隊，并且只會作用于特定那一個線粒體。這般快速的局部反應可以發生在細胞內的任何一個線粒體內，而且原則上，它同一時間可以對同個細胞的不同線粒體給予不同的處理。細胞對呼吸作用的整體速度得以維持掌控，所以，雖然要保留如此大量的基因前哨部隊所費不貲，細胞仍能從中得益。將基因搬到細胞核內不是個好選擇。

專業的生化學家或是觀察敏銳的讀者或許會反對這個觀點。我在第二章曾提到，呼吸作用復合體是由許多次單元所組成，復合體I就包含高達四十五個不同的蛋白質。線粒體基因會表現其中一部分的次單元，但絕大部分是由核基因所表現的。這表示呼吸作用復合體的組成是混雜的，由兩個不同的基因體共同表現。那么，占少數的線粒體基因怎么能把持一切？所有建設的決定一定都需要細胞核的參與，不是嗎？不盡然。呼吸復合體似乎是環繞著少數幾個核心次單元而組合起來的：這些核心蛋白一旦嵌進膜上，就扮演了指示燈和鷹架的角色，引導其他次單元圍繞著它們組裝起來。所以要是線粒體基因表現了這些關鍵的次單元，它們就能控制新復合體的建造數量。由線粒體做出建設決定，并在膜上插上旗子，而細胞核元件圍繞著旗子組裝起來。有鑒于細胞核一口氣伺候數百個線粒體，那么在任何時間，細胞內所有旗子的總數應該都相當一致。核基因不用改變整體轉錄速度來彌補個別線粒體的波動，但它的效果等同于一口氣掌握細胞內所有線粒體的呼吸速率。

如果這是事實，那么艾倫的理論便對哪些基因會留在線粒體內做出了明確的預測。它們應該多半會表現呼吸鏈中核心的電子運輸蛋白，也就是那些像旗子一樣插在膜上，說著「這里！」的蛋白質，例如細胞色素氧化酶。而這的確就是真相。已知和線粒體地位相近的葉綠體，也有同樣的情形。當然，其他的基因也有可能被保留下來（可能是湊巧，或有其他原因），但是所有物種的線粒體和葉綠體所保留的基因，永遠會表現關鍵的電子運輸蛋白，此外就是必需的設備（如轉送RNA），以便可以在線粒體內實地制造蛋白質。當基因流失到達極致，唯一（而且毫無例外）會留下來的就是呼吸作用的核心基因。舉例來說，瘧疾的病原體瘧原蟲，它的線粒體只留下三個會表現蛋白質的基因（所以，它必須在每個線粒體中隨時維持著制造這些蛋白質所需的復雜設備）。這三個基因表現的全都是細胞色素，也就是呼吸鏈核心的電子傳遞蛋白——完全命中預測。

呼吸鏈的簡化圖，顯示出次單元間的編排情形。每個復合體是由許多次單元所組成的，以復合體I來說是四十六個。有些次單元是由線粒體基因表現，有些則是由核基因表現。根據艾倫的假設，為了局部性地控制呼吸作用的速率，線粒體基因的存在是必要的，而這套方法若要生效，線粒體的基因應該要負責表現那些會插在膜上的核心次單元。如圖所示，這點大致上是正確的：由線粒體基因表現的次單元（灰色部分）嵌入了膜的中心部分，而由核基因所表現的基因（黑色部分）結合在它們的周圍。這里沒有畫出復合體II。它并不泵送質子，而且沒有由線粒體基因所表現的次單元。

從這個理論又可推導出另一個預測，而大致上似乎也是正確的。這個預測是，任何不需要傳導電子的胞器，它們的基因體都會消失。出現在某些無氧真核生物身上的氫化酶體便是很好的例子。據悉氫化酶體和線粒體有所關聯，而且它們無疑是由細菌演變而來的。它的功能是行使發酵作用并產生氫氣。它們不傳導電子，也不需要維持氧還均衡。因此根據艾倫的理論，它們就不需要基因體——而確實，幾乎所有氫化酶體的基因體都消失了。

復雜性：細菌無法跨越的高墻

如果線粒體需要核心基因來控制呼吸作用的速率，這是否能解釋細菌為何無法靠天擇演化成真核生物？我相信是的，雖然我必須強調這是我個人的推測。細菌和線粒體的大小差不多，因此對于這個大小的產能膜來說，一套基因顯然足以控制其呼吸作用。對于那些演化出大面積內膜系統的細菌（如亞硝化單胞菌和亞硝化球菌）想必也是一樣。它們單靠一組基因順利辦到了這件事，因此這應該也是足夠的。不過讓我們把細菌放大，把它的內膜表面積擴大兩倍看看。現在，某些部分的膜或許便會脫離掌控范圍。如果你認為不會，那我們再把它放大兩倍，然后再兩倍。以亞硝化單胞菌來說，它的內膜要經過六次或七次這樣倍增的過程，才能和真核細胞相提并論。我不認為現在我們還能讓呼吸作用的速率維持控制。我們要怎樣才能拿回控制權？

有個方法是復制一小組基因，委派它們控制額外的膜——但我們要怎么選出正確的基因？我能想到的所有方法都需要一些先見之明（事前知道該選哪些基因），而演化沒有先見之明。唯一能使這種委任產生效果的方法，是復制整套基因體，再從其中的一套將冗贅的基因逐步削除，直到沒有任何多余的基因留下（就像線粒體那樣）。但我們怎么知道該從哪一套基因體剔除基因？它們雙方一定都能夠有效地調控基因的運作。然而同時，我們手上的這只細菌擁有兩套活躍的基因體，兩套都面臨著沉重的篩選壓力，迫使它們丟掉多余的基因。這兩套基因體應該都會失去一些基因，但如此一來它們就成了相異的兩套基因體，彼此競爭；這有可能會造成細胞的損傷，而且一定無法使細胞安穩通過與其他細胞間的汰選戰爭。

如果能將個別基因體的影響范圍區分開來，可能有機會阻止它們彼此之間的這種競爭。真核細胞解決地盤問題的方式，是將線粒體基因體用雙層膜封起來。然而這對細菌來說是不可能的，如果把備用的那套基因封起來，它就沒有辦法得到食物來源，也沒辦法送出ATP。說得清楚一點，細菌沒有ATP輸出蛋白——將能量以ATP的形式送到外面的世界和對手分享？這樣的特質對細菌來講無疑是自殺行為。ATP輸出蛋白，還有它所屬的線粒體運輸蛋白家族，總共有一百五十個成員，都是真核細胞的發明。我們之所以知道這點，是因為植物、動物和真菌的ATP輸出蛋白，其基因序列明顯都有關聯，但細菌卻沒有類似的基因。這暗示ATP輸出蛋白是在真核生物的最后共同祖先身上演化出來的，時間點是在這些主要分類群走向分歧之前，但比嵌合型原始真核細胞的形成時間要來得晚。

真核細胞之所以有時間演化出這般精細的構造，是因為在演化的時間長河上，形成嵌合體的雙方關系穩定。這兩個搭檔和諧共處，而且不需要借助其他外力——它們有充分的時間和穩定性讓演化得以進行。能有這樣穩定性，是因為它們的合作關系有很多其他的好處。如果氫假說講得沒錯，一開始的好處便是這兩個極端不同的細胞在化學方面對彼此的依賴，而這樣的依賴關系持續得夠久，足以讓ATP輸出蛋白演化出來。然而，細菌單靠天擇，演化時不會有相應的穩定性。復制一組基因然后用膜封起來，這件事本身沒辦法提供任何好處，支持細菌走過演化的過渡時期。還不只這樣，無償維持額外的基因和膜還會耗能，因此一定很快就會被天擇淘汰。不管怎么看，控制大面積的膜所需要的額外基因，對細菌來說都是負擔，篩選壓力總是傾向將之舍棄。最安穩的狀態永遠是利用外膜呼吸的小細胞。

所以現在，我們終于看清了那座阻擋細菌發展大體型和復雜性的高墻。細菌盡可能快速地復制，它們至少有部分受限于ATP生成的速度。它們借由泵送質子通過表層細胞膜來生成ATP。它們長不大，因為隨著它們的體型變大，能量效率就會變低。這項事實本身便讓它們與真核生物那般的掠食生活絕緣，因為吞噬作用同時需要體型大和能量充足兩個條件，而利用表層細胞膜呼吸就排除了這樣的可能。有些細菌發展出復雜的內膜系統。然而，這些內膜系統的表面積和一個真核細胞內的線粒體膜相比，還小了好幾個數量級，因為細菌沒有基因的特勤小隊可以控制大面積膜上的呼吸作用。而強大的篩選壓力限制著細菌的繁殖速度和產能效率，因此在建立此類特勤小組基因的途中，它們就會在過渡階段被淘汰掉。只有內共生這樣的機制夠穩定，可以提供長期的條件，讓調控大面積呼吸的機制發展出來。

而在浩瀚無垠的宇宙中，別的地方的故事是否會有不同的情節呢？萬事皆有可能，但在我看來這機會微乎其微。天擇是概率的問題：不管在宇宙的任何角落，相似的篩選壓力最有可能產生相似的結果。這解釋了為什么天擇常常殊途同歸地找到同樣的解決之道，比方說不同物種的眼睛和翅膀。盡管有長達四十億年的演化時間，我們也沒有看到任何細菌單靠天擇演化成真核生物，除此之外，也找不到任何線粒體失去了所有基因但還保有線粒體功能的例子。我也不覺得這樣的事件在其他地方的發生機率會比較高。

真核風格的嵌合體又是怎么回事呢？從第一章中我們得知，真核細胞在這里，也就是地球上，只出現過這么一次，在一連串似乎不可能發生的狀況之下演化誕生。或許類似的連續情節會在別處重現，但我認為，物理法則中并沒有什么部分暗示復雜生物體的誕生是必然的。物理會受到歷史的干擾。我們充其量可以說，多細胞復雜性一度看似不可能發生；而沒有生物復雜性的基礎，智能更是不可想像。但有一天，那個至今還困住細菌的套索被解開了。第一個大型復雜細胞，也就是第一只真核生物的誕生，標識了這條道路的起點，并且幾乎是勢不可擋地通向今天我們身邊所見，諸般壯盛的生物工程奇觀——包括我們自己。線粒體對這條道路的重要性不亞于真核細胞的起源本身，因為線粒體的存在使得大體型和高度復雜性的演化不只是有機會，而是勢在必行。

2024-07-06 16:37:00