线粒体——世界的幕后统治者
线粒体是细胞内微小的细胞器，以ATP的形式生产我们几乎所有的能量。平均每个细胞里有300-400个线粒体，整个人体里有1亿亿个。本质上所有的复杂细胞里都有线粒体。线粒体看上去像细菌，这外观并非伪装：它们从前是自由生活的细菌，后来大约在20亿年前适应了寄生在大细胞里的生活。它们还保留了基因组的一个碎片，作为曾经独立存在的印记。它们与宿主细胞之间纠结的关系织成了生命所有的经纬，从能量、性和繁殖，到细胞自杀、衰老和死亡。

上图：一个线粒体——细胞中许许多多微小的发电厂之一，这些发电厂以令人惊奇的方式控制着我们的生命
线粒体是一个欲盖弥彰的秘密。许多人都出于各式各样的原因听说过它。报纸和一些教科书简单地把它描述成生命的“发电厂”——活细胞里微 小的发电机，生产我们赖以生存的几乎全部能量。一个细胞内部有几百或几千个线粒体，它们利用氧来燃烧食物。线粒体是如此微小，以至于一粒沙里可以轻易地容纳10亿个。线粒体的进化给生命装上了涡轮发动机，蓄势待发，随时可以启动。所有动物体内都有线粒体，包括最懒惰的在内。连不能移动的植物和藻类也要利用线粒体，在光合作用中放大太阳能那无声的轰鸣。
有些人更熟悉“线粒体夏娃”这个词，按照推测，她是所有当代人最晚近的共同祖先——如果我们沿母系血统追踪遗传特征，从女儿到母亲再到外祖母，直至上溯到远古的迷雾中。线粒体夏娃是所有母亲的母亲，她被认为大约生活在17万年前的非洲，又称“非洲夏娃”。我们之所以能通过这样的方式追踪遗传上的祖先，是因为所有线粒体都保有小小的一份自己的基因，这些基因仅通过卵子传递给下一代，不通过精子传递。这意味着，线粒体基因起着母系姓氏的作用，使我们可以沿母系血统追溯祖先，就像有些家族努力沿父系血统把家世追溯到征服者威廉、诺亚乃至穆罕默德。近来，这其中的某些观念受到挑战，但大体上的理论仍然成立。当然，这项技术不仅可以使我们知道谁是我们的祖先，也可帮助澄清谁不是我们的祖先。根据线粒体分析，尼安德特人并未与现代智人杂交，而是在欧洲的边缘被排挤到灭绝。

线粒体还因为它们在法医学上的运用而成为新闻热点。通过线粒体分析可以确定人或尸体的真实身份，有几个著名的案子运用了这一点。末代沙皇尼古拉二世的身份，就是通过将其线粒体与亲属的进行比较而得到确认。第一次世界大战末期，一个17岁女孩从柏林的一条河里被救起，她自称是沙皇失踪的女儿安娜斯塔西娅，随后她被送往一家精神病院接受治疗。经过70年的纷争，她的说法终于在她于1984年去世后被线粒体分析否认。更近一些的事例是，世贸中心劫后那些无法辨认的遇难者遗骸是由线粒体基因识别的。将“正版”萨达姆·侯赛因与他的众多替身之一区分开来，也是靠这种技术。线粒体基因之所以如此有用，部分是因为它们大量存在。每个线粒体含有5至10份基因副本，一个细胞里通常有数以百计的线粒体，也就有成千上万份同样的基因，而细胞核（细胞的控制中心）里的基因只有2份副本存在。因此，完全无法提取任何线粒体基因的情况是很少见的。一旦线粒体基因被提取出现，基于我们与母亲和母系亲属拥有相同线粒体基因的事实，通常就可以确认或否定设想中的亲属关系。
有一个理论叫做“衰老的线粒体理论”，说的是衰老和许多与此有关的疾病是由在正常细胞呼吸中从线粒体里泄漏出来的活跃分子——自由基导 致的。线粒体并不能完全“防火花”，它们在利用氧燃烧食物时，自由基的火花会逃逸出来，损害邻近的结构，包括线粒体基因本身，以及远处的细胞核基因。我们 细胞里的基因每天要受到1万至10万次自由 基攻击，实际上每秒就有一次。大部分这类损伤很快就会得到修复，不会造成别的麻烦，但偶尔有些攻击会导致无法逆转的变异——基因序列发生持久的改变——这 些变异会在一生中累积起来。受破坏更严重的细胞会死亡，稳定的细胞损耗是衰老和退行性疾病的基础。许多令人痛苦的遗传疾病也与自由基攻击线粒体基因产生的 变异有关。这些疾病通常有着奇异的遗传模式，其严重性在各世代中会有所不同，但总的来说它们都会随着衰老而趋于恶化。线粒体疾病通常影响新陈代谢活跃的组 织如肌肉和脑，导致癫痫、部分运动失调、失明、耳聋和肌肉退化。

还有一些人熟悉线粒体是因为它是一种具有争议的不育症治疗手段。从健康女性供体的卵子（卵母细胞）中提取线粒体，移植到患不育症的女性 的卵子中，这种技术称为“卵胞质移植”。它在媒体上首次露面是在一家英国报纸上，报道的标题用彩色字写道“二母一父的婴儿诞生“。这篇典型的媒体产品并非 完全错误——细胞核里的所有基因来自”真正的“母亲，而部分线粒体基因来自”供体“母亲，所以这些婴儿确实从两个不同的母亲那里遗传了一部分基因。尽管这项技术诞育了30多名显然很健康的婴儿，但它后来在英国和美国都被宣布为非法。
线粒体甚至在电影《星球大战》中登场，冒充对著名的、愿它与你同在的原力的科学解释，这让一些星战影迷非常恼火。在前期的电影中，原力即使不算宗教也是唯灵的，但在后来的一部电影中被解释成“迷地原虫”(midichlorians)的 产物。一位乐于助人的绝地武士说，迷地原虫是“栖居在所有活细胞里的微小生命形式，我们和它们是共生体，为共同的利益生活在一起。没有迷地原虫，生命就不 可能存在，我们也无从了解原力。”迷地原虫在名字和行为上与线粒体的相似之处令人无法错认，这是设定者有意为之。线粒体的祖先是细菌，它们作为共生体（与 其它生物存在互利关系的生物）生活在我们的细胞里。与迷地原虫一样，线粒体也有许多神秘的特征，甚至可以形成有许多分枝的网络，能够相互通信。Lynn Margulis在20世纪70年代使这个一度存在争议的理论变得非常出名，到现在，线粒体的细菌起源已经成为被生物学家所接受的事实。

线粒体的另一个秘密领域与两性的区别有关，事实上它是两性存在的必要条件。性是一个著名的谜：有性生殖需要父母双方来产生一个后代，无性生殖或孤雌生殖则只需要母亲一方，父亲的存在不仅多余，而且是对空间和资源的浪费。更糟糕的是，两性的存在意味着我们只能在人口的一半中寻找配偶，至少在我们把性当作生殖手段时是这样。不管是不是为了生殖，如果所有的人都是同性，或者性别多到近乎无限，情况会好得多：两性是所有可能的局面中最糟糕的一种。这个谜题的答案之一与线粒体有关，该理论于20世纪70年代晚期出现，现在已被科学界广泛接受，也许公众对其了解相对较少。该理论认为，我们必须有两种性别，是因为一种性别必须专门负责通过卵子把线粒体传递下去，而另一种性别必须专门地通过精子不把线粒体传递下去。本书第6部分将详细阐述这一点。

所有这些研究领域使线粒体重新取得了它在20世纪50年代的鼎盛时期过后再也不曾拥有的重要地位，当年人们首次证实线粒体是细胞的动力来源，生产我们所需的几乎所有能量。顶尖学术杂志《科学》在1999年 充分认识到这一点，把一期封面和相当大的篇幅给了线粒体，标题为“线粒体又回来了”。这种忽视有两个主要原因。其一是生物能量学——研究线粒体中能量产生 过程的科学——被认为是一个艰难而且模糊的领域，有一句曾在各种学术报告厅的窃窃私语中流传的保证对此作了漂亮的总结：“别担心，谁都听不懂线粒体学家们(mithchondriacs)在说什么。”第二个原因与20世纪下半叶分子遗传学的起源有关。就像著名的线粒体学家Immo Scheffler说的那样：“分子生物学家们忽视线粒体的原因，可能是他们没有立即认识到线粒体基因这一发现的深远意义及应用前景。需要很长时间来积累一个范围足够大、内容足够多的数据库，解决与人类学、生物起源、疾病、进化及其他问题有关的诸多挑战。”
我在前面说了，线粒体是一个欲盖弥彰的秘密。尽管近来享有盛名，但它仍然是个谜。许多深奥的进化问题人们几乎没有提出过，更不用说经常在学术杂志上讨论。围绕着线粒体发展起来的不同领域往往实质上局限在自己的圈子里。例如，线粒体产生能量的机制——将离子泵过膜，称为渗透作用——在所有形式的生命中都存在，包括最原始的细菌，这是非常奇怪的。用一位评论者的话来说，“自达尔文以来，生物学还没有提过出像爱因斯坦、海森堡和薛定谔的理论那样违反直觉的看法。”但这个理论被证明是正确的，并使Peter Mitchell在1978年获得诺贝尔奖。但人们很少提出这样一个问题：为什么这样一种特定的能量产生方式成为如此多种不同生命的核心？我们将会看到，这个问题的答案将解释生命起源本身。

还有一个非常有意思的问题很少被提及，那就是线粒体基因的持久存在。学术论文将我们的家谱追溯到线粒体夏娃，甚至利用线粒体基因重建出不同物种之间的关系，但很少问及线粒体基因到底为什么存在，仅仅假定它们是细菌起源的遗迹。也许是这样。问题在于，线粒体基因可以很容易地完整转移到细胞核中。不同的物将不同的基因转移进细胞核，但所有包含线粒体的物种都保留了完全相同的线粒体基因核心部分。这些基因有什么特别之处？我们将看到，这个问题的最佳答案将帮助解释为什么细菌从未获得真核生物那样的复杂性。它解释了为什么生命有可能在宇宙其他地方陷入细菌的窠臼：为什么我们也许并不唯一，但几乎注定孤独。
生物学上的线粒体夏娃指现代人类的母系最近共同祖先，她可能生活在20万年前的东非。

我对一些最技术化的术语给出了简单定义，放在词汇表里作为参考。但在继续写下去之前，向没有生物学背景的读者稍微讲解一下细胞生物学， 或许是有价值的。活细胞是一个小宇宙，是能够独立存在的最简单生命形式，因而是生物学的基本单位。有些生物如阿米巴或真正的细菌就是单个细胞，称为单细胞 生物。其他生物由许多细胞构成，人体内的细胞数以万亿计：我们是多细胞生物。对细胞的研究称为细胞学(cytology)，其词源是希腊语里的cyto，意为细胞（原意为中空的容器）。许多术语包含词根cyto-，例如细胞色素（cytochrome，细胞里的有色蛋白质）和细胞质（cytoplasm，细胞里的生物物质，不包括细胞核）；还有的术语包含词根cyte，例如红血球（erythrocyte，红色的血细胞）。

弗朗西斯·克里克发现DNA结构时，马上就明白了基因遗传的原理，当天晚上他在酒吧里宣布，他懂得了生命的秘密。DNA起到模板作用，既是它本身的模板，也是蛋白质的模板。双螺旋那两条相互缠绕的长链彼此互为模板，因此它们在细胞分裂时分开之后，每一条链都能提供重建完整双螺旋的信息，产生两个相同的副本。DNA中编码的信息拼写出蛋白质的分子结构。克里克说，这是所有生物学的“中心法则”：基因编码蛋白质。DNA那长长的纸带看上去是由仅仅4个分子“字母”构成的没有尽头的序列，就像我们所有的单词和书籍都是由仅仅26个字母构成的序列。在DNA里，字母序列规定了蛋白质结构。基因组(genome)是 一个生物所拥有的基因的完整图书馆，包含数以十亿的字母。一个基因实际上就是一种蛋白质的代码，通常包含数以千计的字母。每种蛋白质都是由叫做氨基酸的基本单位形成的链，氨基酸的具体顺序决定了蛋白质的功能特性。一种基因里的字母序列代表一种蛋白质里的氨基酸序列。如果字母序列改变——发生“变异”，就有 可能改变蛋白质结构（但并不总是这样，代码里有一些冗余部分，说得专业一点就是有简并性，可以用字母的几种不同组合编码同一个氨基酸）。

蛋白质是生命的至高荣耀。它们的形式和功能几乎无穷无尽，生命的丰富多彩几乎完全来自于蛋白质的丰富多彩。蛋白质使所有生理机能得以实 现，从新陈代谢到运动，从飞行到视力，从免疫力到信号传导。根据功能不同，蛋白质可以分为几个大类。酶或许是其中最重要的一类，它们是生物催化剂，在不同 程度上加快生物化学反应的速度，并对原料具有惊人的选择性。有些酶甚至能够区别同一种原子的不同形式（同位素）。其他重要的蛋白质类别还有激素及其受体， 免疫蛋白质如抗体，与DNA结合的蛋白质如组织蛋白，结构蛋白质如细胞骨架纤维。

DNA代码是懒散的，它们是一大堆信息，以不同寻常的方式安置在细胞核里，就像珍贵的百科全书安全地收藏在图书馆中，而不是放在工厂里任人查阅。细胞在日常使用中所依赖的是可销毁的复印件。复印件由RNA构成，这是一种基本构成单位与DNA相似、但只有一条单链而没有双螺旋双链的分子。
RNA分为几种，承担不同的工作。
第一种是信使RNA，它的长度与单个基因大致相同。与DNA一样，RNA也由一串字母构成，其序列是DNA中基因序列的精确复制品。基因序列转录成写法稍有不同的信使RNA，从一种字体转换成另一种字体，不损失任何内容。这种RNA是长翅膀的信使，经由那些穿过细胞核月球般的表面的孔洞，从细胞核里的DNA转移到核外的细胞质里，停靠在一个蛋白质生产工厂——核糖体上，细胞质里有成千上万座这样的工厂。从细胞结构上来说，核糖体非常巨大；但从观察的角度来说，它们极其微小。核糖体嵌在细胞的部分内膜上——这使它们在电子显微镜下呈现出模糊的影像，散布在细胞质中。它们由一些其它类型的RNA混合物以及蛋白质构成，其工作是将信使RNA里编码的信息翻译成蛋白质的语言——氨基酸序列。转录和翻译的整个过程是由许多种专门蛋白质控制和调节的，其中最重要的称为转录因子，它们调节着基因的表达。当一个基因表达时，它从毫无生气的代码变成活跃的蛋白质，在细胞里或者别的地方有事要做。

了解了这些基本的细胞生物学知识之后，现在让我们转向线粒体。它是一种细胞器，细胞里承担着特定职责的众多微小器官之一，职责是生产能量。我在前面说过，线粒体从前是细菌，现在看上去还是有点像细菌（图1）。它们可以扭曲成许多种形状，包括红酒开瓶器的样子，对其外形的典型比喻是香肠或蠕虫。它们的大小通常与细菌相当，长度为千分之几毫米（1到4微米），直径约半微米。构成我们身体的细胞一般都包含大量线粒体，具体数目视特定细胞的新陈代谢需求而定。新陈代谢活跃的细胞，例如肝、肾、肌肉和脑部的细胞，包含几百甚至几千个线粒体，占到细胞质的40%。卵子（或称卵母细胞）是一个例外：它要把约10万个线粒体传递给下一代。与之相反，血细胞和皮肤细胞里的线粒体就很少甚至没有，精子里所含的线粒体通常不到100个。总而言之，据称一个成年人体内有1亿亿个线粒体，占体重的10%。

线粒体由两层膜与细胞的其余部分隔开，外层是光滑而连续的，内层则缠绕成极为复杂的叠层或细管，称为嵴(cristae)。线粒体并非静止不动，它们在细胞里频繁游荡，经常大批前往需要它们的地方。它们可以像细菌一样分裂成明显独立的两个，甚至可以融合形成分枝复杂的网络。线粒体最早是通过光学显微器发现的，呈现为细胞内部的微小颗粒、杆状物或丝状物，它们的起源从一开始就有争议。德国人Richard Altmann是最早认识到线粒体重要性的人之一，他认为这些微小颗粒是构成生命的基本粒子，因此在1886年将其命名为bioblasts。Altmann认为，bioblasts是细胞唯一的活性组成部分，细胞就是一个由bioblasts组成的强化群体，后者为互相保护而生活在一起，就像铁器时代的人聚居在要塞里。细胞膜和细胞核等其他构造是由bioblasts群体为了自身利益而建造的，胞质溶胶（细胞质的液体部分）则无非是这座微型要塞里的营养储藏。
Altmann的观点从来不曾流行过。有人嘲笑他，也有人说bioblasts是 他臆想出来的东西——仅仅是他那复杂的显微制备过程产生的人工杂质。在细胞学家们被细胞分裂过程中庄严的染色体舞蹈迷住时，这种争论进一步加剧了。为了看 到染色体舞蹈，人们必须利用染色剂给细胞的透明结构染上颜色。碰巧，给染色体进行染色的最佳材料是酸性的，不幸的是这些染色剂会溶解线粒体。细胞学家们对 细胞核的痴迷，直接导致他们毁灭了证据。其他染色剂的效果自相矛盾，它们只能短暂地给线粒体染色，因为线粒体本身会使染色剂褪色。这种幽灵般出现而又消失 的特性，无益于帮助人们确信线粒体的存在。最终，Carl Benda在1897年证实，线粒体确实存在于细胞中。他将它们描述为“几乎所有细胞的细胞质里的颗粒状、杆状或丝状物……酸或脂肪溶剂会使其分解”。他所提出的命名“线粒体”(mitochondria，念作“my-toe-con-dree-uh”)源自希腊语的mitos（意为“线”）和chondrin（意为“小颗粒”）。这在当时只是诸多命名中的一个，不过只有他这一个流传至今。线粒体有过超过30个十分生僻的名字，包括chondriosomes, chromidia, chondriokonts, eclectosomes, histomeres, microsomes, plastosomes, polioplasma和vibrioden。

尽管线粒体的实际存在终于被承认，其功能仍不为人知。很少有人像Altmann那样认为它们是生命的基本构件，而是为它们寻找一种较有局限性的角色。有些人认为线粒体是蛋白质或脂肪的合成中心，还有人认为它们是基因的居所。事实上，正是线粒体染色剂的神秘消失最终揭示了其中的秘密：染色剂之所以变成无色，是因为它们被线粒体氧化——这是一种与细胞呼吸过程中食物氧化相似的过程。为此， B.F.Kingbury在1912年提出，线粒体可能是细胞的呼吸中心。直到1949年，Eugene Kennedy和Albert Lehninger证明呼吸酶的确位于线粒体中，他的设想才得到证实。
虽然Altmann关于bioblast的理念声名扫地，仍有不少其他研究者认为，线粒体是与细菌有关的独立实体，是为了共同利益居住在细胞中的共生物。共生物是共生的伙伴，而共生是一种双方都因伙伴的存在而得到某种好处的关系。典型的例子是埃及燕鸻，它们给尼罗鳄剔牙，帮鳄鱼清洁牙齿，同时毫不费力地填饱自己的肚子。类似的关系在细菌之类的细胞间也存在，有些细菌作为内共生物居住在较大的细胞里。20世纪初叶，人们认为几乎所有的细胞构件都有可能是内共生物，它们也许在共生过程中经过了改造，这些构件包括细胞核、线粒体、叶绿体（在植物中负责光合作用）和中心粒（组织细胞骨架的细胞器）。这些理论都建立在（细胞构件的）外观和行为上，诸如运动和明显的自主分裂，因而永远只是设想。而且，这些理论的倡导者往往自己分出派别争夺优先权，几乎从不能达成一致。正如科学史学家Jan Sapp在其杰作《群体进化》中所说，“这讲述了一个具有讽刺意味的故事：许多风云人物指出进化演变中的群体具备创造性的力量，他们自己却有着极为强烈的个人主义。”
1918年之后，随着法国科学家Paul Portier出版了他那文采飞扬的巨著《共生物》，局面发展到紧要关头。他的主张除了大胆无以形容：“所有的生物，从变形虫到人类的所有动物，从隐花植物到双子叶植物的所有植物，都由一种联合体组成，是两种不同事物的套装。所有活细胞的原生质构成中都包含组织学家们称为线粒体的东西。对我来说，这些细胞器不是别的，正是共生的细菌，我称之为共生物。”
Portier的研究在法国获得高度赞扬，也招来严厉批评，不过在英语世界基本上被忽略。不过，这是头一次有人不着眼于细菌与线粒体在形态上的相似， 而试图把线粒体当作一种细胞培养物来培育。Portier声称他做到了这一点，至少是培育出了“原线粒体”，据他说这种东西还没有完全适应在细胞里的生活。他的发现遭到巴斯德研究所一组细菌学家的公开反对，这些人未能成功重复他的成果。令人遗憾的是，Portier在巴黎大学坐稳了他的职位后，就放弃了这个领域，他的研究默默地被遗忘了。

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===================已译的只有这些，序言还剩余一小部分，有空续译==================
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