真核細(xì)胞起源的內(nèi)共生學(xué)說及其疑問

張學(xué)澄 ，王潤英＊，施時迪

（1.中國人民大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100080；2.臺州學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 臺州 318000）

1 內(nèi)共生學(xué)說及其發(fā)展

1970年，美國生物學(xué)家林恩·馬古利斯（Lynn Margulis）通過對許多古微生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生物化學(xué)和細(xì)胞學(xué)資料綜合分析研究之后，在《真核細(xì)胞的起源》（Origin of eukaryotic cells）一書中提出真核細(xì)胞起源的觀點(diǎn)。她認(rèn)為，大約在十幾億年前，某個原始海洋中具有吞噬能力的大型原始真核細(xì)胞，在其生命活動過程中吞噬了某小型需氧呼吸的原核細(xì)胞（原線粒體），由于某些原因未將其消化分解，原核細(xì)胞便生活在原始真核細(xì)胞內(nèi)與其共生，最終進(jìn)化為原始真核細(xì)胞的細(xì)胞器，在此之后，這種大型原始真核生物還吞噬了藍(lán)細(xì)胞和螺旋體，經(jīng)過漫長的發(fā)展，這三種原核細(xì)胞成為現(xiàn)在真核細(xì)胞中的線粒體、葉綠體與真核細(xì)胞的鞭毛（螺旋體轉(zhuǎn)化成鞭毛缺少相應(yīng)證據(jù)）。這種共生關(guān)系，對于共生體和宿主來說是互惠互利的，因?yàn)楣采w可以從宿主處得到更多營養(yǎng)，而宿主則可利用共生體所具有的呼吸作用或光合作用更好地適應(yīng)環(huán)境。［1］這個理論提出以后，獲得了許多證據(jù)的支持，發(fā)展成現(xiàn)在的內(nèi)共生學(xué)說，也逐漸成為當(dāng)下最主流的真核細(xì)胞起源學(xué)說。

其實(shí)，早在20世紀(jì)初，俄羅斯生物學(xué)家康斯坦丁（Konstantin Mereschkowski）就曾提出，真核細(xì)胞中的某些部分是原本獨(dú)立生存的，后來它們進(jìn)入其他細(xì)胞并成為寄居的微生物。他認(rèn)為這正是細(xì)胞核的起源。［2］1922年美國解剖學(xué)家伊萬·沃林（Ivan Wallin）認(rèn)為新物種，包括新的組織、器官、生物乃至物種的起源，都建立在長期或永久的共生基礎(chǔ)上。［3］但這些觀點(diǎn)并沒有引起重視。直到1967年，林恩·馬古利斯在論文《有絲分裂細(xì)胞的起源》中提出，線粒體和葉綠體曾經(jīng)都是獨(dú)立生存的細(xì)菌，后來相繼被另一種古老的微生物吞噬。她認(rèn)為這正是這些細(xì)胞器仍擁有自己基因組的原因。［4］在此基礎(chǔ)上，1970年她出版前述專著詳細(xì)闡述真核細(xì)胞起源內(nèi)共生理論。這種理論剛一提出就遭到學(xué)界的強(qiáng)烈抨擊。但她很快找到了許多生物學(xué)研究證據(jù)支持并使該學(xué)說普及開來。1981年她在 《細(xì)胞進(jìn)化中的共生》（Symbiosis in Cell Evolution）中進(jìn)一步提出，真核細(xì)胞起源于相互作用的個體組成的群落，也包括內(nèi)共生的螺旋體形成了真核生物的鞭毛和纖毛。［5］

其后幾十年，關(guān)于真核細(xì)胞起源方式內(nèi)共生學(xué)說的支持者分成兩大派。其一延續(xù)了林恩?馬古利斯所堅(jiān)持的觀點(diǎn)——原核細(xì)胞是吞噬了藍(lán)細(xì)胞和原線粒體，漸進(jìn)式地發(fā)展出了線粒體葉綠體，從而進(jìn)化為真核細(xì)胞的。另一派則認(rèn)為，真核細(xì)胞是由兩種原核生物通過在特殊環(huán)境下的突然融合而爆發(fā)式地產(chǎn)生的。而目前的主流內(nèi)共生學(xué)說，主要指第一種起源方式。

同時，有關(guān)真核細(xì)胞起源的重要問題——線粒體的起源問題還有另一種學(xué)說即分化假說，認(rèn)為線粒體的誕生是由原核細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)陷再逐步分化而來的。這個假說缺少足夠證據(jù)而不被廣泛接受，而內(nèi)共生學(xué)說由于其具有相對充足的證據(jù)（現(xiàn)在自然界中依然存在類似內(nèi)共生的次內(nèi)共生現(xiàn)象，如裸藻與褐藻的形成［6］）且邏輯相對縝密而為當(dāng)今生物學(xué)界大多數(shù)學(xué)者認(rèn)可。

2 內(nèi)共生學(xué)說的一些疑問

縱使經(jīng)過40多年的發(fā)展，我們?nèi)阅馨l(fā)現(xiàn)內(nèi)共生學(xué)說無法解釋的一些問題。

2.1 原始真核細(xì)胞的體積問題

根據(jù)內(nèi)共生學(xué)說與從現(xiàn)在真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)中推理出的一些證據(jù)，如果原始真核細(xì)胞真的存

在，當(dāng)時它們應(yīng)當(dāng)是一類大體積的厭氧單細(xì)胞生物，這樣方能完成吞噬其它單核細(xì)胞的“光榮使命”。而一個常識是，細(xì)胞的體積與其相對表面積成反比，同時有氧呼吸的產(chǎn)能效率是厭氧呼吸的15—16倍。那么能進(jìn)行有氧呼吸的原線粒體的生存能力應(yīng)當(dāng)比進(jìn)行厭氧呼吸的原始真核細(xì)胞更強(qiáng)。然而在內(nèi)共生學(xué)說中大型原始真核細(xì)胞吞噬了原線粒體。這種原始真核細(xì)胞與外界物質(zhì)交換的能力（相對表面積）和呼吸產(chǎn)能效率都比原線粒體低，那么在種間的競爭中是怎樣幸存甚至吞噬對方的？

2.2 原始真核細(xì)胞與原線粒體的生態(tài)隔離

過氧化物酶在有氧呼吸生物吸收氧氣氧化有機(jī)物的過程中使其不受過氧化物侵害，而過氧化物酶的存在與否也決定了細(xì)胞是否能在有氧氣的環(huán)境下生存。氧氣也成為了阻礙厭氧呼吸的單細(xì)胞生物擴(kuò)大其生態(tài)價的巨大屏障。厭氧生物不能到達(dá)有一定氧濃度的區(qū)域，而有氧呼吸的細(xì)胞又傾向于處于氧濃度更高的區(qū)域。由此原始真核細(xì)胞在空間上便與原線粒體隔絕開來了。兩者的生態(tài)價不重合，似乎難有吞噬作用的機(jī)會。

同時作為產(chǎn)氧細(xì)胞的藍(lán)藻，也似乎不太可能被原始真核細(xì)胞所吞噬。藍(lán)藻光合作用產(chǎn)生的大量氧氣，對無氧呼吸的原始真核細(xì)胞來說是一種毒害。

2.3 真核細(xì)胞內(nèi)葉綠體和線粒體的基因結(jié)構(gòu)與原核生物有差異

雖然都是環(huán)形的DNA分子，但真核細(xì)胞內(nèi)的葉綠體與線粒體DNA仍與原核生物中的有極大的不同。其中最重要的區(qū)別便是內(nèi)含子的存在。在今日真核細(xì)胞基因表達(dá)的過程中，還需對DNA轉(zhuǎn)錄出的前體MRNA進(jìn)行剪切與修飾，剪除其中內(nèi)含子的部分，而這也是真核生物與原核生物的重大區(qū)別之一。如果從內(nèi)共生學(xué)說角度思量，葉綠體與線粒體的基因內(nèi)同樣具有內(nèi)含子似乎是說不通的。因?yàn)樗鼈冏鳛橥庠醇?xì)胞，基因的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)更傾向于與原核生物一致，而非與真核細(xì)胞基因一樣具有極高比例的內(nèi)含子。另一個重要的問題，就是葉綠體與線粒體的基因并不完整，而所缺的一部分基因現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)是在細(xì)胞核中。這也便是為什么線粒體與葉綠體只是半自主的細(xì)胞器——它們有許多的生命活動受到細(xì)胞核的限制甚至是依賴于核的調(diào)控。那么，為什么外源細(xì)胞的基因會一部分安然處在細(xì)胞核內(nèi)“遠(yuǎn)程調(diào)控”著葉綠體與線粒體？需要作出有力的解釋。

2.4 核的發(fā)生問題

真核細(xì)胞中含有雙層膜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)不只有線粒體與葉綠體，還有細(xì)胞核。具有核包被的細(xì)胞核是將真核細(xì)胞與原核細(xì)胞區(qū)分開來的重要憑借，而真核細(xì)胞核的發(fā)生問題也是真核細(xì)胞起源的一個關(guān)鍵。內(nèi)共生學(xué)說認(rèn)為核膜是在原始真核細(xì)胞進(jìn)化的過程中，細(xì)胞膜內(nèi)陷斷裂成片狀囊泡，在相互連接而形成的，但這又難以解釋核仁的發(fā)生。另外，內(nèi)共生學(xué)說認(rèn)為今日真核細(xì)胞發(fā)達(dá)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是由于它要限制葉綠體、線粒體活動而發(fā)展形成的，可是在今日細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)中似乎沒有發(fā)現(xiàn)這兩種細(xì)胞器活動受內(nèi)質(zhì)網(wǎng)限制的現(xiàn)象，這又怎么解釋呢?

3 關(guān)于真核細(xì)胞起源的初步猜想

由探究內(nèi)共生學(xué)說存在的疑問出發(fā)，筆者試圖提出團(tuán)聚體假說，即認(rèn)為真核細(xì)胞的起源是以團(tuán)聚體為原點(diǎn)，再被原核生物進(jìn)入團(tuán)聚體，隨后發(fā)生一些變化，最后逐漸成為我們今天所知的真核細(xì)胞。簡言之為三個階段，即原核細(xì)胞進(jìn)入團(tuán)聚體、不均等分裂與“前核”的形成、細(xì)胞器的形成與真核細(xì)胞的誕生。本假說與內(nèi)共生學(xué)說的不同之處在于本假說以非生體的團(tuán)聚體作為真核細(xì)胞的前身，而后者以早期大型前真核細(xì)胞為進(jìn)化的主體。

3.1 原核細(xì)胞進(jìn)入團(tuán)聚體

前蘇聯(lián)科學(xué)家奧巴林（Oparin Alexander Ivanovich）曾提出過“團(tuán)聚體學(xué)說”以解釋生命的起源，其核心是團(tuán)聚體。奧巴林做了一系列實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)將明膠與阿拉伯膠的水溶液相混合，便會發(fā)現(xiàn)兩者團(tuán)聚成了小滴，與周圍溶液的水有明顯的界限。隨后的實(shí)驗(yàn)又證明了蛋白質(zhì)、核酸、多糖、磷脂等也會形成這樣的團(tuán)聚體。［7］本文的團(tuán)聚體指的是由磷脂雙層膜包裹形成的囊泡結(jié)構(gòu)，借用了奧巴林學(xué)說中的概念，以便直觀清晰地描述真核細(xì)胞的起源。

可以想象的是，在太古代的海洋中，存在著大量磷脂團(tuán)聚體。筆者猜想，會不會在某個特殊的情況下，某種原核有氧呼吸的細(xì)胞主動或被動地進(jìn)入了團(tuán)聚體？所謂主動，即團(tuán)聚體包裹有某種原核細(xì)胞所需的能跨膜擴(kuò)散的分子，如氧氣等，在趨性作用下，原核細(xì)胞便會試圖進(jìn)入團(tuán)聚體，有可能會被團(tuán)聚體外層的磷脂雙分子層包裹住從而進(jìn)入團(tuán)聚體。所謂被動，即在某種外力作用下，與團(tuán)聚體距離很近的原核細(xì)胞被動地進(jìn)入團(tuán)聚體，如在湍急的水流或漩渦中等。像這樣，某個或幾個原核細(xì)胞被團(tuán)聚體的脂雙層包裹進(jìn)入了團(tuán)聚體，形成了一個團(tuán)聚體——原核細(xì)胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)，這就是真核細(xì)胞的前身。

3.2 不均等分裂與“前核”的形成

早期的原核細(xì)胞分裂方式應(yīng)類似于無絲分裂，是一種簡單的二分裂，這就很有可能產(chǎn)生分裂異常的情況，尤其在團(tuán)聚體這樣一個相對封閉的環(huán)境中。隨著時間的推移，由于內(nèi)部環(huán)境的熵值不斷增高，發(fā)生分裂異常的可能性也會隨之升高。存在這樣一種可能性:某個被包裹在團(tuán)聚體中的原核細(xì)胞發(fā)生異常突變，復(fù)制出數(shù)個遺傳物質(zhì)的拷貝再進(jìn)行一次核物質(zhì)分配不均勻的不均等分裂，包裹在原核細(xì)胞外的外膜也一同一分為二，但或許由于形狀與附著物的一些因素，受力不均，使外膜的分裂也同樣不均勻。導(dǎo)致的結(jié)果就是一個子細(xì)胞的遺傳物質(zhì)有殘缺部分，總量也相對較少，外膜比內(nèi)膜的面積要小，在力的作用下內(nèi)膜向內(nèi)折疊產(chǎn)生褶皺。這個子細(xì)胞最后會進(jìn)化成為真核細(xì)胞的線粒體。而另一個子細(xì)胞分得的遺傳物質(zhì)較多，外膜比內(nèi)膜面積要大。這個子細(xì)胞便是真核細(xì)胞細(xì)胞核的前身，即“前核”，而多余的外膜將逐漸進(jìn)化成為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。

這樣的進(jìn)化方式可以解決線粒體的基因有部分存在于核中與真核細(xì)胞DNA具有內(nèi)含子的問題?；虻霓D(zhuǎn)移其實(shí)質(zhì)并不是基因從線粒體中被轉(zhuǎn)運(yùn)至核中，再融合進(jìn)核的DNA中，而是在不均等分裂的過程中，將一部分原核細(xì)胞的基因拷貝，全部分配給了“前核”，故而線粒體內(nèi)基因有缺失。至于內(nèi)含子問題，筆者認(rèn)為這可能是由冗余的拷貝整合進(jìn)基因組造成的特殊現(xiàn)象。對于內(nèi)含子的作用問題，許多人認(rèn)為它具有調(diào)控基因表達(dá)的作用，筆者認(rèn)為是說得通的，因?yàn)槿绻麅?nèi)含子真的是一些原有的基因片段插入而形成的，那么內(nèi)含子上或許會有一些曾經(jīng)的基因元件，或特殊的結(jié)構(gòu)，可以調(diào)控基因的表達(dá)轉(zhuǎn)錄。

分裂時膜的不均等分裂導(dǎo)致將來線粒體的內(nèi)膜內(nèi)折成嵴與細(xì)胞核的外膜外延成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，遺傳物質(zhì)的多次復(fù)制與不均等分裂造成了將來線粒體的基因缺失與真核細(xì)胞的內(nèi)含子結(jié)構(gòu)。從此這個復(fù)合系統(tǒng)便開始向一個完整的生命體轉(zhuǎn)化，這一步的轉(zhuǎn)化，是由原核細(xì)胞進(jìn)化到真核細(xì)胞最重要、最關(guān)鍵的一步。

3.3 細(xì)胞器的形成與真核細(xì)胞的誕生

“前核”雖然已經(jīng)形成，但本質(zhì)上，還只是擁有許多遺傳物質(zhì)的子細(xì)胞，與團(tuán)聚體內(nèi)還是有著明顯界限的。直到某個時間“前核”發(fā)生了胞質(zhì)的外流與內(nèi)外膜的愈合。前者將核糖體分散到團(tuán)聚體中，而后者則產(chǎn)生核孔使遺傳信息得以轉(zhuǎn)移到前核外，讓團(tuán)聚體中的核糖體將其翻譯成蛋白質(zhì)。如此便將整個團(tuán)聚體內(nèi)部空間有機(jī)地聯(lián)系在一起。之后團(tuán)聚體內(nèi)充足的空間與可能含有的大量營養(yǎng)物質(zhì)給予整個復(fù)合系統(tǒng)很大的進(jìn)化空間，而前核也由于含大量遺傳物質(zhì)專司控制整個復(fù)合系統(tǒng)。至此，原本原核細(xì)胞分裂出的兩個子細(xì)胞，生命活動受到調(diào)控，進(jìn)行呼吸作用為整個系統(tǒng)供能；另一個外膜折疊成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，胞質(zhì)外流，部分區(qū)域內(nèi)外膜愈合成孔道（即核孔），內(nèi)部充斥著遺傳物質(zhì)，而原來的擬核區(qū)則專門負(fù)責(zé)核糖體RNA的轉(zhuǎn)錄等工作（即核仁）；團(tuán)聚體內(nèi)部則出現(xiàn)了許多來自“前核”的核糖體，它們在“前核”的調(diào)控下翻譯出了許多蛋白質(zhì)，使團(tuán)聚體內(nèi)無時無刻不在進(jìn)行著許多化學(xué)變化，真正成為系統(tǒng)的一部分而非原核細(xì)胞生存的環(huán)境。

之后整個系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上又產(chǎn)生一系列的變化:如細(xì)胞骨架的構(gòu)建完成使得系統(tǒng)整體分裂成為了可能，如一部分內(nèi)質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)脫形成了高爾基體，再如高爾基體斷裂出含有大量水解酶的囊泡方便了外源物質(zhì)的消化，等等。與此同時，“前核”內(nèi)的遺傳物質(zhì)在不斷融合外源遺傳物質(zhì)與突變更新中壯大，使“前核”轉(zhuǎn)變成真核細(xì)胞的細(xì)胞核。同樣重要的是系統(tǒng)膜系統(tǒng)的改變，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)連核膜、外接細(xì)胞膜，極大地方便了物質(zhì)的運(yùn)輸，核糖體翻譯出的蛋白質(zhì)鑲嵌在線粒體與核的外膜與細(xì)胞膜上，成了物質(zhì)運(yùn)輸、生化反應(yīng)、物質(zhì)識別等的媒介。

至此真核細(xì)胞已經(jīng)基本構(gòu)建完成。擁有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，巨大（相對而言）的體積，高效的產(chǎn)能途徑，使它在大多數(shù)環(huán)境下具有更強(qiáng)的生存力，是一種較原核生命更高級的生命形式。

于此還應(yīng)補(bǔ)充說明一下真核細(xì)胞核榶體結(jié)構(gòu)問題。真核細(xì)胞與原核細(xì)胞核糖體的沉降系數(shù)是不同的，前者是80S，后者是70S。筆者認(rèn)為，造成這種情況的原因只是在原核細(xì)胞不均等分裂時產(chǎn)生的變異，或在之后的進(jìn)化過程中核仁區(qū)的遺傳物質(zhì)發(fā)生了突變。但卻很巧合地存活了下來，甚至因?yàn)榭赡軗碛心撤N優(yōu)勢而成為現(xiàn)存（至少是現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的）唯一一種真核細(xì)胞核糖體結(jié)構(gòu)。

當(dāng)然，還有一些問題筆者現(xiàn)在無法解釋，如冗余基因整合的原理，葉綠體誕生的方式等，有待更深的研究。

生命在荒蕪的地球中誕生，毫無疑問是一種令人驚嘆的奇跡。對這一歷程中發(fā)生的種種奇跡與巧合，沒有人敢說自己能完全還原出其軌跡。內(nèi)共生學(xué)說無疑是一種有著廣泛、深遠(yuǎn)影響的學(xué)說，而團(tuán)聚體假說試圖從新的視角作出努力，以對進(jìn)一步探索研究有所助益。

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