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能量、性、死亡:粒線體與我們的生命

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Power, Sex, Suicide: Mitochondria and the Meaning of Life

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我們的能量從哪裡來?為什麼會有兩種性別?我們為何會成長、死亡?地球上繽紛多采的生命背後,究竟有著什麼樣的祕密?這所有問題的解答,都是——粒線體。

得獎紀錄

◎ 英國皇家學會科學圖書大獎決選入圍
◎ 《經濟學人》年度好書
◎ 《泰晤士高等教育報》年度年輕科學作家

引言:粒線體 ─ 隱匿的世界統治者

在報紙和部分教科書裡,粒線體被簡略地稱做「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鬆鬆地裝進一粒沙大小的空間裡。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,都至少有一些粒線體。即使是不動的植物和藻類,也利用它們來擴充光合作用所擷取的太陽能。

「粒線體夏娃」

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於母系姓氏的角色,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後裔,如征服者威廉、諾亞或先知穆罕默德。這項技術不只能幫我們尋找祖先,也能幫助我們釐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係,他們走向了滅絕之路,消失在歐洲大陸的邊緣。

「犯罪鑑識的關鍵」

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,之後她被送進了精神病院。一九八四年,在她過世之後,粒線體的分析駁斥了她的說法,長達七十年的爭論才終於落幕。

此外還有一些更近期的例子,911事件的災難中,有許多遇害者的遺體無法辨識,最後是靠著粒線體基因鑑定他們的身分。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麼好用,有一部分要歸因於它的數量眾多。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親緣關係。

「粒線體老化理論」

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。粒線體並不是完全「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鬆地被修復,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後的原因。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症療法:從捐贈者的健康卵細胞取出粒線體,移入不孕症婦女的卵細胞內。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徵,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,但出於倫理以及實務上的考量,英國和美國後來便禁止了這項技術。

粒線體的祖先是細菌

在一九七〇年代,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。大約從九〇年代中期開始,研究人員發現,細胞凋亡並非像早先認為的那樣由細胞核內的基因所控制,而是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,正是癌症的主要原因。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。在癌症的狀況下,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,憑什麼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。

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「兩性世界的必要條件」

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,複製或孤雌生殖只要母親即可;添加父親的形象不只冗贅,還會浪費資源。更糟的是,性別一分為二意味著我們能選擇的對象只有總人口數的一半,至少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。七〇年代後期有人給這個謎提出了答案,這個解釋現已經廣為科學家所接受,雖然一般大眾還不太清楚。這個答案和粒線體有關。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。

一九九九年頂尖期刊《科學》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》。《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後,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。」

作者試圖將這本書的書寫對象設定為廣大的讀者群,或許沒有科學和生物學背景,但他相信,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鬥,而後終於見到一線曙光時的興奮激動,費點力氣是值得的。

作者簡介

尼克.連恩 Nick Lane

連恩是演化生化學家,也是英國倫敦大學學院的榮譽教授(Honorary Reader)。他的研究主題為演化生化學及生物能量學,聚焦於生命的起源與複雜細胞的演化。除此之外,他也是倫敦大學學院粒線體研究學會的創始成員,並領導生命起源的研究計畫。連恩出版過三本叫好又叫座的科普書,至今已被翻譯為二十國語言。二〇一〇年,他以《生命的躍升》(Life Ascending)獲得科普書最高榮譽--英國皇家學會科學圖書大獎;本書則入圍上述大獎的決選名單,以及《泰晤士高等教育報》年度年輕科學作家的候選名單,同時也被《經濟學人》提名為年度好書。連恩博士現居倫敦,關於更多他的資訊,請造訪他的個人網站:www.nick-lane.net

本文由貓頭鷹出版社授權推薦

購書資訊:http://www.books.com.tw/products/0010585629

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