能量、性、死亡--线粒体与我们的生命
作者：尼克-连恩
引言 线粒体
隐匿的世界统治者
线粒体是细胞内的小小胞器，我们对能量的需求，绝大部分都是靠它们产生的ATP（腺苷三磷酸）来满足。每个细胞内平均有三百至四百个粒线体，也就是说，人体内约有一万兆个粒线体。基本上每个复杂细胞中都有粒线体。它们看起来像细菌，而它们的外观也没有骗人：粒线体的确曾经是自由生活的细菌，约在二十亿年前它们适应了在更大的细胞体内生活。粒线体的内部仍留着一部分基因体片段，这些DNA就像是彰显它们曾一度独立生活的徽章。它们和宿主细胞之间曲折的关系形塑了生命的整幅纹理，从能量、性、生育力，到自杀、老化、死亡。
粒线体是个半公开的秘密。许多人因为不同的原因听过它的名字。在报纸和部分教科书里，它们被简略地称做「生物的发电厂」，是活细胞内的小小发电机，生产了我们生存所需的几乎所有能量。单一细胞内通常有数百个或数千个粒线体，它们在此利用氧气将食物彻底燃烧。它们如此迷你，十亿个粒线体可以轻轻松松地装进一粒沙大小的空间里。生物演化出粒线体，就像是安装了涡轮引擎，轰隆隆地转动起来，随时蓄势待发。所有动物的体内（包括最懒散的那些），都至少有一些粒线体。即使是固着不动的植物和藻类，也利用它们来扩充光合作用所撷取的太阳能。
还有一些人则是对“粒线体夏娃”这个字眼比较熟悉。据信她是当代人类的共同祖先中，和我们最接近的一个，如果沿着母系血缘向前回溯我们的基因遗传，由孩子回推到母亲，再到外祖母，向未知的过往一路追踪下去，就会找到她。藉由这种方法找到的那位最初的母亲，粒线体夏娃，被认为曾生活在十七万年前的非洲，因此也被称做“非洲夏娃”。我们可以像这样追溯遗传上的祖先，是因为粒线体还保有小小一组自己的基因，粒线体的基因只会透过卵细胞，而不会透过精子传给下一代。这意味着粒线体基因扮演了类似于母系姓氏的角色，使我们可以藉此回推母系的祖先，就像一些家族会追踪著名人物的嫡传后裔，如征服者威廉、诺亚或先知穆罕默德。虽然近来有人质疑其中的部分原理，但整体而言这个理论还是算数。当然，这项技术不只能帮我们寻找祖先，也能帮助我们厘清谁不是我们的祖先。根据粒线体基因分析，尼安德塔人和现代的智人没有血缘关系，他们走向了灭绝之路，消失在欧洲大陆的边缘。
粒线体也因为它在犯罪鉴识方面的用途而登上头条，它们可以用于身分重建，不管对象是活人还是死尸，许多知名案件的调查都曾用到这个方法。此一技术同样要动用到粒线体的那一小撮基因。俄罗斯末代沙皇尼古拉二世的身分便是靠着比对其亲族的粒线体基因而确认的。第一次世界大战结束时，在柏林有一名十七岁的少女被从河中救起，她声称她是沙皇失散的女儿安娜塔西亚，之后她被送进了精神病院。一九八四年，在她过世之后，粒线体的分析驳斥了她的说法，长达七十年的争论才终于落幕。此外还有一些更近期的例子，世贸中心的灾难中，有许多遇害者的遗体无法辨识，最后是靠着粒线体基因鉴定他们的身分。这个方法也被用来区分海珊和他的一名替身。粒线体基因之所以这么好用，有一部分要归因于它的数量众多。每个粒线体中，同样的基因会有五到十组拷贝，而每一细胞内通常有数百个粒线体，所以在单一细胞中，同一个粒线体基因就会有数千份拷贝。在此同时，核基因只会有两组拷贝，它们位在细胞的控制中心——细胞核内。因为上述的原因，一点粒线体基因都抽不到是很罕见的。加上我们和母亲及母系亲属拥有同样的粒线体基因，因此一旦抽到了粒线体基因，通常就意味着可以确认或推翻预设的母亲关系。
此外还有粒线体老化理论，这个理论主张，老化以及伴随老化而来的疾病，其成因是一种人称自由基的活性分子，而它们会在细胞正常行呼吸作用时从粒线体渗漏出来。粒线体并不是完全「防火花」的装置。当它们利用氧气燃烧食物时，溢散的自由基火花会破坏邻近的构造，包括粒线体本身的基因，和距离更远的细胞核基因。细胞内的基因每天大约会被自由基攻击一万到十万次，具体来说就是每秒都会有基因遭到摧残。这些损伤多半都可以轻松地被修复，然而频繁的攻击还是会造成不可逆的突变，永久性地更动基因序列，而这样的突变会在一生当中不断累积。受损严重的细胞陆续死亡，像这样持续的耗损就是老化和退化性疾病背后的原因。许多残酷的遗传疾病也和自由基攻击粒线体基因所造成的突变有关。这些疾病的遗传模式通常很古怪，而且在每一代患者间的严重性也不一致，不过一般而言都会随着年纪增长愈见恶化。粒线体遗传疾病常会侵袭代谢旺盛的组织如肌肉组织和脑组织，导致癫痫、运动障碍、眼盲、耳聋和肌肉退化。还有些人对粒线体的印象则来自一种颇具争议性的不孕症疗法：从捐赠者的健康卵细胞取出粒线体，移入不孕症女的卵细胞内。此一技术被称为卵质转移。当它在新闻界初次登场，英国一家报社刊登时为这个故事配上了一个趣味的标题：「两女一男合产一子」。这个标题活灵活现地表现了技术的特征，而且不完全是错的，因为细胞核内的基因都来自「真正的」母亲，有一部分的粒线体基因则来自「捐赠者」母亲，所以婴儿确实从两个母亲身上分别得到部分的遗传物质。虽然有超过三十名看来健康的婴儿透过这项技术诞生，但出于伦理以及实务上的考量，英国和美国后来便禁止了这项技术。粒线体甚至曾出现在星际大战电影里，做为虚构的科学根据，用来解释赫赫有名，与你同在的原力，这还触怒了一些狂热的影迷。在最早的几部电影里，原力被当做一种精神上的，或甚至是宗教上的存在来理解，但在后续的电影里则说那是「迷地原虫」所制造的产物。何谓迷地原虫？一位绝地武士好心地解释它是「显微镜层级的生命体，存在于每个生物细胞内。我们与之共生，并藉这种关系从彼此身上得到助益。如果没有迷地原虫，生命便不会存在，我们也没有机会认识原力。」粒线体（Mitochondriumt）和迷地原虫（Midichlorian）在名称和本质上的相似性难以忽视，而且看来创作者是有意如此的。粒线体的祖先是细菌，它们也以共生生物的身分住在我们的细胞内（共生生物是与他种生物共享互利关系的生物）。粒线体也像迷地原虫一样具有许多神奇的特质，它们甚至可以形成彼此沟通的分支网路。在一九七○年代，玛格利斯提出了粒线体源自细菌的著名论点，一度也颇受争议，但现今大部分生物学者都把它当做事实来接受了。粒线体的这几个面向，都是一般人可以透过报纸或是大众文化了解的。还有另一些面向，虽然对大众而言或许比较深奥，但近一二十年在科学家间相当著名。最重要的像是细胞凋亡，或称计画性细胞死亡，指的是细胞为了个体的整体利益而自杀，牺牲小我完成大我。大约从九○年代中期开始，研究人员发现，细胞凋亡并非像早先认为的那样由细胞核内的基因所控制，而由粒线体掌握控制权。其中的意涵在医学研究上相当重要，因为，细胞在该凋亡时不凋亡，正是癌症的主要原因。如今，有许多研究人员已经不再将矛头指向核内基因，改为针对粒线体下手。但是，这个主题还有更深一层的意义。在癌症的状况下，个别细胞会争取自由，挣脱枷锁，不再为整个生物体服务。在个体的早期演化时，要把这样的枷锁强加在细胞上是很困难的：试想，一个有能力自由生活的细胞，凭什么要接受死刑判决来换取成为群体一员的权利？尤其是当它大可选择脱离群体，再次独自生活的时候？如果没有计画性细胞死亡，多细胞生物或许根本演化不出团结个别细胞的约束力。而计画性细胞死亡又得仰赖粒线体，所以，如果没有粒线体，多细胞生物可能也就不会存在。为免口说无凭，请让我补充一点：所有多细胞的动物和植物真的都有粒线体，千真万确。现在，粒线体还在另一个圈子里非常出名：真核细胞的起源。真核细胞是具有细胞核的复合型细胞，植物、动物、藻类和真菌都是由这类细胞所构成。真核（eukaryotic）指的是基因在细胞内的座位，其希腊文词源意思是真的细胞核。但坦白说，这个命名是有缺陷的。事实上，真核细胞除了细胞核外还具备许多其他零碎杂物，比方说——粒线体。真核细胞最初是怎么样演化出来的？这是现今的当红议题，一般的说法是，原始真核细胞逐步向现今的样貌演化，然后有一天，它吞进一支细菌，这细菌被囚禁了数代后变得完全依赖它而生，最终演化为粒线体。根据这个理论，我们的共同祖先会是种没有粒线体的低等单细胞真核生物，是从原始真核细胞尚未捕捉到粒线体供其驱使之前的年代，所留下来的遗产。但如今，这十年来谨慎的遗传分析结果显示，所有的真核细胞似乎都拥有或曾经有过（但后来舍弃了）粒线体，这暗示了复杂细胞的起源和粒线体的起源是不可分割的：两件事其实是同一件事。如果这是真的，那不只是多细胞生物的演化需要粒线体，就连构成多细胞生物的真核细胞也需要粒线体在其起源中扮演重要角色。若上述为真，那就可以说，没有粒线体，地球上就不会有细菌以外的生物了。粒线体另一个比较秘而不宣的层面，和两性间的差别有关，实际上，它是两性世界的必要条件。众所周知，性是个难解的课题：以性作为繁衍手段时，要有一对父母才能得到一个小孩，然而，复制或孤雌生殖只要母亲就够了；添加一个父亲的形象不只冗赘，还会浪费空间和资源。更糟的是，性别一分为二意味着我们可以选择的对象只有总人口数的一半，至少就以传宗接代为前提的性来说是如此。就算不用传宗接代，每个人都是同一个性别，或是有接近无限种性别也会比较好，「两性」是最差的状况。七○年代后期有人给这个谜提出了答案，这个解释现在已经广为科学家所接受，虽然一般大众还没有那么清楚。这个答案和粒线体有关。我们必须区分出两种性别，是因为必须要有一种性别专门将粒线体透过卵细胞传递下去，同时要有另一性别特化出不会将粒线体送出的精子。我在本书第六部会提出其解释。这几条研究的方向，一起将粒线体重新拱上了它自五○年代后再未享受过的尊荣地位（彼时才刚发现它是细胞内能量的来源，供应细胞所需的几乎所有精力）。顶尖期刊《科学》也出了点力，在一九九九年为粒线体贡献出它的封面和大篇幅的内文，标题是《粒线体大翻身》。这段日子里它之所以会被忽略，有两个原因，其一是生物能学（研究粒线体产能的学门）被认为是一门困难而冷僻的学问。「别担心，反正大家都不懂粒线体」，这句回荡在讲堂里，令人安慰的细语可以生动地概括这个现象。第二个原因和分子遗传学在二十世纪后半的强势有关，《粒线体》一书的作者薛弗勒特别提到：「分子生物学家之所以忽略了粒线体，可能是因为粒线体基因会被发现时，他们还没有办法察觉这有多深远的涵义以及应用价值。必须要经过一段时间，累积了够广够深的资料库之后，才有办法引导出值得投入的问题，主题包括人类学、生源论、疾病、演化等等。」