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【科學講堂】細胞「能量中心」 由食物變共生

2019-05-15
■最初古菌被認為只是在極端環境下存在的,不過後來我們也在較平常的地方找到它們。圖中的是美國黃石國家公園的大稜鏡溫泉。 資料圖片■最初古菌被認為只是在極端環境下存在的,不過後來我們也在較平常的地方找到它們。圖中的是美國黃石國家公園的大稜鏡溫泉。 資料圖片

之前跟大家談到人造細胞的時候,提到過較複雜的細胞中,有一個名為線粒體(mitochondrion)的結構。這樣的結構是細胞中的「能量中心」,負責製造能量供細胞之用。前幾次和各位分享現代人類起源的時候,也提到過線粒體藏有自己的DNA,而藉由研究這些線粒體DNA,我們推斷出現代人種是起源於非洲,再慢慢擴展至全世界。細想之下,線粒體這個結構有點兒特別:它藏身於細胞之中,應該是細胞的一部分;但是它卻含有自己的DNA。這樣的設定究竟是怎樣來的呢?

古菌細菌不親密

在生物學中,細胞較為複雜、(大部分)擁有線粒體的生物被稱為「真核生物(eukaryota)」。這些生物的細胞含有細胞核,將細胞的DNA跟細胞的其他部分分割開來。當然另有一些生物的細胞並沒有細胞核:其中一種就是我們熟悉的細菌(bacteria);另一類沒有細胞核的微生物是古菌(archaea)。

古菌在外觀上可能跟細菌有點兒相近,不過美國微生物學家烏斯(Carl Woese)和他的研究夥伴在1970年代分析了不同微生物的基因,發現古菌和細菌並不算親密:古菌與細菌在基因上的分別,跟古菌和真核生物的分別,看來不相伯仲;因此1977年就在烏斯和他的研究夥伴的倡議下,將生物分成真核生物、古菌和細菌三大類。

那炯o個分類方法跟今天要討論的線粒體來源又有何關係呢?線粒體含有自己的DNA,令生物學家們想到,線粒體可能源自古菌和細菌的一種共生關係:在地球生命進化的初期,有一些細菌「選擇」了生活在古菌之中。

在剛開始的時候,這些細菌可能是被古菌當食物吞噬的,不過這些細菌能夠產生能量,能為古菌提供更多的能量來源。在這樣的利誘下,一些古菌就和這些細菌「共存」下去,再慢慢演化成今天擁有線粒體的真核細胞。

這個猜想大體上來說不錯,而生物學家們甚至已經找到了真核細胞的祖先可能是那些微生物:最初的細菌應該是α-變形菌(alphaproteobacteria),而最初的古菌應該是屬於被稱為Lokiarchaeota的一類。不過這個猜想的一些細節還不是很清楚:比如說,在發展線粒體的時候,那些細胞究竟有多原始?在那個時候,那些細胞發展了細胞核沒有?

早出現蛋白質 多與古菌有關

為了回答這個問題,西班牙龐培法布拉大學的Alexandros Pittis跟Toni Gabaldun藉由分析基因去找出細胞中的哪些蛋白質較早或較遲出現。他們發現最早出現的蛋白質主要負責細胞的基本工作(例如複製DNA),而且的確大部分跟古菌有關,和真核細胞是來自古菌的猜想一致。最遲出現的蛋白質,毫不出奇地,大多來自細菌,而且藏於線粒體中和跟生產能量的工作有關。

不過,Pittis跟Gabaldun還找到第三種跟細菌有關的蛋白質:這些蛋白質出現的時間在第一種跟第二種之間,一部分可以在細胞內部結構的表膜之中找到。

如此看來,當細胞發展線粒體的時候,細胞早已吸納了其他的基因,而且已經發展了一些內部結構。不過這第三種的蛋白質是從何而來的,還得依賴繼續的研究去找出原因了。■張文彥博士 香港大學理學院講師

短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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