关于生命的问题有哪些,如何看待生命是一个进化的过程( 二 ) _世界这么美好为什么有性

换句话说，ATP生产方式决定了原核细胞无法克服能量供应不足的短板，导致原核细胞的结构一直非常简单，即使进化了20亿年也复杂不起来。这个困难最终被真核细胞以一种非常巧妙的方式克服了，这就是线粒体（Mitochondria）。

文章插图
线粒体内部结构示意图
线粒体是真核细胞内的一种微型细胞器，专门为真核细胞生产ATP 。这个生产过程仍然需要用到跨膜电位差，因此线粒体所产生的能量同样是和线粒体内膜的总面积成正比的。但因为每个细胞内都含有成百上千个线粒体，线粒体内膜也是充满了皱褶，这就大大增加了内膜的总面积，产生的能量要比仅靠细胞膜产生能量的原核生物多得多。
据统计，人体所有细胞内的线粒体内膜表面积加起来约有1.4万平方米之多，大致相当于4个足球场那么大！
英国生化学家尼克·莱恩在他那本划时代的著作《至关重要的问题：为什么生命会如此？》（The Vital Questions：Why Is Life The Way It Is?）中指出，真核细胞和原核细胞最本质的区别就是前者摆脱了能量束缚，导致平均每个基因所能分到的能量是后者的1200多倍！这些多出来的能量大都用于合成蛋白质了，所以真核细胞的内部结构要比原核细胞丰富得多，这才有可能进化出复杂的多细胞生物，包括我们人类。

文章插图
03那么，如此重要的线粒体究竟是如何进化出来的呢？此前科学家们想出过很多解释，大都基于渐变的经典达尔文理论。但马古利斯提出了一个大胆假说，认为线粒体的前身是一个被大细菌吞进去的小细菌，两者产生了内共生关系（Endosymbiosis），小细菌逐渐演变成线粒体，为大细菌宿主提供能量。
马古利斯的假说曾经遭到过学术界的集体嘲笑，但越来越多的证据表明她是对的。比如前文提到过的那个美国生化学家威廉·马?。╓illiam Martin）就提出了一个氢气假说（Hydrogen Hypothesis），完善了很多细节。马丁认为第一个真核细胞是由一个古细菌吞噬了一个细菌而产生的，那个古细菌是依靠氢气生活的，而它吞进去的细菌能够生产氢气，正好为宿主提供了最需要的养料，于是双方共存了下来。

文章插图
美国生物学家马古利斯，她是著名天文学家卡尔·萨根的第一任妻子。
类似这样的事情极其罕见，原核细胞诞生之后的20亿年里只发生过两次，第一次产生了线粒体，导致了真核细胞的诞生。第二次产生了叶绿体，揭开了大规模光合作用的序幕。线粒体和叶绿体的起源问题曾经是古典达尔文主义者的噩梦，但如果将其看成是两次偶发的内共生事件，那么它们的出现就很容易解释了。

文章插图
生命起源示意图
自从生命有了线粒体之后，接下来的每一步变化都可以按照经典达尔文主义加以解释。下面就让我们按照达尔文进化论的原理进行一些简单的推理，看看当两个细菌共生之后都会发生些什么。
首先，被吞进去的那个细菌的DNA会大量丢失，其碎片会被随机地整合进宿主的基因组中。一方面，细菌经常通过这种方式和其他细菌交换DNA ，这在生物学术语里被称为“基因水平转移”（Horizontal Gene Transfer）。另一方面，这么做可以节约能量。你想，一个细胞内含有成百上千个线粒体，这些线粒体还要不断更新，如果每次更新都必须把整个基因组复制一遍，那就太浪费了，不如让宿主细胞统一负责，效率要高得多。