走进科学
线粒体是活生生的生命
从细胞能量到疾病根源，探索线粒体作为活生生的生命体的潜力与可能性。
物理世界是物质、信息和能量之间的复杂舞蹈。认识到线粒体的生命特性，将为我们开启新的视角去理解生物学。
我们体内的细胞源于一场古老的同盟。1967年，美国进化生物学家Lynn Margulis在一篇名为《有丝分裂细胞的起源》的论文中提出了一种似乎荒谬的观点。她的论文在被接收前曾遭到12个期刊拒绝。
Margulis认为，在约十五亿年前，一个原始的真核细胞吞噬了一种能利用氧气的细菌。然而，这个细菌并没有被消化，也没有摧毁宿主，反而形成了一种内共生关系；宿主提供营养和保护，细菌为宿主提供能量。Margulis认为，这一内共生事件成为生物系统的“创新引擎”，最终诞生了现代的线粒体和叶绿体。
Margulis的理论曾备受质疑，甚至引发了长达数十年的学术争议。然而，随着时间的推移，科学家逐渐接受了她的观点，因为线粒体的膜结构和分子机器与现存的细菌相似。然而，大多数生物学家仍认为线粒体已“退化”为类似内质网或高尔基体等“非生命”胞器。
但越来越多的科学证据表明，线粒体不仅仅是胞器，而是独立的生命体。
这一“生命”与“单纯膜结构”之分或许看似微不足道，但却暗示了一个更深层次的问题。将线粒体定义为“非生命”不仅是分类错误，更是对其本质和作用的误解。这一定义影响了我们对生物系统的理解，以及用于研究的工具的设计。
如果我们将线粒体仅视为非生命的胞器，又如何能挖掘其全部潜能呢？
生命的定义自生物学诞生以来一直存在争议。即便在今天，研究人员对“生命”给出了不同但有重叠的标准。分子生物学家倾向于关注代谢、生长、对刺激的反应、繁殖以及信息处理或进化能力等特征，以“清单”方式判定某物体是否是生命体。
生物物理学家则从能量的角度定义生命。物理学家Erwin Schrödinger和Ilya Prigogine认为，生命体在宇宙不断增加的熵(系统内能量的无序状态)趋势中保持秩序。生命系统处于远离平衡的状态，不断与环境交换物质和能量，以维持高度有序的结构。细胞吸收低熵的输入物质，如食物或阳光，并排出高熵的输出物质，如废物。
无论选择哪种定义，线粒体显然符合生命体的标准。
线粒体拥有自身基因组，且在内部的水性腔室中表达基因，这些生物分子不同于细胞核的物质。线粒体还通过二分裂繁殖，与细菌的分裂方式相似。如果细菌被视为生命体——而所有生物学家似乎都认同这一点——那么也就无法解释为何线粒体不是。
从热力学的角度看，线粒体从宿主细胞吸收低熵的物质，如葡萄糖或脂肪酸，并排出高熵的产物，如二氧化碳和水。线粒体还通过内膜排出质子，维持热力学上的不平衡状态，并利用这种梯度生成ATP，以驱动细胞的多种功能，包括DNA复制和蛋白质合成。
从分子生物学的角度来看，线粒体的功能也远不止是能量生产。线粒体能够处理信息并与环境互动，就像一个细胞一样。它们监测类固醇激素、氧化应激、热量、ATP水平等多种分子信息，并精确调控细胞功能。例如，当病毒入侵细胞时，线粒体会感知到侵袭，并触发宿主细胞的程序性死亡，以阻止病毒传播。
最后，线粒体以独立于宿主复制的方式生长和繁殖。线粒体独立复制其环状基因组(线粒体DNA)，并通过二分裂分裂。这一复制过程具有一些独特的特点，与人体细胞的复制过程明显不同。线粒体DNA的突变速度是人类基因组的100至1000倍，突变能显著改变线粒体的适应性，从而影响宿主细胞的适应性。线粒体因此既是进化的推动者，也受进化的影响。
尽管如此，反对线粒体为生命体的主要论点是它们不能完全独立运作，必须嵌入宿主细胞的细胞质中才能发挥功能。然而，这一观点在逻辑上不一致，因为按照同样逻辑，大部分地球生物也不能被视为“生命体”。毕竟，生物学中没有什么是完全独立于环境存在的。
人类生命起源于另一人体内，受精卵需要数月在子宫中发育才能成长为婴儿。其他许多生物体——不仅是线粒体——也生活在其他细胞中。例如，立克次体细菌居住在蜱虫、虱子、跳蚤和螨虫等宿主细胞的细胞质中。还有一些细菌，如Holospora属，寄生于不同的原生生物细胞核内。所有生命体都在不同的生态系统或生物系统中共生，不同生物体嵌入于不同的层次中。
科学家似乎根据生物体是否处在生物圈某些特定的层次上来决定其是否为生命体，但这其实是一个逻辑谬误。每种生物体都在宇宙中成长并适应一个特定的环境，形成了所谓的“有效生态位”，既可以在另一生物体内，也可以在其外部。仅仅因为某个生物体适应了某个特定环境，并不意味着它无法在其他环境中生存。因此，生命体的“潜在生态位”往往比其“有效生态位”更广。
例如，研究人员曾成功将自由生活的细菌植入不同真菌的细胞质中。瑞士联邦理工学院的研究人员最近将“细菌植入丝状真菌小包霉的细胞质中，以观察人工内共生的命运”。很明显，将细菌置入其他细胞中并不会使其不再是生命体。
同样，线粒体的有效生态位是宿主细胞的细胞质，但其潜在生态位可能远不止于此。线粒体不局限于宿主细胞，可以在不同细胞间移动。尽管不同物种有不同的线粒体，但实验表明，不同物种的线粒体可以在彼此间转移。
1997年，科学家从黑猩猩和大猩猩体内分离出线粒体，并展示了它们能自然地被人类细胞内化和整合。值得注意的是，外源性线粒体的加入还显示出对心力衰竭和脊髓损伤的治疗效果。因此，线粒体可以生存的潜在生态位确实远大于其有效生态位。
当年，Margulis挑战进化生物学中的普遍观点，促使生物学家理解复杂性如何通过真核生物的诞生和多细胞性的兴起而在生物系统中逐渐形成。如今，重新审视我们对线粒体的理解，将同样有助于打破科学中根深蒂固的教条。
20世纪初，Albert Einstein和Claude Shannon提出了物理世界的三大支柱：物质、信息和能量。当Francis Crick和James Watson发表DNA双螺旋模型时，他们掀起了一场关于物质和信息理解与控制的范式转变。在随后的70年里，科学家们开发出强大的工具来研究基因、解析信息如何在细胞间流动，并利用如CRISPR等基因编辑工具操控DNA。然而，我们在理解和操控生物能量方面尚未达到同样的高度。正如CRISPR使科学家能够重写生命的代码，我们同样需要类似的工具来工程化线粒体，从而控制整个真核生物界的生物能量学。
尽管历经十亿多年的进化，线粒体依然在细胞中扮演关键角色，既未被取代也未变得无足轻重。这表明，随着人类的演化，线粒体在塑造我们的健康和寿命方面的作用也在演化。线粒体功能障碍长期以来被认为与心血管疾病、糖尿病、阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩性侧索硬化症等与年龄相关的疾病有关。在患有这些疾病的患者体内，线粒体通常呈现出异常且破碎的形态，无法为细胞提供足够的能量或传递正确的信号。这些病变的线粒体逐渐产生有毒的化合物，加速细胞的死亡。
或许，解决与能量相关的疾病、延长寿命，甚至工程化光合作用的途径就隐藏在我们细胞与这些活跃共生体的复杂互动中。要探索这些奥秘，让我们从拥抱这一古老的联盟开始。
本文译自 Asimov Press，由 BALI 编辑发布。