细胞中也有“外星人”？一起来了解吧

俗话说，生命在于运动，作为生命的基本单元，细胞也处在不断地运动当中，而对于以人为代表的动物而言，维持细胞高效运转的能量，主要来自于线粒体。线粒体是处理能源物质、高效提供能量的工厂。来自于食物的各种有机物经由线粒体，转化为生命世界的通用能量货币——ATP。这座工厂规模宏大、结构精巧，使用比较早期的光学显微镜就能看到，所以，线粒体是人们较早观察并记录到的细胞器之一。当然，细胞中的“大”也只是相对而言，线粒体的直径不超过0.5-1.0微米，长度可达数微米。

早在1857年，瑞士生物学家科力克Kölliker就发现病描述了肌肉细胞中呈规则排列的颗粒状细胞器；1890年，阿尔特曼Altmann发现多种细胞中均存在这种颗粒状结构；1898年，本达Benda正式将这种细胞器命名为线粒体。在高倍光学显微镜下，线粒体呈现出具有高折射率的颗粒或线条形貌，这也是它得名的原因。

为什么我们把线粒体称作外星人呢？这是因为从生命演化的角度，线粒体并非真核细胞与生俱来的固有细胞器，而是源于定居在真核细胞祖先中的移民。线粒体与真核细胞内固有的内质网、高尔基体等从蛋白质构成，到基本功能都大不相同，而与原核细胞，更具体的说是细菌中的一个演化分支，变形菌，具有很高的相似度。在生命早期演化过程中，真核细胞的祖先，目前认为是阿斯加德古菌的亲戚，吞噬了一个具有很高的有氧代谢活性的阿尔法变形菌，但并没有将这个外来的细菌消化掉，而是采用了同化的策略，利用了这个变形菌的高代谢活性，将它整合为自身生命体系的一部分，协同演化。在漫长的演化过程中，这个变形菌移民已经失去了独立生存的能力，甚至连自己的遗传信息都丢弃了大半，高度依赖于宿主提供的遗传信息和生物大分子合成机器。另一方面，也正是因为变形菌具备高效率能量转化的超能力，才能够支持宿主细胞高强度的能量需求。所以，阿斯加德古菌和阿尔法变形菌的这种合作，从生物演化上来说，是一种合作共赢。

线粒体最重要的功能就是通过多步骤氧化有机物，而释放储存在化学键中的化学能，从而驱动生命机器的运转。这一重要功能，也是通过许多科学家的共同努力而揭示的。米凯利斯Michaelis最早推测线粒体能够参与细胞中的氧化还原反应；克雷布斯KREBS发现的三羧酸循环，就发生在线粒体中；而能够高效产能的脂肪酸BETA氧化，同样也依赖于线粒体。进一步，米切尔Mitchel、波耶尔Boyer以及沃克Walker因为阐明了线粒体氧化磷酸化产生能量硬通货ATP的分子机制而先后获得诺贝尔奖。

除了作为细胞能量代谢的中枢，线粒体还在细胞的命运决定中发挥重要作用。细胞的增殖，细胞的分化，以及细胞的死亡，都与线粒体息息相关。而线粒体在细胞死亡中的重要作用，是由著名科学家王晓东教授在1996年发现的，这一发现也极大深化了线粒体研究的内涵，拓展了线粒体研究的外沿。

此外，线粒体还与多种疾病的发生发展密切相关。在我国黑龙江省克山、云南省楚雄，曾经存在一种致死致残率很高的地方病——克山病。我的导师杨福愉院士对克山病发病人群进行了历时三年的流行病学、生态环境调查及病理生理学研究，发现克山病患者在分子细胞生物学层面的具体表现为心肌线粒体內嵴破坏、氧化磷酸化活性下降等，从而提出“克山病是一种心肌线粒体病”的重要观点。调研组发现在全国范围内，克山病病人均分布于缺硒地带，补充微量元素硒能有效预防其发生。依托这项研究成果，1990年后，克山病已经基本消失。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：中国生物物理学会

审核：阮科 中国科学技术大学 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 科普中国创作培育计划