到底是什麼和能量、性、死亡都有密切關係呢？

本書告訴我們，生物會產生能量、會有性別、會死亡，一切的源頭都是因為——粒線體。 生物學是經過觀察、提問、假設、實驗，最後得到結論的科學。如果生物課本是用各種結論濃縮成的雞精，那本書就是用粒線體研究煮成的雞湯。保留科學家們得到結論前反覆思辯、試驗、追尋答案的過程，帶我們用不同於以往的方式品嚐這門科學。 這本書對非本科來說可能有點硬，但是作者很擅長用問答的方式帶出主題，會讓人想一頁頁翻下去。 以下分享本書中幾個顛覆我過去所學的概念，因為盡量用簡短的方式記錄，細節可能不像書裡那麼清楚。如果有興趣歡迎一起討論喔~ 📌生命的起源是「原生湯」嗎？ 以前生物課本講到生命的起源，通常會提「原生湯(prebiotic soup)」理論和它的代表性實驗：米勒和尤里將電極火花導入氫氣、甲烷和氨的混合氣體，並產生小分子有機物。他們相信這能代表地球早期環境，過去也認為生命很可能是從原生湯中慢慢煮出來的。 但是這個理論後續遭受質疑，包括無法證明過去的大氣成分，並且科學家發現45-40億年前的大規模小行星轟炸也能帶來有機物。所以關於生命的起源，其實至今還是沒有定論。 📌最早的生物如何產生能量？ 在生命的起源38.5億年前，到能利用陽光的光合菌(35-27年前)出現前，中間這數億年生物該如何產生能量？ 有一派認為，生物是靠發酵原生湯內的物質來產生能量；而作者支持的另一派，認為呼吸作用才是最早的生命產生能量的方式。 原因包含呼吸作用有較高的效率(產生較多ATP )、反應機制較能簡化、以及演化上的證據(細菌和古細菌的發酵途徑不同)。 📌是先出現真核細胞，還是先發生內共生產生粒線體？ 部分生物學家認為先出現原始的真核細胞，再透過吞下好氧細菌形成內共生關係，得到粒線體。他們認為不具粒線體的真核生物「古原蟲(archezoa)」，應該是發生內共生前的真核祖先。 然而隨著基因定序出現，這些「古原蟲」都被證明曾有過粒線體，因此不是真核生物祖先。而比對發現，內共生則可能是古細菌中的甲烷菌吞下α-變形菌而來，為了合作關係順暢，α-變形菌還把部分基因交給了甲烷菌。在有額外的基因和能量基礎下，原核生物才演化為真核生物、我們眼前充滿多細胞生物的世界才得以出現。 📌粒線體為何是「半」自主胞器？ 細菌常透過水平轉移交換基因，這也是抗藥性為何那麼難對付。而粒線體也能把DNA轉移到核內，這導致目前粒線體成為只保留了部分自身基因的「半自主胞器」。 這樣的轉移為什麼會發生呢？因為粒線體死亡時釋出的基因有部分會跑到細胞核內。漸漸地，粒線體們就可以不必保留這些基因，將複製及轉錄的工作統一外包給細胞核，既有效率又安全得多。 這種基因轉移仍持續發生，因此理論學家認為總有一天粒線體會完全躺平，把所有基因丟進核內。但是為什麼這件事從來、也從未在任何一種物種發生？1993年艾倫主張，呼吸作用需要嚴密調控(否則會產生很多自由基)，因此每個粒線體需保留一支基因前哨部隊，因應自身狀況進行各別調控。 📌為何大多數生物是「兩種」性別？ 我們知道哺乳動物有XY染色體、鳥類有ZW系統、昆蟲甚至用有無受精決定性別，更別說魚和爬蟲類有更多不同方式。在這麼多方式中，作者認為產生性別的關鍵因素，是因為親代只有一方的粒線體能被遺傳下去。 書中提出一個神奇的觀點，最早的「性」，是粒線體在環境惡化時透過自由基訊號，促使宿主細胞跟別的細胞融合，藉此重組基因度過逆境。 然而這種融合開啟了雙方粒線體主導權的競爭，演化的結果是粒線體大都只由母系遺傳。這也是為何大多數生物只有兩種性別，否則主導權競爭將會更為複雜。 (然而還是有例外，像是部分菌類有不只一種性別，研究也發現部分生物(包括人)擁有父系的粒線體DNA。) 📌細胞凋亡是自殺還是他殺？ 多細胞生物中，老舊或不要的細胞會透過粒線體開啟一連串酵素反應，自己靜靜的分解、消失。這個稱作「細胞凋亡」的機制不但為胚胎雕刻出一根根的手指，也為我們排除可能癌化的細胞。 然而研究顯示，細胞凋亡可能不是多細胞生物為了整體利益演化而來的自殺機制，而是早期粒線體為了逃出不健康宿主策劃的他殺案件。其中一個證據是凋亡相關的基因幾乎都源自於細菌(除了AIF，細胞凋亡因子)。 隨著粒線體漸漸在共生關係中失去自主能力，這種殺死宿主的機制等於自殺，也因此作者主張，此時粒線體在逆境時不再殺死宿主，而是促使宿主細胞與其他細胞融合。一直到多細胞生物出現之後，細胞凋亡的機制才又再度被拿來使用。 📌為什麼我們會變老？ 年歲增長會伴隨疾病或是器官、組織的衰退，但即便最健康的老鼠也無法擁有人類的壽命，因此老化的機制一定是不同物種隨著基因決定好的，而不是後天健康狀況決定。這個刻在基因中的機制又是什麼呢？ 在看這本書之前，我一直都以為是由染色體末端的「端粒」決定的，當這段序列在一次次複製過程中慢慢減損，最終會減損到無法保護染色體，導致細胞死亡。(雖然我們有協助合成端粒的端粒酶，避免端粒在遺傳的過程中越變越短，但科學家發現端粒酶會隨著老化慢慢失去功能。) 本書作者主張，端粒在不同物種運作模式不同，因此不太可能是老化的根本原因；最根本的原因，是粒線體在呼吸作用時產生的自由基滲漏會破壞粒線體本身，因此通常一個物種的代謝率越快，壽命就會越短。 而研究發現同代謝率的鳥類相較哺乳類更長壽也更健康，作者用一個很有趣的比喻來解釋：鳥類細胞具有較多的粒線體，就像一家聘僱較多員工的公司，能輕鬆應付大額的工作量(例如產生飛行所需的能量)；相較之下哺乳動物細胞像一家精簡人事成本的公司，當接到額外工作時就逼迫員工加班，造成員工比較不健康。 基於這個理論，作者認為若我們能找到方法，為自己聘僱更多粒線體員工，就能變得更長壽也更健康。 -------以下是想記錄的句子----- “細菌彼此合作和競爭了將近四十億年，然而真核細胞只誕生過一次。獲得粒線體，是生命史上極為關鍵的一刻。” “如果把生命的膠卷從頭開始重複播放，歷史會無情地重複，一遍一遍地讓人類爬上演化的巔峰嗎？” (“無恆變形蟲的DNA含量是人類的兩百倍，可是它的基因數目遠少於人類，而且他們很明顯地不像人類那麼複雜。這古怪的矛盾被稱為C值悖論。”) “你的身體是具機器，它耗費的能量超乎你的想像。甚至當你舒適地坐在那裡時，身體每單位質量每秒轉換能量的速度也高達太陽的一萬倍。” “在粒線體出現後，生命簡直是註定要變得複雜。驅動我們邁向更高複雜性的力量來自體內，而不是天上。” (“這幾年來，我們發現有些細菌具有線性的染色體，有些有細胞核，有些有細胞骨架，還有些有內膜系統，這些特徵都曾被認為是專屬於真核生物的。那些所謂的決定性差異最經過更詳細的檢驗後幾乎都被推翻了。極少數屹立不搖的差異之一就是基因的數目。”) “掠食行為往往會挑起演化上的軍武競賽，掠食者和獵物爭相長得愈來愈大：這就是紅皇后效應，為此雙方都必須不停歇地奔跑，才能維持地位不變。” “骨骼的強度取決於截面積，巨人的骨頭會比我們有力一百倍，但他們的負重量是我們的一千倍。” “溫血特性遠遠不只是在寒冷的環境裡保持溫暖而已，它為生命打開了一個全新的能量次元。” “體溫較高時速度和耐力會因此增強，而這明顯會帶來許多優勢” “細胞凋亡(Apoptosis)這個名稱本身，是在一九七二年由阿伯丁大學凱爾、韋立和柯里創造出來的，他們聽從該校的希臘語教授寇馬克的建議為其命名(意思是「衰微」)” “在細胞的層級上，只從雙親中的一方繼承粒線體正是性別的一種定義屬性。粒線體或許一度推動了性的出現，卻將兩種性別永永遠遠地留給了我們。” “我們不禁想問，只有一種性別有什麼問題嗎？這可以讓每個人的伴侶選擇都增加為兩倍，而且也可以確實地讓同性戀和異性戀間的區別消弭於無形；大家都開心，這樣不行嗎？” “我們每個人的身上都有一座滴答作響的時鐘，而時鐘運轉的速率由我們的基因決定。” “治療(或至少延緩)老年疾病的最佳方式，就是限制呼吸鏈的自由基滲漏。” “就算它們沒有指引我們生命的意義，也至少，可以稍微解釋生命為什麼是這般模樣。如果連生命都解釋不通，那這世界上還有什麼是有意義的呢？” ------------------ 出版社：貓頭鷹 出版日：2020/11/14 -------------------