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自然选择是盲目而无情的。基因持续从线粒体向细胞核迁移，如果新的配置运行较好，基因就会留在新家；如果不好，惩罚就会降临，多半以死亡的形式。最终，几乎所有的线粒体基因不是彻底丢失，就是搬到了细胞核内，只剩下一小队不可或缺的基因留在老家。这种盲目的选择正是嵌合式呼吸链的成因。盲目，但行之有效。任何一个有智慧的工程师都不会这样设计；但是，以两个细菌之间的内共生作用为起点，自然选择要创造出一个复杂的细胞，这是唯一的方式。我们将在本章中探讨嵌合式线粒体带来的种种后果：从这种基因配置出发，可以对复杂细胞的特征做出多少预测？我的观点是，对嵌合式线粒体的自然选择，确实可以解释真核生物某些最令人费解的共同特征。这些选择的后果包括我们的健康、品质、生育力和寿命，甚至还远远关系到人类的物种演化史。
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论物种起源
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我们知道自然选择的作用。但自然选择的作用究竟如何发挥，又具体作用在哪里？很多基因序列留下了痕迹，见证了线粒体基因与核基因在自然选择压力下相互适应的历史。我们可以比较一段时间内线粒体基因和核基因的改变速度，比如黑猩猩与人类或大猩猩分离之后的数百万年时光。我们立即就能发现，直接互相关联的基因改变速度大致相同，比如编码呼吸链蛋白的各个基因；而其他核基因的改变（演化）速度则慢得多。很明显，线粒体基因的变化会导致与它们互动的核基因发生代偿性改变（compensatory change），反之亦然。所以我们知道发生了某种形式的自然选择。问题在于，这样的相互适应是通过什么样的过程进行的？
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答案就藏在呼吸链的生物物理结构中。考虑一下，如果线粒体基因组与核基因组配合不佳，会发生什么？电子会照常进入呼吸链，但是配合不良的基因组会制造出配合不良的蛋白质。某些氨基酸之间的电荷互动（氢键）会被打断，一两个氧化还原中心之间可能会比正常距离远了1埃，结果是电子在呼吸链中流向氧气的速度只有正常速度的零头。由于下游的氧化还原中心腾空缓慢，电子无法向前移动，只能在上游的中心堆积。呼吸链变成了高还原态，各个氧化还原中心塞满了电子（图32）。前几个氧化还原中心都是铁硫簇，其中的铁在高还原态下会从Fe3+变成Fe2+（被还原）。Fe2+可以直接与氧气反应，生成带负电的超氧自由基O2·–（superoxide radical）。该符号中的黑点代表一个未成对电子，也就是自由基的定义特征。一旦产生了自由基，麻烦就大了。
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图32 线粒体在细胞死亡中的角色
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小图A显示正常电子流沿着呼吸链流向氧气（波浪箭头），提供泵出质子的动力，质子从ATP合酶的回流（右边）驱动ATP合成。三个嵌在膜上的呼吸蛋白呈浅灰色，代表这些复合体的还原态不高，电子没有累积在复合体中，而是快速通过，传递给氧气。小图B显示在线粒体基因组与核基因组不兼容的情况下，电子流变慢所导致的各种结果。更慢的电子流会降低氧气消耗量，限制质子泵出数量，降低膜电位，妨碍ATP合成。深灰色的蛋白复合体代表电子在呼吸链中迟滞堆积的状态。复合体I呈高还原态，因而很容易与氧气直接反应，形成超氧自由基等自由基分子。小图C中，如果这种状态不能在几分钟内得到缓解，自由基分子就会与膜脂质发生反应，特别是心磷脂，使细胞色素c从膜上脱离（小图A和B中松散连在膜上的小蛋白质，在小图C中脱离了）。细胞色素c的流失会完全中断电子流，让呼吸蛋白的还原态更高（现在用黑色表示），进一步增加自由基泄漏，使膜电位和ATP合成崩解。这些因素会共同启动细胞的程序性死亡，导致细胞凋亡。
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细胞中有很多机制都能迅速清除累积的超氧自由基，尤其是超氧化物歧化酶（superoxide dismutase），但是这类酶的合成数量会受到严格的调控。太多的话，反而会有关闭局部报警信号的风险。自由基就像火灾放出的烟雾；光是除掉烟雾并不能解决问题。现在的根本问题在于两个基因组的运作配合不良，电子流动受阻，因此产生超氧自由基，就像冒出的烟雾警示着火灾的发生。③自由基数量超过一定的阈值，就会氧化附近的内膜脂质，尤其是心磷脂（cardiolipin），这会造成一种呼吸蛋白——细胞色素c脱离内膜，因为细胞色素c通常都松散地系留在内膜的心磷脂上。细胞色素c是呼吸链中电子通往氧气的必经之路；失去了细胞色素c，电子再也无法到达呼吸链的终点，电子流也就完全中断。没有电子流就没有质子泵，膜电位也会很快崩解。所以，呼吸作用中的电子流有三个变化阶段：首先是电子流减缓，ATP合成速度随之降低；然后是高还原态的铁硫簇与氧气直接反应，产生大量自由基，导致细胞色素c脱离内膜；最后，没有什么措施来补救这些变化，线粒体膜电位就会崩解（图32）。
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我刚才描述的，是细胞内部的一系列奇特过程，首次发现于20世纪90年代中期，在当时的生物学界引起了“一片目瞪口呆”。这就是细胞程序性死亡（或称细胞凋亡，apoptosis）的触发机制。细胞进入凋亡程序后，如同以精心编排的芭蕾舞动作自杀，上演着细胞版的“天鹅之死”④。它不会简单地分解成碎片，而是会从内部释放出一大群蛋白质刽子手：半胱天冬酶（caspase enzyme）。它们会把细胞中的DNA、RNA、碳水化合物和蛋白质等大分子切成碎片。这些碎片会用小块的细胞膜包起来，形成一个个囊泡，再喂给周围的细胞。几个小时之内，这个细胞的一切存在都会消失，连一丁点历史痕迹都不会留下。整个过程干净利索，就像克格勃在莫斯科大剧院抹去某个人的存在。⑤
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对多细胞生物来说，细胞凋亡完全合理。胚胎发育时期需要这样的过程来塑造组织，也需要它来清除和替换受损的细胞。真正令人惊讶的是线粒体在这个过程中的中心地位，尤其是最标准的呼吸蛋白——细胞色素c的关键作用。为什么细胞色素c从线粒体泄漏，会成为细胞的死亡信号呢？这个机制自从发现以来，变得越来越神秘。现在我们发现，这一整套事件，包括ATP水平下降、自由基泄漏、细胞色素c泄漏和膜电位崩解，是所有真核生物共有的信号。从植物细胞到酵母菌，面对这套信号的共同反应都是自杀。这出乎所有研究人员的意料。然而，从基本原理出发，考虑自然选择作用于两个基因组的话，这是不可避免的结果，而且可以预料它是所有复杂生物共有的特征。
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如果线粒体基因和核基因不能协调工作，电子在配合不良的呼吸链上拥塞，生物物理过程的自然结果就是细胞凋亡。这个例子完美展现了自然选择如何雕琢一个必然发生的过程的：这是一种经由自然选择精雕细琢的天然趋势，最终演变成了复杂的基因机制；而在机制的深处，仍然埋藏着它的起源线索。大型复杂细胞若要生存，必须由两个基因组协调工作，否则呼吸作用就会出问题。如果它们配合不佳，细胞就会以凋亡的方式被消灭。这可以看作是一种功能性选择，剔除那些两个基因组不匹配的细胞。正如俄裔演化生物学家狄奥多西·杜布赞斯基（Theodosius Dobzhansky）的名言：“如果不从演化的角度来看，任何生物学现象都没有道理。”
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这样我们有了一个机制，可以淘汰基因组搭配不良的细胞；搭配良好的细胞则会留存下来。很多代之后，结果正如我们所见：线粒体基因组和核基因组互相适应，一个基因组的序列变化会造成另一个基因组的补偿性序列变化。我们在上一章中讨论过，两种性别可以增加雌性生殖细胞之间的多态性。子代的卵子含有亲代线粒体种群的克隆，而不同的卵子放大了不同克隆的差异。有些线粒体克隆种群恰好可以与受精卵的细胞核良好配合，其他的则差一些。协调不够好的细胞都会通过细胞凋亡淘汰，配合运作良好的会存活下来。
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在什么过程中存活呢？对多细胞生物来说，答案显然是发育。从一个受精卵（合子）开始，细胞会不断分裂，形成新的个体。这个过程会受到精密的调控。在发育过程中，意外凋亡的细胞会危及整个发育程序，可能导致胚胎发育失败，造成流产。这不一定是坏事。从自然选择的无情立场来看，与其投入过多的资源、让不够完美的发育完成，不如早点终止。如果任其发育到出生，新个体的核基因和线粒体基因无法兼容，可能导致线粒体疾病；病从胎来，结果就是早夭。另一方面，如果核基因和线粒体基因一出现不兼容的迹象就早早终止发育，生殖力当然会降低。如果不能发育到成熟的胚胎占的比例太高，后果就是生物的不育。子代的品质 vs. 亲代的生殖力，二者之间的利弊权衡是自然选择最核心的意义。何种程度的不兼容会启动细胞凋亡，而哪些情况可以容忍，二者之间的界定必须有精确的控制。
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这些听起来都是干巴巴的理论。而且，兼容与否真的很重要吗？非常重要！至少某些实例显示了它的重要性，而这只是整个生物界的冰山一角。美国斯克里普斯海洋研究院（Scripps Marine Research Institute）的生物学家罗恩·伯顿（Ron Burton）提供了一个最好的例子。伯顿研究加利福尼亚虎斑猛水蚤（Tigriopus californicus，一种海洋桡足类动物）线粒体与核基因的不兼容性，已经超过十年。桡足类是小型甲壳动物，身长1～2毫米，几乎分布在所有的潮湿环境中。伯顿研究的这种水蚤，生活在南加州圣克鲁斯岛（Santa Cruz）的潮间水洼中。他让分布在岛两侧的两群水蚤进行杂交。这两群水蚤的栖息地尽管相隔只有几公里，数千年间却各自独立繁殖。伯顿和同事记录了水蚤杂交中的杂种衰退（hybrid breakdown）现象。有趣的是，两个种群杂交产生的第一代子代并没有受到太大影响；但是，用第一代的杂种雌性与原来的亲本种群雄性回交，产生的后代却出现了严重的病态——用伯顿论文的标题来形容，就是处于“悲惨状态”。这种回交会产生各式各样的后果，但是平均而言，回交杂种后代都很不健康：它们的ATP合成降低了大约40%，反映在存活率、生殖力和发育时间上都显著（这里的发育时间指的是从出生到变态发育阶段所需的时间，取决于身体大小，因此也与生长速度有关）。
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这一切的后代品质问题，都可以归咎于线粒体基因与核基因的不兼容性，用一个简单的办法可以解决：杂种雄性后代与母本的纯种雌性回交，产生的后代品质完全回到了正常状态。反向的实验，即用杂种雌性后代与父本雄性回交，就没有任何好效果，后代不但仍然出现病态，还越来越严重。这些实验结果很容易理解：子代的线粒体永远来自母亲，若要良好运作，与它配合的核基因需要与母亲的核基因尽量相似。但杂交的雄性来自基因差异很大的另一个种群，会让母系的线粒体基因与一套不太兼容的核基因搭配运作。杂交的第一代子代问题还不太严重，因为核基因中还有一半来自母亲，与线粒体配合良好。但是，杂种雌性回交产生的第二代子代身上有75%的核基因来自不匹配的种群，就出现了严重的品质衰退。而将雄性杂种与母本的纯种雌性回交，可以让核基因中来自母本的成分增加到62.5%，与线粒体基因的匹配程度得到提升，个体恢复健康。但是反向的杂交操作结果正好相反，母系的线粒体基因有87.5%与核基因不匹配，难怪它们会呈现悲惨的病态。
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这就是杂种衰退。我们大多数人熟悉的概念是杂种优势（hybrid vigour）：远系杂交产生基因优势，因为亲缘关系较远的个体更不容易在相同基因上出现相同突变，所以，继承自母亲和父亲的等位基因很可能是互补的，可以增进个体的品质。但是，杂种优势也仅止于此。如果真让不同种的生物交配，后代很可能无法存活或无法生育，这就属于杂种衰退。事实上，亲缘关系相近的不同物种之间的生殖隔离，远不如教科书中的理论描述得那样滴水不漏。野生状态下的相近物种通常会因为行为模式的差异而忽略彼此；但在圈养状态下经常可以成功交配。传统的物种定义是，如果两个种群交配后产生的后代不可育，则二者划分为不同物种。对于很多相近的物种来说，这其实并不正确。不过，随着时间推移，不同的物种继续分化，确实会逐渐形成生殖隔离，最终，杂交产生的后代确实不可育。同一物种的不同种群必须各自独立繁殖很久（就像伯顿研究的水蚤那样），杂交时才会开始出现生殖隔离。在伯顿的例子中，杂种衰退完全可以归咎于线粒体基因组与核基因组的不兼容。而这种不兼容，是否造成了物种起源中更普遍的杂种衰退现象？
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我认为有可能。这当然只是众多机制之一，但是在很多物种之中，包括苍蝇、黄蜂、小麦、酵母甚至小鼠，都有这种“线粒体－核”（mi-tonuclear）衰退的现象。真核生物的两套基因组必须协调运作，这意味着物种分化（speciation）是真核生物不可避免的发展趋势。而且它的影响有时比其他机制更明显，原因就在于线粒体基因的演化速度。在桡足类动物的例子中，线粒体基因的演化速度比核基因快了50倍。而果蝇（Drosophila）的线粒体基因演化速度慢得多，只有核基因的两倍。因此，线粒体－核衰退的现象在桡足类动物中比果蝇严重得多。一定时间内，更快的变化速度会导致基因序列出现更多差异；所以当不同的种群杂交时，更有可能出现基因组不兼容的现象。
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为什么动物的线粒体基因演化速度比核基因快得多，原因还不清楚。线粒体遗传学先驱道格·华莱士（Doug Wallace）认为，线粒体处于生物适应的最前线。线粒体基因的快速演变，让动物能够迅速适应食物和气候变化。这是适应的第一步，之后才是更缓慢的形态适应。我喜欢这个理论，虽然至今没有多少证据来支持或反对它。但如果华莱士是正确的，那么适应是通过不断推出新的线粒体基因序列供自然选择而实现的。这些变化除了帮助生物适应新环境，同时也揭开了物种分化的大幕。这符合生物学中一条奇特的老法则，由演化生物学的奠基人之一霍尔丹（J. B. S. Haldane）首先提出。对这条法则的最新诠释，揭示了线粒体－核的相互适应对于物种起源、对于我们自身的健康都有重大意义。
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性别决定与霍尔丹法则
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霍尔丹有很多独具慧眼、令人难忘的观点。1922年，他提出了下面这条著名的法则：
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异种动物相互交配产生的杂种一代中，如果有一种性别缺失、稀少或者不育，那么这一性别就是杂合（heterozygous，也可称为异配heterogametic）性别。
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如果他用的不是“杂合性别”这个艰涩的术语，而是直接说“雄性”，别人会更容易理解，但普适性会差一些。哺乳动物中的雄性是杂合的（或称异形配子），即它们有两种不同的性染色体：一条X和一条Y染色体。雌性有两条X染色体，所以它们的性染色体是纯合的（homozygous），或称同形配子（homogametic）。鸟类和某些昆虫的情况正好相反。它们的雌性反而是异形配子，有W和Z两种染色体；雄性则是同形配子，有两条Z染色体。假设有两个亲缘关系很近的物种，雄性与雌性杂交，生下了可以存活的后代。但仔细考察这些杂种后代会发现，要么所有的后代只有雄性或雌性一种性别；要么虽然两种性别都有，但是其中一种不育或残废。霍尔丹法则指出，这个缺少或者有缺陷的性别，在哺乳类中是雄性，在鸟类中是雌性。自1922年以来，科学家搜集到了多达数百个符合霍尔丹法则的物种，广泛分布在很多动物门中。例外情况非常少，在生物学这个充满例外的领域中格外引人注目。
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霍尔丹法则有很多言之成理的解释，但没有一种可以解释所有情况，所以没有一种能够令人完全信服。比如，一种解释认为，性选择对雄性的影响更大，因为雄性必须彼此竞争以吸引雌性的注意力（准确地说，与雌性相比，雄性之间的生殖成功率存在更大的方差，使雄性性征更加突出，性选择的作用更强）；因此不同动物杂交时，雄性更容易受到杂种衰退的影响。这个解释的问题在于，它无法解释为什么雄鸟反而比雌鸟更不容易受到杂种衰退的影响。
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另一个困难在于，霍尔丹法则广泛适用，似乎超出了性染色体能够解释的范围，在更宽广的演化视野中，只通过性染色体解释演化现象显得有些狭隘。许多爬行动物与两栖动物根本不含性染色体，而是通过环境温度来决定性别。在比较温暖的环境中孵化的卵会发育成雄性；在比较寒冷的环境中孵化的卵会发育成雌性——偶尔也会倒过来。性别显然是动物基础而重要的特征，但不同的物种决定性别的机制五花八门，令人困惑。寄生虫、染色体数量、荷尔蒙、环境因素、压力、种群密度，甚至线粒体，都可能决定动物的性别。即使在性别完全不由性染色体决定的情况下，两种性别之一还是会因为杂交而衰退。这意味着，还有更深刻的机制在发挥作用。决定性别的具体机制如此多样，而两种性别的发育又如此一致，这也意味着性别决定（即雄性发育或雌性发育的过程）应该有一个非常根本的共同基础，不同基因的作用只是表层的细节点缀而已。
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