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⑩ 这个推测显得有些奇怪:睾丸的代谢率真的那么高,甚至比心脏、大脑或飞行肌肉等组织还高?其实不一定。但这里的关键是线粒体能力是否能满足代谢需求。可能是因为睾丸的高峰代谢需求确实更大,也可能是应对需求的线粒体数量较少,所以每个线粒体平均承担的需求较高。这是个很容易检验的假设,不过据我所知,还没有进行实验验证过。
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⑪ 我的猜想是,自由基信号可能在胚胎发育的某个阶段被故意强化。比如,一氧化氮(NO)可以与细胞色素氧化酶(呼吸链的最后一个蛋白复合体)结合,增加自由基泄漏,让细胞更容易发生凋亡。如果在胚胎发育的某个阶段释放大量一氧化氮,效果就是放大自由基信号;如果超过某个临界值,基因组不匹配的胚胎就会被终结。这就像是一个苛刻的检查站。
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⑫ 卵子形成过程中,如果减数分裂的最后一步,即染色体分离失败,产生的一个卵子会带有某条染色体的两个副本。这个卵子如果与正常精子结合受孕,受精卵中就有这条染色体的三个副本,出现三体缺陷。由于超过了正常体细胞的两个副本,这条染色体上所有的基因都会出现表达剂量问题,而基因网络的协作对剂量是非常敏感的。所以绝大部分三体缺陷都是致命的遗传病,等不到发育完成就会杀死胚胎,造成早期流产。人类21号染色体长度很短,上面的基因很少,基因表达剂量变化的敏感性也较低。所以,21号染色体三体的胎儿一般可以存活,但遗传病仍然不可避免,即唐氏综合征(Down’s Syndrome)。——译者注
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⑬ 巴尔哈发现,以自由基泄漏和消耗的氧气之比来衡量,鸽子和虎皮鹦鹉这样的鸟类,自由基泄露速率是大鼠和小鼠的1/10;实际速率随所在组织的不同而不同。巴尔哈还发现,鸟类细胞的脂质膜对氧化损害的抵抗力比不会飞的哺乳动物更强,使它们的DNA和蛋白质更少受到氧化伤害。综合来看,很难用其他理由来解释这些发现。
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⑭ 我叫它“反应性生物合成作用”(reactive biogenesis):线粒体局部的自由基信号发出警告——呼吸能力太低不足以满足需求,个体线粒体做出反应。具体机制是,呼吸链呈高还原态(电子拥塞),电子就会逃逸出来,与氧气直接反应,产生超氧自由基。这些自由基会与线粒体中控制基因复制的蛋白质(转录因子)互动。有些转录因子具有氧化还原敏感性,它们包含某些特殊的氨基酸(如半胱氨酸,cysteine),可以获取或失去电子,即容易被还原或氧化。一个很好的例子是线粒体拓扑异构酶I(topoisomerase-I),它控制线粒体DNA与蛋白质的接触。如果它的某个关键半胱氨酸被氧化,线粒体生物合成就会加强。因此,局部的自由基信号(它们从不离开线粒体)会增加线粒体的能力,根据需求提高ATP的生产。这种对突然变化做出反应的局部信号,能够解释为什么线粒体保留了一个小小的基因组(见第五章)。
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⑮ 这听起来有些矛盾:大型动物通常有比较低的代谢率(以单位体重计算);但是我也说过,雄性哺乳动物通常体型较大,代谢率也较高。不同物种之间的体重差异可以高达好几个数量级,相比起来,同一物种内部的体重差异微不足道。在这样的尺度下考虑,同一种成年生物的代谢率实际上都是一样的(幼体的代谢率比成体要高一些)。前面我谈到的两性之间代谢率差异,是指发育过程中某个阶段绝对生长速率的差异。如果密特沃克的理论正确,这种差异足以造成身体左右两边的发育差异。详见第247页的脚注。
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⑯ 还可能有更糟的代价。清除受损线粒体的最好办法,就是强迫身体使用它们,加快它们的替换。比如,高脂肪饮食能强迫我们更多使用线粒体,而高碳水化合物饮食则会让我们更多使用发酵作用提供能量,线粒体反而用得不多。但是,如果你患有线粒体疾病(我们上年纪后都会累积有缺陷的线粒体),可能无法承受这样的饮食转换。有些线粒体疾病患者采用生酮饮食(ketogenic diet,即高脂肪、蛋白质充分、低碳水化合物的饮食)后会陷入昏迷,因为没有发酵作用的帮助,他们受损的线粒体无法提供正常生活需要的能量。
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⑰ 我在过去的著作《线粒体:能量、性、死亡》和《生命的跃升》中详细讨论过有氧代谢能力与内温性演化之间的相互影响。如果你有兴趣多了解一些,我只能鼓起勇气毛遂自荐。
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复杂生命的起源 后记 来自深海
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在日本伊豆小笠原群岛海域某处超过1,200米深的海底,有一座名为明神海丘(Myojin Knoll)的火山。十多年来,一组日本生物学家在这片水域拖网打捞,搜寻有趣的生命形态。据他们报告,一开始并没有找到什么让人意外的东西,直到2010年5月,他们捞起了一些附着在深海热液喷口附近的多毛纲蠕虫。有趣的并不是这些蠕虫本身,而是蠕虫身上的微生物——其实只是其中一个细胞。它乍看起来很像真核生物(图37),但是仔细观察之后,就成了最耐人寻味的谜团。
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图37 来自深海的独特微生物
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这是原核生物还是真核生物?它有细胞壁(CW)、细胞膜(PM),还有被核膜(NM)环绕的细胞核(N)。它还有几个内共生体(E),看起来有点像氢酶体。这个细胞非常大,长约10微米;细胞核也很大,占了细胞体积的40%。它显然是一个真核细胞吧?错。它的核膜是单层膜而非双层,也没有核孔复合体,只有一些不规则的间隙。细胞核中有核糖体(斑驳的灰色区域),外面也有。核膜和其他的内膜连续,甚至和细胞膜也连续。DNA的形状与细菌一样,是直径2纳米的细纤维,而不是像真核生物那样的染色体。所以,它显然不是真核生物。我的猜测:这个神秘的细胞是一个获取了细菌内共生体的原核生物,正在重演真核生物的演化之路;它正在变得更大,基因组正在膨胀,正在累积高复杂度需要的原材料。但这是唯一的样本。由于没有进行基因组测序,我们可能永远无法知道答案。
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真核生物的字面意思就是“真正有细胞核”的生物。捞自明神海丘的细胞,其中有个结构粗看起来很像是一个正常的细胞核。它还有层层叠叠的内膜系统,也有一些内共生体(可能是氢酶体,一种从线粒体演化而来的构造)。它与真菌和藻类等真核生物一样也有细胞壁,但是没有叶绿体。这并不让人意外,毕竟它来自漆黑的深海。细胞的尺寸较大,长约10微米,直径约为3微米,体积大约为大肠杆菌等典型细菌的100倍。它的细胞核也很大,占了细胞差不多一半的体积。表面上看,这个细胞不属于任何已知的分类,但它显然是真核生物。你或许会想,只需要花点时间进行基因测序,就能在生命树上找到它合适的位置。
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但是再仔细看看!确实,所有的真核生物都有细胞核,但是所有的例子中,细胞核的结构都基本相似。细胞核都有双层膜,和其他细胞内膜连续;都有核仁,核糖体RNA在此合成;核膜上都有精细的核孔复合体,以及弹性核纤层;DNA都被小心翼翼地包裹在蛋白质中,形成染色体;染色体是较粗的染色质纤维,直径有30纳米。在第六章我们介绍过,真核生物的蛋白质由核糖体合成,而核糖体一定在细胞核之外,这是细胞核与细胞质最基本的区别。而明神海丘细胞呢?它只有单层核膜,上面有一些缺口,没有核孔。它的DNA是细菌式的极细纤维,不是真核生物式的粗大染色体,直径只有2纳米。它的细胞核中有核糖体。我再强调一遍:细胞核中有核糖体!当然,细胞核外也有。它的核膜在好几处与细胞膜连续。那些内共生体可能是氢酶体,但是其中一些的三维重建模型呈细菌式的螺旋状;它们看起来像是新近才被宿主获取的细菌。细胞虽然有内膜,但没有任何类似于内质网、高尔基体和细胞骨架的结构,而这些都是典型的真核生物特征。也就是说,这个细胞实际上与现代的真核生物差异很大,只是表面相似而已。
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