人类进化的关键推手——线粒体：为了更加高效地使用能量

张成岗

北京中医药大学生命科学学院

2020.07.31 22:59:36

从动物进化到人类，是生命起源之后的重大事件，长期以来都是生命科学和生物医学领域的研究重点。从大约36亿年前地球上开始出现细菌、真菌等微生物，并逐渐出现藻类、植物、动物和人类，经历了十分漫长的过程。这一过程虽然在时间尺度上表现得十分漫长，然而，实际上却是一个关于生命系统如何实现能量高效利用的过程，这是因为在从原核细胞向真核细胞、以及从动物向人类的进化过程中，正是由于线粒体这个非常重要、而又非常特殊的细胞器的出现，才能让真核细胞获得通过氧化磷酸化充分释放蕴藏于富能有机物中能量的能力，实现真核细胞和高等生物对能量的高效利用，从而加速推动生命系统的进化过程，最终形成丰富多彩的动物世界，并推动人类的出现。

一、        地球大气氧浓度增加是原核生物发展为真核生物的关键因素

从原核细胞进化到真核细胞，是地球生命系统发展与进化的重要过程。这个过程不仅与能量的高效利用密切相关，而且也可以理解为能量推动的必然结果，其中最为关键的则是蓝藻和绿色植物在光合作用推动下，地球大气环境从无氧到有氧、从低氧到高氧的变化过程，为复杂生命系统使用线粒体向真核细胞高效提供能量起到了关键作用。

在生命起源方面，近年来大量研究显示，最初的生命是从“海底热泉（即‘海底黑烟囱’）”开始的，包括出现古细菌（如产甲烷古菌、硫酸盐还原古菌、极端嗜盐菌、极端嗜热古菌、嗜热嗜酸古菌等）等。早期生命起源发生在海底充满高压、无氧的严酷环境中，缓慢而持续地发展着原始生命^[1-3]。除过古细菌之外的细菌则是真细菌，其所生活的环境不像古细菌的生活环境这么极端和严酷，例如作为真细菌的大肠杆菌，生活在类似于人体肠道这样的环境中。古细菌是严格厌氧的，而真细菌中有的是厌氧菌、有的则是兼性厌氧菌。原始生命出现在还原性水溶液的环境中，代谢类型属于异养厌氧型。自从出现了光合细菌和蓝藻之后，原始大气中有了氧气，才出现了兼性厌氧型细菌和需氧型细菌^[4]。需氧型细菌（即“好氧菌”）包括硝化细菌、枯草杆菌、谷氨酸棒状杆菌、乳糖发酵短杆菌、散枝短杆菌、黄色短杆菌、噬氨短杆菌等。通常能够在空气中正常生活的绝大多数细菌都是需氧型细菌；而某些腐生细菌、深层土壤细菌、破伤风杆菌、乳酸菌等少数细菌只有在无氧条件下才能生活，是厌氧型细菌。很多厌氧菌同时也是致病菌即病原微生物，在所有临床厌氧菌感染中，以拟杆菌属为最多。直至今天，这些微生物也在适合于其所生长的地球自然环境中生存，延续着从生命起源以来的繁殖过程。

作为最早出现的光合放氧生物，蓝藻对地球表面从无氧的大气环境变为有氧环境起了巨大作用。随着蓝藻的大量繁殖和绿色植物的出现，光合作用不断增强，使得地球大气中的氧气含量逐渐增高^{[5, 6]}。这些持续增加的氧气，为后续的生物体通过氧化磷酸化，将蕴含于含碳有机物（如葡萄糖、脂肪等）中的能量通过充分的氧化过程进行释放提供了必要条件，而真核细胞中的线粒体则是实现该功能的细胞器。

二、        线粒体承载了通过氧化磷酸化实现能量高效利用的进化使命

由于早期生命（细菌等微生物）起源于无氧环境，缺乏应对由于氧气不断增加而带来的氧化压力，因此，无论是水中还是地球大气中逐渐增加的氧气浓度，对这些适应无氧环境下的细菌就造成来自于氧气的生存压力，例如厌氧细菌在有氧环境下出现生长停滞现象，直到所在环境重新出现无氧状态才会继续生长。在蓝藻和绿色植物通过光合作用将地球大气中氧气浓度持续推高的环境下，有的细菌为了生存，只能通过进化，发展出能够适应氧气、并利用氧气的功能，从而确保其物种的延续，其中，就包括目前被认为是线粒体祖先的“α-变形菌”^{[7, 8]}。

在细菌摄食过程中，吞噬是一种常见的现象，能够让细菌更快地获得能量，用于维系生命和繁殖后代。在细菌吞噬过程中，有时会出现一个细菌直接吞噬另一个细菌的情况。当被吞噬的细菌（如α-变形菌等）已经具备对氧气进行利用的功能，那么，这两个细菌之间就可以形成一个彼此有利的“共生”体系，其中的需氧细菌帮助宿主细菌通过消耗氧气而减少氧气对宿主细菌的毒性伤害，而宿主细菌则为该需氧细菌提供能量而生存，从而体现出“互惠互利”的共生现象。由于该需氧细菌不再需要自行摄食，因而会随着和宿主细胞的共生与协同进化而丢弃大量相关与摄食相关的基因，逐渐进化为只利用葡萄糖和脂肪等特定营养物质、并终生生存于宿主细胞中的细胞器即线粒体，这就是目前被广泛接受的关于线粒体起源的“内共生学说（endosymbiotic theory）”。在此过程中，原核细胞逐渐实现了经过原始真核细胞向真核细胞的进化^[9-12]。

因此，线粒体是从原核生物向真核生物进化过程中必不可少的关键因素，且与地球大气中氧气浓度的增加、部分细菌（如α-变形杆菌等）对氧气的适应性以及吞噬所导致的协同进化密切相关，这是因为只有在氧气存在的情况下，储存在葡萄糖和脂肪等含能有机物中的能量，才能够通过充分氧化而被释放出来，为细胞所利用。在缺乏氧气的情况下，糖酵解的产能效率非常低，一个葡萄糖分子只能产生2分子的ATP；而在氧气充足的情况下，则能够通过充分的氧化，将葡萄糖氧化成二氧化碳和水释放能量，1分子葡萄糖可生产30或32分子的三磷酸腺苷，相当于无氧酵解产能效率的15-16倍，显然能够为细胞提供更多的能量。

由此可见，随着线粒体这个特殊细胞器的出现，地球生命系统对于能量的利用，从低效率的无氧酵解到高效率的有氧代谢，为生命世界从低等向高等、从低级向高级的发展，起到了不可或缺的推动作用。

三、        线粒体是促成动物进化的关键推手

在长达数十亿年的地球生命进化过程中，先后经历了细菌、真菌、藻类、植物、动物以及人类出现等一系列复杂过程，体现了地球生命从简单到复杂、从低级到高级、从水生到陆生、从单细胞生物到多细胞生物、从原核生物到真核生物乃至复杂生命巨系统的进化过程。在此过程中，真核细胞对能量的利用方式和效率也在发展和进化，从最初低等生物的无氧酵解到高等生物的有氧代谢，作为进化产物的线粒体，被自然选择成为实现氧化磷酸化不可或缺的细胞器，对于动物以及人类的进化与发展，也起到了巨大的推动作用。

前已述及，在地球生命发展过程中，随着蓝藻和绿色植物持续吸收光能，通过基于叶绿体的光合作用，将二氧化碳和水合成富能有机物，同时释放氧气，导致大气中的氧气浓度不断升高，为需要大量能量生存的动物、尤其是大型动物的出现，提供了客观条件。考古学研究发现，在距今约5.3亿年前被称为寒武纪的地质历史时期，地球上在2000多万年时间内，突然涌现出各种各样的动物，它们不约而同地迅速起源、并且几乎立即出现。节肢动物、腕足动物、蠕形动物、海绵动物、脊索动物等一系列与现代动物形态基本相同的动物，在地球上集体、爆发式出现，形成了多种门类动物同时存在的繁荣景象。对于该现象有多种解释，其中1965年两位美国物理学家提出寒武纪生命大爆发是由于地球大气的氧气所造成的。他们认为，在早期地球的大气中含有很少或根本就没有氧气，氧气是前寒武纪藻类植物进行光合作用的产物并逐渐积累形成的^[13-15]。和原生动物（单细胞动物）相比，进化出具有多细胞组织结构的后生动物需要大量氧气，一方面用于呼吸作用，另一方面氧气还能够以臭氧的形式在大气中吸收大量有害的紫外线，使后生动物免受来自于太阳的强烈紫外线辐射的损伤^{[16, 17]}。

众所周知，昌盛于侏罗纪时代、以恐龙为代表的大型动物曾经是地球陆地生态系统的主宰者，与当时有大量可供食用的植物和动物以及藻类和绿色植物能够大量制造出氧气密切相关。当时地球表面的氧气比现在要多出20%^[18]。作为食物的植物和动物，为恐龙提供了丰富的碳源（富能有机物），而充足的氧气则为在线粒体中充分氧化这些碳源释放能量提供了必要条件^[18]。对于真核生物而言，正是依靠线粒体这个极其特殊的细胞器为其高效地提供能量，才使得这些动物能够自由自在地发展进化，或在长空翱翔，或在海洋巡游，或在草原飞奔，或在陆地驰骋，构成了丰富多彩的动物世界。在自然进化力量的持续推动下，从动物进化到人类的出现，也是必然的发展结果，为通过人类智慧理解自然并促进人类社会的发展，奠定了重要基础。

四、        线粒体是人类进化的关键推手

从进化角度而言，在自然选择力量的作用下，自然界将线粒体向动物细胞和组织提供、作为细胞动力工厂的特定细胞器而固定下来，并在从动物向人类的进化过程中，将线粒体的结构和功能继续保持使用，从而体现出作为高效率能量代谢枢纽的线粒体在推动人类进化过程中，也同样发挥着关键推手的作用。

从结构和功能上来说，真核细胞的呼吸作用是由位于线粒体内膜上被称为线粒体氧化磷酸化系统的四个呼吸链蛋白复合物I-IV分步骤完成，具体包括复合物I（NADH脱氢酶）、复合物II（琥珀酸脱氢酶）、复合物III（细胞色素c还原酶）和复合物IV（细胞色素c氧化酶）。所有这些复合物都是由众多蛋白亚基和多个电子传递辅基组成的。这四个膜蛋白复合物组成线粒体呼吸链，负责将机体消化食物所得到的还原型分子NADH和FADH2上的电子逐级传递给氧气生成水分子，同时复合物I、III和IV完成从线粒体基质向线粒体膜间隙转运质子（H⁺）的功能。内外膜之间质子浓度梯度促使质子通过复合物V回流，合成生物体所需的ATP分子，为细胞和机体提供能量，从而赋予了动物和人类强大的生物能量利用能力^[19-23]。

目前一般认为人类是在200万年到20万年左右出现的，在进化过程中显然继承了动物、尤其是灵长类动物中，已被自然选择所确定的结构与功能，包括线粒体这样的特殊细胞器^[24-26]。与其他动物相比，人类显然更需要能量，尤其是高度进化的人脑，需要消耗大量能量来实现人脑的各种功能需求，并发展出高超的人类科技。就人体本身而言，通常人体每天需要2000左右千卡的能量维持代谢平衡，运动员则需要翻倍或更多的能量，用来补充身体能量在高强度训练和比赛期间的大量消耗。在人体组织器官中，人脑会消耗大量氧气，虽然人脑仅占人体体重的2%左右，但是人脑的耗氧量却占人体总耗氧量的20%以上，为人脑提供充足的能量供应。当我们集中精力认思考问题、备战考试的时候，大脑血流量将显著增加，甚至可感觉到额头发烫，说明大脑正在大量使用能量进行代谢，其中主要依靠神经细胞中的线粒体通过氧化磷酸化的方式为人脑提供能量。

在人类繁衍过程中，线粒体作为从亲代向子代提供能量生成的细胞器，也起到了非常重要的遗传作用，其中最重要方面就在于将亲代的线粒体向子代进行遗传，从而直接赋予子代个体的氧化产能功能。在卵细胞和干细胞中，含有大量线粒体（一个卵细胞中含有10-20万个线粒体），为这些具有分化为机体各种能力的细胞提供能量需求的充分保障^[27]。与卵细胞中的情形相反，精子中线粒体的数量相对较少，而且会随着精子功能状态发生变化。精子在运动过程中，通过线粒体为其提供运动所需能量的同时，线粒体的数量也在不断地消耗而减少。当精卵结合的时候，精子中的线粒体几乎已经消耗殆尽，从而使得受精卵中的线粒体基本上都是由卵细胞提供的，即线粒体的遗传属于“母系遗传”的方式^[28]。在人类进化学说中，“线粒体夏娃（mitochondrial Eve）”被认为是人类的共同母系祖先，现今人类体内的线粒体均从这个母系祖先遗传而来，在研究人类起源与进化方面具有重要意义^{[29, 30]}，进一步体现出了线粒体对于人类进化的重要性。

五、        总结与展望

总体而言，生命的起源与进化为地球提供了纷繁复杂的生命现象，使得地球因生命而变得生动起来。从动物到人，需要大量能量，而高效率的能量需求则需要通过线粒体来保障，因此，将线粒体视为人类进化的关键推手，是毫不为过的。如果自然界没有进化出可高效提供能量的线粒体或者能够实现类似功能的细胞器，那么很难想象人类能够被进化出来。

在分析和理解人类进化的过程中，仍然需要突出强调的是，即便是身居生命世界进化顶端的人类，细胞代谢所需的能源却是由线粒体这样特殊的、本质上来源于微生物的细胞器所提供，这说明自然界在生命起源与进化过程中，充分利用了进化上先出现的微生物的结构与功能，并在进化过程中选择出线粒体为人体细胞提供能量，而人体细胞则通过细胞质的微环境，为线粒体的生存和复制提供所需条件（包括水、氧气、葡萄糖、脂肪等），两者维系着“互惠互利、共生共赢”的合作关系。由此可见，人体本来就是伴随着线粒体这样特殊的原核生物细胞器协同进化的，以这种巧妙的共生方式，实现了人体对于生物能量的高效利用。

纵观生命现象和人类的进化史，不妨可以理解为一个关于生物能量使用效率不断发展进步的历史，甚至也可以这样认为，自然界在发展如何更加高效率使用能量的过程中，进化出了生命、并最终从动物进化到了人类。人类既是自然界生命进化的产物，同时也体现了自然界对能量利用的新方式，而最终人类则更加能够通过自己的智慧，突破生命能量的局限性，通过科学技术发展出更加高级的能量使用方式，包括核能的和平利用，从而推动人类文明的新发展。虽然人类从动物进化而来，然而人类并不会只是局限于动物性的进化层面，而是会不断地向着下一步的目标持续发展，寻求更多的知识和智慧，毕竟人与动物的最大区别是人类具有独一无二的智慧。因此，我们不妨可以进行科学推测和合理判断，在人类智慧的推动下，通过持续不断的科学研究与技术发展，在不久的将来，人类不仅将能够厘清地球生命进化的脉络，而且还将能够通过把握生命的本质而获得更好的身心健康与科技发展，并逐渐揭示出人类存在的意义和价值所在。

六、        参考文献

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