线粒体作业.docx

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线粒体作业

作业内容：

1、请翻译并思考短文：

（必答）

2、通过了解尼安德特人与人类起源进化的研究重大进展，思考线粒体基因组检测的意义和可能的不足

3、请阅读附加材料，思考“线粒体——世界幕后的统治者”的深邃内涵（二、三题可选一）

4、附加参考文献，供有兴趣的同学阅读

EnergyRevolutionKeytoComplexLife:

DependsonMitochondria,Cells'TinyPowerStations

Nature:

线粒体是复杂生命进化的关键

ScienceDaily（Oct.21,2010）—Theevolutionofcomplexlifeisstrictlydependentonmitochondria,thetinypowerstationsfoundinallcomplexcells,accordingtoanewstudybyDrNickLane,fromUCL（UniversityCollegeLondon）,andDrWilliamMartin,fromtheUniversityofDusseldorf.

"Theunderlyingprinciplesareuniversal.Energyisvital,evenintherealmofevolutionaryinventions,"saidDrLane,UCLDepartmentofGenetics,EvolutionandEnvironment."Evenalienswillneedmitochondria."

For70yearsscientistshavereasonedthatevolutionofnucleuswasthekeytocomplexlife.Now,inworkpublishedinNature,LaneandMartinrevealthatinfactmitochondriawerefundamentaltothedevelopmentofcomplexinnovationslikethenucleusbecauseoftheirfunctionaspowerstationsinthecell.

"Thisoverturnsthetraditionalviewthatthejumptocomplex'eukaryotic'cellssimplyrequiredtherightkindsofmutations.Itactuallyrequiredakindofindustrialrevolutionintermsofenergyproduction,"explainedDrLane.

Atthelevelofourcells,humanshavefarmoreincommonwithmushrooms,magnoliasandmarigoldsthanwedowithbacteria.Thereasonisthatcomplexcellslikethoseofplants,animalsandfungihavespecializedcompartmentsincludinganinformationcentre,thenucleus,andpowerstations--mitochondria.Thesecompartmentalisedcellsarecalled'eukaryotic',andtheyallshareacommonancestorthatarosejustonceinfourbillionyearsofevolution.

Scientistsnowknowthatthiscommonancestor,'thefirsteukaryote',wasalotmoresophisticatedthananyknownbacterium.Ithadthousandsmoregenesandproteinsthananybacterium,despitesharingotherfeatures,likethegeneticcode.Butwhatenabledeukaryotestoaccumulatealltheseextragenesandproteins?

Andwhydon'tbacteriabother?

Byfocusingontheenergyavailablepergene,LaneandMartinshowedthatanaverageeukaryoticcellcansupportanastonishing200,000timesmoregenesthanbacteria.

"Thisgiveseukaryotesthegeneticrawmaterialthatenablesthemtoaccumulatenewgenes,biggenefamiliesandregulatorysystemsonascalethatistotallyunaffordabletobacteria,"saidDrLane."It'sthebasisofcomplexity,evenifit'snotalwaysused."

"Bacteriaareatthebottomofadeepchasmintheenergylandscape,andtheyneverfoundawayout,"explainedDrMartin."Mitochondriagiveeukaryotesfourorfiveordersofmagnitudemoreenergypergene,andthatenabledthemtotunnelstraightthroughthewallsofthechasm."

Theauthorswentontoaddressasecondquestion:

whycan'tbacteriajustcompartmentalisethemselvestogainalltheadvantagesofhavingmitochondria?

Theyoftenmadeastartbutnevergotveryfar.

Theanswerliesinthetinymitochondrialgenome.Thesegenesareneededforcellrespiration,andwithoutthemeukaryoticcellsdie.Ifcellsgetbiggerandmoreenergetic,theyneedmorecopiesofthesemitochondrialgenestostayalive.

Bacteriafaceexactlythesameproblem.Theycandealwithitbymakingthousandsofcopiesoftheirentiregenome--asmanyas600,000copiesinthecaseofgiantbacterialcellslikeEpulopiscium,anextremecasethatlivesonlyintheunusualgutsofsurgeonfish.ButallthisDNAhasabigenergeticcostthatcripplesevengiantbacteria--stoppingthemfromturningintomorecomplexeukaryotes."Theonlywayout,"saidDrLane,"isifonecellsomehowgetsinsideanotherone--anendosymbiosis."

Cellscompeteamongthemselves.Whenlivinginsideothercellstheytendtocutcorners,relyingontheirhostcellwhereverpossible.Overevolutionarytime,theyloseunnecessarygenesandbecomestreamlined,ultimatelyleavingthemwithatinyfractionofthegenestheystartedoutwith:

onlytheonestheyreallyneed.

Thekeytocomplexityisthatthesefewremaininggenesweighalmostnothing.Calculatetheenergyneededtosupportanormalbacterialgenomeinthousandsofcopiesandthecostisprohibitive.Doitforthetinymitochondrialgenomeandthecostiseasilyaffordable,asshownintheNaturepaper.ThedifferenceistheamountofDNAthatcouldbesupportedinthenucleus,notasrepetitivecopiesofthesameoldgenes,butastherawmaterialfornewevolution.

"Ifevolutionworkslikeatinkerer,evolutionwithmitochondriaworkslikeacorpsofengineers,"saidDrMartin.

Thetroubleisthat,whilecellswithincellsarecommonineukaryotes,whichoftenengulfothercells,they'revanishinglyrareinmorerigidbacteria.Andthat,LaneandMartinconclude,maywellexplainwhycomplexlife--eukaryotes--onlyevolvedonceinallofEarth'shistory.

《Nature》首个“真核”有机物如何形成的新假说

　　10月21日，最新一期《自然》杂志上，英国伦敦大学学院生物学家尼克·雷恩和德国杜塞尔多夫大学威廉·马丁提出了一种或能解释地球上的动物和植物原祖——首个"真核"有机物如何形成的新假说。

该假说认为，复杂的多细胞生命的多样性，只会出现在一个细胞找到进入另一个细胞的途径并随时间进化成线粒体之后。

　　以今天的标准来说，地球上的生命在40亿年前首次出现时是相当简单的。

之后的10多亿年，我们的地球被那些与今天的单细胞细菌和微生物或多或少有些相似的低微细菌和其它有机物团统治着。

接着，也就是在20多亿年前，一种新的生命形式在原始流浆中诞生，这代表了一个根本不同的进程进化。

我们今天知道的多细胞生命（比如使我们的地球更优美的枫木、霉菌、蘑菇、老鼠或人类等）的多样性就起源于这种有机物，但科学家仍然不知道它究竟是如何开始存在的。

　　线粒体是产生细胞能量的微小颗粒。

人类和其它动物的细胞内拥有数以百计的线粒体，它们为身体"机器"从生到死提供着"燃料".新思路与以前的假说相矛盾，之前的假说认为，在线粒体出现前，复杂的多细胞生物体首先是凭自己的力量形成的。

"生物学家一直认为，复杂性在前，线粒体在后。

"马丁说，"我们的研究则表明，这是行不通的。

线粒体是复杂性所必需的".线粒体的发展在地球的整个自然历史上似乎只发生过唯一的一次。

美国北伊利诺伊大学生物学家尼尔·布兰科斯通表示，这是生命起源中非常具有挑战性的一步。

不过，它对于一个细胞找到方法进入另一个细胞来说还不够。

两者不得不以合作的状态（称为共生）共存，共享资源而不是相互竞争，共存而不是杀死对方。

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　　开始阶段的危险是，内部细胞将成为一个寄生虫，通过与宿主细胞争夺资源而大出风头，并最终杀死宿主。

不过，研究人员表示，这样的事情并没有发生，而是两个细胞共同进化了。

这个内部细胞其实只在一件事情上越来越有效，那就是给细胞提供能量，而且它变得越来越小，为其新出现的功能脱落掉所有不必要的基因。

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　　较大细胞内的能量充足性使这些新的生命形式积聚出比它们祖先多出1000倍或更多的DNA数量，允许它们变得越来越复杂，随着时间的推移逐步形成植物、动物和其他分支。

　　研究人员认为，这种能量学也能解释为什么缺乏这些微小能源工厂的细菌和其他细胞从来没有变得真正的复杂。

它们总是面临能量限制，阻止它们获得和运用复杂性所需的成千上万的新基因。

线粒体——世界的幕后统治者

线粒体是1850年发现的，1898年命名。

由两层膜包被，外膜平滑，内膜向内折叠形成嵴，两层膜之间有腔，线粒体中央是基质。

线粒体是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所，有细胞“动力工厂”之称。

　　线粒体在细胞生物学中是存在于大多数真核生物（包括植物、动物、真菌和原生生物）细胞中的细胞器。

一些细胞，如原生生物锥体虫中，只有一个大的线粒体，但通常一个细胞中有成百上千个。

细胞中线粒体的具体数目取决于细胞的代谢水平，代谢活动越旺盛，线粒体越多。

线粒体可占到细胞质体积的25％。

　　线粒体的分布是不均一的，有时线粒体聚集在细胞质的边缘。

通俗的讲：

细胞必须有能量的供给才会有活性，线粒体就是细胞中制造能量的器官，科学界也给线粒体起了一个别名叫做“细胞的发电厂”。

一个细胞内含有线粒体的数目可以从十几个到数百个不等，越活跃的细胞含有的线粒体数目越多，如时刻跳动的心脏细胞和经常思考问题的大脑细胞含有线粒体的数目最大，皮肤细胞含有线粒体的数目比较少。

科学家发现农民皮肤细胞的线粒体因常年在室外劳动受到损伤的程度远远高于其他室内职业者，线粒体受到损伤，细胞就会缺乏能量而死亡。

我们的面部常年暴露在外，时时刻刻都在经受风吹雨打和各种污染颗粒的侵袭，因此面部细胞经常是因为过度的磨难而早夭。

　　线粒体是细胞内微小的细胞器，以ATP的形式生产我们几乎所有的能量。

平均每个细胞里有300-400个线粒体，整个人体里有1亿亿个。

本质上所有的复杂细胞里都有线粒体。

线粒体看上去像细菌，这外观并非伪装：

它们从前是自由生活的细菌，后来大约在20亿年前适应了寄生在大细胞里的生活。

它们还保留了基因组的一个碎片，作为曾经独立存在的印记。

它们与宿主细胞之间纠结的关系织成了生命所有的经纬，从能量、性和繁殖，到细胞自杀、衰老和死亡。

一个细胞内部有几百或几千个线粒体，它们利用氧来燃烧食物。

线粒体是如此微小，以至于一粒沙里可以轻易地容纳10亿个。

线粒体的进化给生命装上了涡轮发动机，蓄势待发，随时可以启动。

所有动物体内都有线粒体，包括最懒惰的在内。

连不能移动的植物和藻类也要利用线粒体，在光合作用中放大太阳能那无声的轰鸣。

　　有些人更熟悉“线粒体夏娃”这个词，按照推测，她是所有当代人最晚近的共同祖先——如果我们沿母系血统追踪遗传特征，从女儿到母亲再到外祖母，直至上溯到远古的迷雾中。

线粒体夏娃是所有母亲的母亲，她被认为大约生活在17万年前的非洲，又称“非洲夏娃”。

我们之所以能通过这样的方式追踪遗传上的祖先，是因为所有线粒体都保有小小的一份自己的基因，这些基因仅通过卵子传递给下一代，不通过精子传递。

这意味着，线粒体基因起着母系姓氏的作用，使我们可以沿母系血统追溯祖先，就像有些家族努力沿父系血统把家世追溯到征服者威廉、诺亚乃至穆罕默德。

近来，这其中的某些观念受到挑战，但大体上的理论仍然成立。

当然，这项技术不仅可以使我们知道谁是我们的祖先，也可帮助澄清谁不是我们的祖先。

根据线粒体分析，尼安德特人并未与现代智人杂交，而是在欧洲的边缘被排挤到灭绝。

　　线粒体还因为它们在法医学上的运用而成为新闻热点。

通过线粒体分析可以确定人或尸体的真实身份，有几个著名的案子运用了这一点。

末代沙皇尼古拉二世的身份，就是通过将其线粒体与亲属的进行比较而得到确认。

第一次世界大战末期，一个17岁女孩从柏林的一条河里被救起，她自称是沙皇失踪的女儿安娜斯塔西娅，随后她被送往一家精神病院接受治疗。

经过70年的纷争，她的说法终于在她于1984年去世后被线粒体分析否认。

更近一些的事例是，世贸中心劫后那些无法辨认的遇难者遗骸是由线粒体基因识别的。

将“正版”萨达姆·侯赛因与他的众多替身之一区分开来，也是靠这种技术。

线粒体基因之所以如此有用，部分是因为它们大量存在。

每个线粒体含有5至10份基因副本，一个细胞里通常有数以百计的线粒体，也就有成千上万份同样的基因，而细胞核里的基因只有2份副本存在。

因此，完全无法提取任何线粒体基因的情况是很少见的。

基于我们与母亲和母系亲属拥有相同线粒体基因的事实，通常就可以确认或否定设想中的亲属关系。

线粒体在形态，染色反应、化学组成、物理性质、活动状态、遗传体系等方面，都很像细菌，所以人们推测线粒体起源于内共生。

按照这种观点，需氧细菌被原始真核细胞吞噬以后，有可能在长期互利共生中演化形成了现在的线粒体。

在进化过程中好氧细菌逐步丧失了独立性，并将大量遗传信息转移到了宿主细胞中，形成了线粒体的半自主性。

线粒体是直接利用氧气制造能量的部位，90％以上吸入体内的氧气被线粒体消耗掉。

线粒体利用氧分子的同时也不断受到氧毒性的伤害，线粒体损伤超过一定限度，细胞就会衰老死亡。

生物体总是不断有新的细胞取代衰老的细胞以维持生命的延续，这就是细胞的新陈代谢。

保持线粒体完好无损就是保持了细胞的活力，拥有健康的肌肤细胞就是留住了青春。

这个道理只有细细的品味，才能从中受益。

皮肤细胞的新陈代谢就是自然的皮肤更新过程，新陈代谢旺盛细胞更新速率就快，总有一些新生的细胞出现在脸上，才有美丽青春的魅力。

这些特性导致了内共生学说——线粒体起源于内共生体。

这种被广泛接受的学说认为，原先独立生活的细菌在真核生物的共同祖先中繁殖，形成今天的线粒体。

这种说法还被应用与科幻小说当中，其中小说《寄生前夜》说的是，在亿万年间，生物都在不停的进化。

在生物的体内，直接提供能量的线粒体进化速率快于生物本身，以致现在线粒体已经有了意识，并且拥有强大的力量，甚至可以幻化出人形。

于是在某个时刻，线粒体终于爆发了，它们要消灭人类，主宰这个世界。

事实上，在科幻领域中，线粒体是十分广泛而流行的题材，不仅小说，在电视剧集《太空堡垒-卡拉狄加》中，人型赛昂人的基因最终进入人类的细胞，成为线粒体。

片中那个“关系着人类与人形赛昂人生死存亡”的混血小女孩赫拉，正是生活在15万年前的，当今人类的“线粒体夏娃”。

线粒体——世界的幕后统治者

（2）

线粒体的这些方面已经通过报纸和大众文学为许多人所熟知，其它方面在过去的一二十年里在科学界广为人知，但对大众来说也许还较为神秘。

其中最重要的一点是凋亡，即细胞的程序性死亡，在这一过程中，细胞个体为了大局利益——以身体为整体——而自杀。

大约从20世纪90年代中期开始，研究人员发现凋亡并不是像从前认为的那样受细胞核里的基因控制，而是受线粒体控制。

这一发现对医学研究有着重要意义，因为细胞无法在需要时凋亡是癌症的根源。

许多研究人员现在尝试通过某种方式操纵线粒体，而不以细胞核里的基因为靶标。

但这其中还有着更深远的意义。

在癌症中，细胞个体寻求自由，摆脱了为有机体整体负责的桎梏。

在早期进化中，把这种桎梏加在细胞上想必是很困难的：

一个有独立生存潜力的细胞，在还可以选择离开群体独自生活的时候，凭什么要为了生活在细胞群体里的利益而接受死刑？

没有程序性死亡，将细胞联结起来形成复杂多细胞生物的纽带也许永远也不会进化出来。

由于程序性死亡依赖于线粒体，也许可以说没有线粒体就没有多细胞生物。

为了这免得听起来太古怪，需要说明的是所有多细胞植物和动物确实含有线粒体。

线粒体控制细胞的自杀（凋亡）

　　线粒体占有突出地位的另一个领域是真核细胞的起源。

真核细胞是有着细胞核的复杂细胞，所有的植物、动物、藻类和真菌都是由真核细胞构成的。

“真核”（eukaryotic）一词源自希腊语“真正的核”，指细胞内部基因的所在地。

但这个名字是有明显缺陷的。

事实上，真核细胞除细胞核之外还包含许多其它部件，包括著名的线粒体。

这类复杂细胞怎样进化而来，是一个热点话题。

人们一般认为，它们逐步进化，直到有一天某个原始的真核细胞吞噬了一个细菌，后者在经过许多世代的奴役之后，最终变得完全寄人篱下，进化成了线粒体。

这个理论预言，某些不包含线粒体的、籍籍无名的单细胞真核生物将被发现是我们所有人的祖先，它们是从线粒体被“捕获”并投入使用之前的那些岁月存留下来的孑遗。

但在经过了十来年详细的遗传分析之后，人们现在发现似乎所有的已知真核细胞都拥有或者曾经拥有（后来丢失了）线粒体。

这意味着复杂细胞的起源与线粒体的起源不可分割，它们是同一个事件。

如果这是真的，那么不仅多细胞生物的进化需要线粒体，构成多细胞生物的部件——真核细胞的进化也需要线粒体。

而如果这是真的，那么如果没有线粒体，地球生物不会进化成细菌以外的东西。

线粒体的另一个秘密领域与两性的区别有关，事实上它是两性存在的必要条件。

性是一个著名的谜：

有性生殖需要父母双方来产生一个后代，无性生殖或孤雌生殖则只需要母亲一方，父亲的存在不仅多余，而且是对空间和资源的浪费。

更糟糕的是，两性的存在意味着我们只能在人口的一半中寻找配偶，至少在我们把性当作生殖手段时是这样。

不管是不是为了生殖，如果所有的人都是同性，或者性别多到近乎无限，情况会好得多：

两性是所有可能的局面中最糟糕的一种。

这个谜题的答案之一与线粒体有关，该理论于20世纪70年代晚期出现，现在已被科学界广泛接受，也许公众对其了解相对较少。

该理论认为，我们必须有两种性别，是因为一种性别必须专门负责通过卵子把线粒体传递下去，而另一种性别必须专门地通过精子不把线粒体传递下去。

本书第6部分将详细阐述这一点。

所有这些研究领域使线粒体重新取得了它在20世纪50年代的鼎盛时期过后再也不曾拥有的重要地位，当年人们首次证实线粒体是细胞的动力来源，生产我们所需的几乎所有能量。

顶尖学术杂志《科学》在1999年充分认识到这一点，把一期封面和相当大的篇幅给了线粒体，标题为“线粒体又回来了”。

这种忽视有两个主要原因。

其一是生物能量学——研究线粒体中能量产生