内共生
作者: Sally Warring
翻译: 苏尚

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合作 (Cooperation): 向着同一目标共同努力。

脂质 (Lipid): 指由小片段(脂肪酸)组成的一种搭建生命(分子)的积木。脂质有很多种——脂肪类,蜡质类,固醇类等……

Scrambled egg or dog vomit slime mold

黏菌是细胞间合作的极好例子。点击查看更多细节。

与你的邻居友好相处大有益处,对吧?

个人和群体互相帮助时会做得更好。合作不仅仅对人类重要;如果没有与邻近生物的大量互动,我们所熟知的生命将不复存在。

我们星球上最早的居民都是单细胞生物。一些相邻的单细胞结合到一起,开始以一个有机体形式共同生存,你中有我。这种伙伴关系非常成功,直接导致了我们星球上包括人类在内的多种生命形式的进化。

什么是细胞?

所有生物都由细胞组成。即便地球上的生命形式数以百万计,它们都由两种基本类型的细胞组成:原核细胞和真核细胞。

细胞包含DNA。原核细胞(prokaryotes,读作pro-carry-oats)小且简单,细胞内有环状DNA自由漂浮。真核细胞(eukaryotes,读作you-carry-oats)大,而且更复杂。它们有一个细胞核,细胞核将成串的线性DNA包裹在脂质膜内。你习惯看到的所有生命形式——动物(包括人类)、植物和真菌——都是由真核细胞组成的。细菌太小以致于不借助显微镜无法看到,它们则是由原核细胞组成的。

Prokaryotic cell illustration

一种原核细胞。点击查看更多细节。

地球上最早的一些生命形式是原核细胞。它们首次出现是在40亿年前的化石记录里。在真核细胞于18亿年前出现之前,原核细胞已经存在了很长很长的时间了。这促使我们想象,所有真核细胞的祖先都是一种原核生物。

但是,从原核细胞变到真核细胞,细胞需要变得复杂得多。真核细胞由特殊的细胞器供能,这些细胞器就像电池一样工作。所有的真核细胞,都包含一种叫做线粒体的细胞器,用来制造供给细胞的能量。植物细胞还有另外一种叫做质体的细胞器。质体可以像太阳能电池一样,从阳光中收取能量。叶绿体就是一种质体。

什么是内共生理论?

真核细胞是怎样变得如此复杂的?这些像电池一样的细胞器又是从哪里来的呢?

我们认为,我们已经知道了部分答案。当多个细胞聚在一起形成一个细胞时,真核细胞可能就发生了进化。它们开始以一种我们称之为共生关系的方式生存。解释这一现象如何发生的理论就被我们称为“内共生理论”。内共生体是指在其他生物体内部生活的生物体。所有真核细胞,像你自己的细胞一样,都是由其他生物的零件组装成的生物。

Mitochondria from lung tissue

线粒体,我们细胞中的重要能量生产者,是从自由生活的细胞进化来的。点击查看更多细节。

线粒体和叶绿体作为细胞器,都曾经是自由生活的细胞。它们是最终停留在其他细胞(宿主细胞)内的原核细胞。它们可能以被吞掉(一种被称为“吞噬”的过程)的方式加入其它细胞,也或许它们是那个宿主细胞的寄生物。

在内部的细胞既没有被消化掉,也没有杀死宿主细胞,而是活了下来,和宿主细胞共同成长。这有点像“房东”和“租户”。宿主细胞提供一个舒适、安全的生活场所,而细胞器通过制造宿主细胞能够使用的能量来支付租金。这类事件在很久以前发生,随着时间推移,细胞器和宿主细胞共同进化。如今任一方在缺少另一方的情况下都无法生存。尽管今天它们以一个单独的有机体发挥功能,但是如果我们仔细观察,仍然可以找到这些细胞器自由生存过的证据。

什么证据支持内共生理论?

早在1883年,植物学家安德里亚斯·申佩尔(Andreas Schimper)就开始用显微镜观察植物细胞的质体细胞器。他观察质体分裂的过程,并注意到一些奇怪的事情。这个过程看起来和某些自由生存型细菌的分裂方式非常相似。

20世纪50年代到60年代间,科学家发现植物细胞中的线粒体和质体都有它们自己的DNA。这与植物细胞中其他的DNA不同。当科学家进一步研究这些线粒体和质体DNA中的基因时,他们发现,这些基因更像是从原核生物中来的。这便告诉我们,细胞器与原核生物有更近的亲缘关系。

植物细胞中的绿色叶绿体现在是细胞的重要部分,但是它们是从与植物细胞完全不同的生物体进化而来的。人们认为,叶绿体是从蓝细菌进化而来,这些蓝细菌在植物细胞的防御下存活了下来。

我们知道,细胞器周围由多层膜包裹。如果我们观察这些膜的组成分子,它们看起来很像当今自由生活的原核生物外围的膜。

因此,细胞器有它们自己的DNA,它们的基因又与现代原核生物的基因非常相似。它们拥有与原核生物相似的膜,同时它们似乎也用与原核生物类似的方式分裂和复制。如果一个真核细胞失去了这样一种细胞器,便无法重新制造它。每个真核细胞想要生存,便不得不从它的母细胞那里遗传至少一份这种细胞器。这意味着,组成这些细胞器所需的遗传信息在真核细胞的DNA中无法找到。所有的这些证据,都支持这个理论,即这些细胞器来自真核细胞外部。我们认为它告诉了我们,这些细胞器曾经是自由生活的原核生物。

Animal cell

真核细胞有很多结构是原核细胞没有的。

一位名为琳恩·马古利斯(Lynn Margulis)的科学家把所有这些信息汇总到了一起,并在1967年发表。她的文章题目叫《论有丝分裂细胞的起源》。有丝分裂细胞是真核细胞。今天科学家们都认可她的论文是非常重要的,但是在他们接受她的理论之前,很多年过去了。

然而,真核细胞进化的故事还远没有结束。我们还没有讨论能在真核细胞中看到但原核细胞里没有的其他结构,以及它们是如何进化的。这包括细胞核、高尔基体、内质网、溶酶体和细胞骨架。

它们从何而来?我们仍不知晓真相。它们可能在真核细胞内部随着时间推移进化而来。抑或,它们也可能是其他远古内共生事件的产物。它们如何进化仍是未解之谜。


额外图像来自Wikimedia Commons。丝状蓝细菌,来自莎莉·沃宁。

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Bibliographic details:

  • Article: 细胞住进细胞
  • Author(s): Sally Warring
  • Translator(s): 苏尚
  • Publisher: Arizona State University School of Life Sciences Ask A Biologist
  • Site name: ASU - Ask A Biologist
  • Date published: March 21, 2019
  • Date accessed: September 15, 2019
  • Link: https://askabiologist.asu.edu/%E7%BB%86%E8%83%9E%E4%BD%8F%E8%BF%9B%E7%BB%86%E8%83%9E

APA Style

Sally Warring. (2019, March 21). 细胞住进细胞, (苏尚, Trans.). ASU - Ask A Biologist. Retrieved September 15, 2019 from https://askabiologist.asu.edu/%E7%BB%86%E8%83%9E%E4%BD%8F%E8%BF%9B%E7%BB%86%E8%83%9E

American Psychological Association. For more info, see http://owl.english.purdue.edu/owl/resource/560/10/

Chicago Manual of Style

Sally Warring. "细胞住进细胞", Translated by 苏尚. ASU - Ask A Biologist. 21 March, 2019. https://askabiologist.asu.edu/%E7%BB%86%E8%83%9E%E4%BD%8F%E8%BF%9B%E7%BB%86%E8%83%9E

MLA 2017 Style

Sally Warring. "细胞住进细胞", Trans. 苏尚. ASU - Ask A Biologist. 21 Mar 2019. ASU - Ask A Biologist, Web. 15 Sep 2019. https://askabiologist.asu.edu/%E7%BB%86%E8%83%9E%E4%BD%8F%E8%BF%9B%E7%BB%86%E8%83%9E

Modern Language Association, 7th Ed. For more info, see http://owl.english.purdue.edu/owl/resource/747/08/
丝状蓝细菌
人们认为,某些细胞器如叶绿体,是从蓝细菌进化而来。这里是蓝细菌的一个丝状克隆。
English version:

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