寄生前夜与线粒体

《寄生前夜》是史克威尔公司出品的游戏三部曲。  故事的男主人公永岛利明是一个大学线粒体研究员,男主人公的妻子是名叫圣美,是男主人公同校的校友。圣美在圣诞前夜出生,每到那一天总会做奇怪的梦,并且在与利明结婚后症状加剧,但是不管是圣美自己还是一心专研学术的男主都没发现圣美的异常,直到圣美在自己不知道的情况下签署了肾脏捐献。

原来,这一切都是圣美体内线粒体的阴谋,臣服了十几亿年的线粒体再也不想受到寄主的控制,于是展开了一场别开生面的报复。线粒体逐渐控制了圣美的意识。当线粒体控制圣美时表现出完全的动物繁衍的本能,渴望与男主交欢。渴望男主的关注,希望男主专注研究线粒体,认为男主喜欢的其实不是圣美,而是“她”,她不仅改变圣美的容貌,还掌握圣美的床上表现,对圣美的控制越来越深,直到圣美脑死亡。圣美死后,男主以Eve命名圣美的肝细胞进行培养,线粒体快速的繁殖,变成人形的线粒体女王,在男主不情愿的情况下与男主发生关系,得到受精卵,这时后知后觉的男主才明白线粒体要做的一切。

游戏中,线粒体产生独立的意识并反过来控制人类的情节展现出原作者的奇幻想象力,但是缺乏科学依据。意识是由神经元细胞构成的神经元网络内的信息传递构成的,就算单个线粒体在进化中产生了神经元的功能,但不同线粒体之间缺乏有效的信息交互途径,也就无法构成“线粒体神经元网络”,缺乏产生意识的物质基础。

不过,线粒体可以看作是寄生在细胞中的生物,倒是有科学依据,正如大肠杆菌与肠道健康||大历史生物卷(18)中所说,原始海洋中的大块头厌氧菌吞噬了好氧菌形成了共生体——原生生物,好氧菌就变成了线粒体,而原生生物是所有由细胞构成的生物的祖先,这些生物细胞中的线粒体,实际上就是当年的那个被吞噬的好氧菌的后代。

线粒体的形成

线粒体(mitochondrion)是一种存在于大多数细胞中的由两层膜包被的细胞器,是细胞中制造能量的结构,是细胞进行有氧呼吸的主要场所,被称为"能量工厂"。其直径在0.5到1.0微米左右。

线粒体

线粒体拥有自身的遗传物质和遗传体系,但其基因组大小有限,是一种半自主细胞器。近十多年来,人们还发现线粒体除了能量转换功能之外, 还有其它多种极为重要的生理功能,包括生成活性氧自由基、调节细胞的氧化还原电势和信号转导、调控细胞凋亡和某些基因的表达等。 由于线粒体在细胞凋亡中的关键性作用,因此线粒体又被称为‘细胞生存和死亡之马达’。当前,线粒体的研究已深入到生物的发育、代谢、衰老、疾病、肿瘤以及进化、遗传等众多重要领域 ,成为当前生命科学和分子医学中最活跃的新前沿之一。


在动物细胞中,线粒体大小受细胞代谢水平限制。不同组织在不同条件下可能产生体积异常膨大的线粒体,称为“巨线粒体”(megamitochondria):胰脏外分泌细胞中可长达10-20μm;神经元胞体中的线粒体尺寸差异很大,有的也可能长达10μm;人类成纤维细胞的线粒体则更长,可达40μm。有研究表明在低氧气分压的环境中,某些如烟草的植物的线粒体能可逆地变为巨线粒体,长度可达80μm,并形成网络。

有许多细胞内拥有多达数千个的线粒体(如肝脏细胞中有1000-2000个线粒体),而一些细胞则只有一个线粒体(如酵母菌细胞的大型分支线粒体)。大多数哺乳动物的成熟红细胞不具有线粒体。一般来说,细胞中线粒体数量取决于该细胞的代谢水平,代谢活动越旺盛的细胞线粒体越多。

线粒体DNA不会影响子女的外貌、智力等相关特征,它只与基本的、低级别的细胞功能有关。线粒体基因组(mtDNA)和/或核基因组(nDNA)如果出现缺陷,会引起线粒体结构和氧化磷酸化功能的损伤,而引起线粒体疾病。

线粒体疾病通常表现为ATP能量减少、活性氧自由基(ROS)增多和乳酸中毒等造成细胞损伤或细胞凋亡等,科学家们已经在线粒体中发现大约700种突变,已知有200多种疾病由线粒体DNA突变引起,受这些突变影响的主要是需要大量能量的器官,包括心脏、骨骼肌和大脑,疾病通常也首先表现在这些部位上。线粒体疾病临床表型多表现为肌无力运动不耐受、听力伤失、共济失调、症状突发(中风)、学习障碍、白内障、心衰、糖尿病和生长缓慢等。

过去,人类对线粒体疾病基本是毫无办法。2010年,英国纽卡斯尔大学研究人员在《自然》杂志上报告说,他们在世界上首次实现人类受精卵之间的DNA移植,从而获得一个拥有3个人遗传物质的受精卵,其中包括一名男性和一名女性的细胞核DNA,以及另一名女性的线粒体DNA。如果已知母亲有线粒体疾病,可以通过这种方式生育出健康的后代。然而这种方式产下的婴儿具有两个生物学“母亲”,对于人类伦理提出了巨大挑战。

线粒体移植原理

2015年,《Cell》杂志发表了来自美国索尔克研究所(Salk Institute)的科学家的研究成果,他们利用一种专门设计的分子剪刀剪掉了小鼠胚胎中的线粒体突变部分,留下了健康的DNA。他们希望将来能够用这项技术防治人类线粒体疾病。这种方法看似没有“一父二母”的伦理问题,但这种方式被认为是对人类基因进行人工编辑。人类遗传学警报组织就此警告说:“这项研究是不道德的,它可能导致将来基因改造、设计婴儿的加速到来。我们必须创建一个全球性的条约,加强对人类基因组修改的禁令。”

线粒体存在于细胞质中。对于人类来说,胚胎细胞核的DNA由精子和卵子各提供一半,胚胎的线粒体DNA仅由卵子提供。虽然精子细胞的细胞质中也是含有线粒体,但是精子的线粒体DNA在受精后不久分解,导致线粒体DNA只通过母系遗传,人们将这种现象称为细胞质遗传。

科学家早先认为,可能是因为精子的个头比卵子小得多,线粒体的数量也非常有限,导致来自母体的线粒体DNA在遗传中占绝对优势。但是这种猜测带来的问题是:精子的线粒体DNA虽然较少,但也是存在的,那么在胚胎中,也应该能发现少量的来自父系的线粒体DNA。但事实上,人类胚胎的线粒体DNA无一例外,全部来源于母系。用追溯母系线粒体DNA的方法,古人类学家确定现存人类具有共同的来自于非洲的女性祖先,并且可以确定史前人类的迁徙路线。

20世纪80年代以来,随着DNA分子生物学技术的发展,将DNA分子标记应用于细胞质遗传研究,从DNA分子水平上研究细胞质遗传物质的变异,使得人们对细胞质遗传现象有了更进一步的认识。

据研究表明,在大部分高等真核生物中,线粒体DNA一般表现为母系遗传的特征,包括人类、大多数哺乳类动物、两栖动物、鱼类及高等植物等。所谓母系遗传,是指两个具有相对性状的亲本杂交,不论正交或反交,子一代总是表现为母本性状的遗传现象。

但科学家也发现,老鼠、绵羊、衣藻、被子植物中的月见草、大麦和黑麦的属间杂种、甘蓝型油菜、北美红杉等少数生物体中线粒体DNA是父系遗传的。而对植物叶绿体DNA的研究发现,在被子植物中,大多数植物表现为母系遗传特征,而其中20%的物种中存在着双亲遗传的现象,紫花苜蓿、胡萝卜等植物表现为典型的父系遗传特征。与被子植物相比,大多数裸子植物的质体DNA则表现为父系遗传特征。

科学家猜测,早先,有性生殖的生物,线粒体DNA都是来自双亲的。但是相对于卵子来说,精子的线粒体DNA容易各种影响而遭受损伤,在生存压力驱动的生物演化过程中,父系线粒体DNA遗传的方式较容易生下有缺陷的后代,在反复的自然选择过程中,逐渐筛选出仅由母系提供线粒体DNA的遗传方式。换句话说,为了不把质量差的基因遗传给后代,精子的线粒体DNA选择“自杀”。

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