複雜生命“由內而外”起源理論顛覆傳統觀點

新浪科技訊 北京時間29日消息，據國外媒體報導，近日，一個有關複雜生命起源的新觀點有可能徹底推翻現有的理論。在公開獲取的《BMC Biology》雜誌上，巴茲·鮑姆(Buzz Baum)和大衛·鮑姆(David Baum)兩位學者提出了他們的“由內而外”(inside-out)理論，對真核細胞——組成了所有的多細胞生命，包括人類——的演化過程做出了解釋。

長期以來，科學家一直在思考簡單的“原核”細胞如何演化成複雜得多的真核細胞。原核細胞，如細菌等，就如同一個由細胞膜包圍起來的袋子，而在真核細胞內部，則具有發達的內膜系統，存在內質網、高爾基體、粒體等多種細胞器。真核細胞最主要的特徵是具有被核膜包圍的細胞核，其內部含有以DNA形式存在的遺傳信息。內質網控制蛋白質和脂質在細胞內部的轉運。粒體扮演細胞發動機的角色，其內部含有自己獨特的DNA，通常認為是由內共生的原核生物發展而來。現在的難題是，還沒有人發現過在複雜性上處於中間狀態的真核細胞，這也使認識其演化過程變得十分困難。

目前最廣為接受的理論是，粒體最初是一種細菌，被一種古菌吞噬進細胞內部。古菌又稱古細菌，屬於原核生物，它們與細菌有很多相似之處，但在分子特徵上又有很多差異。包括核膜在內的真核細胞內膜系統，就是由這種古菌通過外膜內陷的方式形成。這一理論與現有的許多數據相吻合，但仍存在一些問題。其中最重要的一個問題是，目前還沒有發現外膜內陷的古菌。

另一方面，粒體看起來很可能並不是被古菌吞噬的，因為吞噬活動需要很多能量，而在真核細胞中，正是粒體負責提供能量。而且，吞噬活動還需要用到源自粒體的脂質。來自威斯康辛大學的大衛·鮑姆：“所有人都同意真核生物起源於兩種細胞類型的共生作用：細菌變成了粒體，而宿主，即古菌或者古菌的近親，變成了細胞質和細胞核。這一共生關係解釋了粒體的起源，但其他真核細胞結構，特別是細胞核的形成並沒有合理的解釋。”

巴茲·鮑姆和大衛鮑姆的“由內而外”理論提供了一種漸進的真核細胞演化路徑。首先，細菌的細胞外膜形成泡狀突起，稱為“泡體”(bleb)。這些泡體捕獲了自由活動的類似粒體的細菌，在與細菌密切接觸的過程中，古菌細胞獲得了能量和脂質，體積變大，泡體也變得更大。

泡體的側面逐漸形成了內質網，內表面則形成了細胞核的外膜，原先古菌的細胞膜外膜變成了我們現在所的內核膜。最終，泡體與另一個泡體的融合導致了質膜的形成，我們現在所知的真核細胞由此出現。

大衛·鮑姆利用一個比喻來解釋這種“由內而外”理論與以往理論的區別：“原核細胞可以看作是一個由巨大的開放建築組成的工廠，管理人員、技術工人、收發員、門衛等都在一塊工作。相比之下，真核細胞就像是一個工廠綜合體，由一系列相互聯繫的工作場所組成：控制室、接收室、生車間、運輸網和廢物處理站等等。傳統理論認為，這種工廠綜合體的出現，就像是在飛機庫式的建築中建造起不同的隔間。‘由內而外’理論則認為，一系列擴展建築被加到最初的核心建築——即控制室——的周圍，同時其他功能也移入了新的、專門的區域。”

“由內而外”理論與現有的所有理論都完全不同，因為真核細胞是在原始細胞的外部形成的。大衛·鮑姆在30年前就已經有了這一理論的框架，當時他還是一名大學生。他：“‘由內而外’理論可以是其他由外而內模型的明顯替代者，但或許只有一名天真的大學生，才會從這樣一個顛覆性的視角進行思考。”

我們無法知道這些早期的演化步驟是何時發生的，但可以通過現有的過程來獲得發。巴茲和大衛利用一些現生的古菌樣本，製造出了類似泡體的結構，以支持他們的理論。他們還列舉了許多可以用該理論解釋的真核細胞的普遍特徵。

與任何好的科學理論一樣，“由內而外”模型也會引出許多可以在現生細胞中進行檢驗的預測。研究者希望該理論能夠激起更多的實證研究，因為關於原核細胞和真核細胞還有很多很多的未解謎題。

《BMC Biology》的編輯米蘭達·羅伯遜(Miranda Robertson)對“由內而外”理論的評論是：“並不是所有人都會被這一理論服，任何像真核細胞起源這樣古老的事件，其重構過程都將會有許多不確定的、徒勞無功的地方。但是，如果一個理論能促使人們去思考、驗證，那它就並不一定非得是正確的、有用的。”

來自倫敦大學學院的巴茲·鮑姆：“即使這一假錯了，或者其中一部分被駁倒，我們也會樂觀地認為，它將帶來新的細胞生物學發現，並促進我們對真核細胞生長和分裂等生物學的了解。學習細胞生物學的學生或許會認為，他們進入了一個几乎所有事情都已知的領域，已經不能做出什麼貢獻，但事實並非如此。新的模型有助於厘清事實，但還有許多有關真核細胞起源的基本問題等待解決。”(任天)