例析线粒体和叶绿体的内共生起源学说

广东  陶 勇

摘  要：内共生起源学说认为线粒体和叶绿体分别起源于原始真核细胞内共生的行有氧呼吸的细菌和行光能自养的蓝细菌。本文结合线粒体和叶绿体的内共生起源学说并联系教科书的相关内容对例题进行了分析。

关键词：线粒体；叶绿体；内共生起源学说

由于线粒体和叶绿体具有独特的半自主性并与细胞核建立了复杂而协调的互作关系，它们的起源一直以来多被认为有别于其他细胞器。在人们为这两种细胞器设计的起源假说中，内共生起源学说很好地贴合了线粒体和叶绿体的半自主性和核质关系特征，因而得到了广泛的认可和支持。

内共生起源学说认为，线粒体和叶绿体分别起源于原始真核细胞内共生的行有氧呼吸的细菌和行光能自养的蓝细菌。该假说的提出远早于mtDNA和cpDNA的发现。其中叶绿体的内共生起源假说见于1905年，由K.Mereschkowsky提出；而线粒体的类似起源假说见于1918和1922年，分别由P. Porteir和I.E. Wallin提出。随着人们对真核细胞超微结构、线粒体和叶绿体DNA及其编码机制的认识，内共生起源学说的内涵得到了进一步充实。

1970年，Margulis在已有的资料基础上提出了一种更为细致的设想。假设认为，真核细胞的祖先是一种体积较大、不需氧具有吞噬能力的细胞，通过糖酵解获取能量。而线粒体的祖先则是一种革兰氏阴性菌，具备三羧酸循环所需的酶和电子传递链系统，可利用氧气把糖酵解的产物丙酮酸进一步分解，获得比糖酵解更多的能量。当这种细菌被原始真核细胞吞噬后，即与宿主细胞间形成互利的共生关系：原始真核细胞利用这种细菌获得更充分的能量；而这种细菌则从宿主细胞获得更适宜的生存环境。与此类似，叶绿体的祖先可能是原核生物的蓝细菌（cyanbacteria)。当这种蓝细菌被原始真核细胞摄人后，为宿主细胞进行光合作用；而宿主细胞则为其提供其他的生存条件。

线粒体和叶绿体的内共生学说先后得到了大量的生物学研究证据的支持。特别是近期的分子生物学和生物信息学的研究发现真核细胞的细胞核中存在大量原本可能属于呼吸细菌或蓝细菌的遗传信息，说明最初的呼吸细菌和蓝细菌的大部分基因组在漫长的共进化过程中发生了向细胞核的转移。这种转移极大的削弱了线粒体和叶绿体的自主性，建立起稳定、协调的核质互作关系。

1线粒体和叶绿体内共生起源学说的主要论据

1.1基因组与细菌基因组具有明显的相似性

线粒体和叶绿体具有细菌基因组的典型特征。它们均为单条环状双链DNA分子，不含5-甲基胞嘧啶，无组蛋白结合并能进行独立的复制和转录。此外，在碱基比例、核苷酸序列和基因结构特征等方面，线粒体和叶绿体基因组也与细胞核基因组表现出显著差异，而与原核生物极为相似。同时，线粒体和叶绿体具有自身的DNA聚合酶及RNA 聚合酶，能独立复制和转录自己的RNA。其mRNA、rRNA的沉降系数与细菌的类似。

1.2具备独立、完整的蛋白质合成系统

线粒体和叶绿体的蛋白质合成机制类似于细菌，而有别于真核生物：①与细菌一样，线粒体和叶绿体中蛋白质的合成从N-甲酰甲硫氨酸开始，而真核细胞中蛋白质的合成从甲硫氨酸开始。②线粒体和叶绿体的核糖体较小于真核生物80S核糖体。例如，动物细胞线粒体的核糖体为50?60S，真菌线粒体的核糖体为70?74S，而叶绿体的核糖体为70S。③线粒体、叶绿体和原核生物的核糖体中只有5SrRNA，而不少真核细胞的核糖体中存在5.8SrRNA。④线粒体中的蛋白质合成因子具有原核生物核糖体的识别特异性，其功能可部分地被细菌的蛋白质合成因子取代，但线粒体的蛋白质合成因子不能识别细胞质核糖体。⑤线粒体核糖体与线粒体mRNA形成多核糖体。⑥叶绿体tRNA和氨酰-tRNA合成酶通常可与细菌相应的酶交叉识别，而不与细胞质中相应的酶形成交叉识别。⑦叶绿体的核糖体小亚基可与大肠杆菌的核糖体大亚基组合，形成有功能的杂合核糖体。⑧线粒体和叶绿体核糖体上的蛋白质合成被氯霉素、四环素抑制，而抑制真核生物核糖体上蛋白质合成的放线酮对它们无抑制作用。⑨线粒体RNA聚合酶可被原核细胞 RNA聚合酶的抑制剂（如利福霉素）所抑制，但不被真核细胞RNA聚合酶的抑制剂（如放线菌素D)所抑制等。

1.3分裂方式与细菌相似

线粒体和叶绿体均以缢裂的方式分裂繁殖，类似于细菌。

1.4膜的特性

线粒体、叶绿体的内膜和外膜存在明显的性质和成分差异。外膜与真核细胞的内膜系统具有性质上的相似，可与内质网和高尔基体膜融合沟通；而它们的内膜则与细菌质膜相似，内陷折叠形成细菌的间体、线粒体的嵴和叶绿体的类囊体。在膜的化学成分上，线粒体和叶绿体内膜的蛋白质∕脂质比远大于外膜，接近于细菌质膜的成分。这些特性都暗示线粒体和叶绿体的内膜起源于最初的共生体（呼吸细菌和蓝细菌）的质膜，而外膜则来源于它们的宿主（共生体进入宿主细胞时包被形成）。

1.5其他佐证

线粒体的磷脂成分、呼吸类型和Cyt c的初级结构均与反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌非常接近，暗示线粒体的祖先可能是这两种菌中的一种。自然界中存在的胞内共生蓝藻（蓝小体）表现出了基因片段转移等内共生形成叶绿体的行为特征，为真核生物形成的内共生学说提供了“活化石”性的佐证。近年来，真核细胞线粒体和叶绿体的内共生起源学说得到了越来越多的研究证据的支持，使得非内共生起源学说逐渐淡出了人们的视野。

2 例题分析

例1．内共生起源学说认为线粒体起源于被原始真核生物吞噬的好氧细菌，这种细菌和原始真核生物共生，并在长期的共生中逐渐演化成线粒体，其过程如图1所示。下列证据支持该学说的有（  ）

图1 被吞噬的好氧细菌逐渐演化成真核细胞内的线粒体

    A．线粒体DNA在大小、形态和结构方面与好氧细菌的DNA相似

    B．线粒体具有双层膜结构，其内膜与好氧细菌细胞膜的成分相似

    C．线粒体与好氧细菌均以缢裂的方式分裂繁殖

    D．线粒体与好氧细菌都具有类似的核糖体，能合成蛋白质

答案：ABCD

分析：本题考查了内共生起源学说的主要论据（见1.1-1.4），线粒体与好氧细菌在这几个方面的相似性都可支持线粒体的内共生起源学说。

例2．图2表示真核生物起源于始祖宿主细胞与原核生物的共生，下列有关说法正确的是（  ）

    图2 真核生物起源于始祖宿主细胞与原核生物的共生

A．生物分为原核生物和真核生物

B．好氧细菌有氧呼吸的主要场所是线粒体

C．蓝细菌（蓝藻）的生物膜由细胞膜构成

D．线粒体、叶绿体及细菌都含有核糖体和核酸

答案：D

分析：本题结合线粒体和叶绿体的内共生起源学说综合考查了生物的分类、原核细胞与线粒体及叶绿体的结构与功能、生物膜的概念等内容。一般的，生物可分为非细胞结构的病毒与细胞结构的生物，后者又可分为原核生物和真核生物。人教版高中《生物·必修1·分子与细胞》第9页主要介绍了原核生物中的蓝藻与细菌；好氧细菌的异化作用是进行有氧呼吸，但没有线粒体；蓝藻的生物膜包含细胞膜和光合片层（类囊体）膜。人教版高中《生物·必修2·遗传与进化》第70页还介绍了细胞质基因，即线粒体和叶绿体中的DNA都能进行半自主自我复制，并通过转录和翻译控制某些蛋白质的合成，说明两者都含有核酸（DNA与RNA）和核糖体。在必修1的教学与复习中，归纳总结线粒体与叶绿体的结构和功能（有氧呼吸与光合作用）时也可联系半自主性与中心法则。

例3．古生物学家推测：被原始真核生物吞噬的蓝藻有些未被消化,反而能依靠原始真核生物的“生活废物”制造营养物质，逐渐进化为叶绿体。

 （1）图中原始真核生物与被吞噬的蓝藻之间的种间关系为               ，原始真核生物吞噬某些生物具有选择性是与其细胞膜上的               （物质）有关 。

（2）据题干信息可知叶绿体中可能存在的细胞器是               ；叶绿体中DNA的形态为               （环状/线状）。

（3）被吞噬而未被消化的蓝藻为原始真核生物的线粒体提供了              。

（4）古生物学家认为线粒体也是由真核生物吞噬某种细菌逐渐形成，试推测该种细菌的呼吸作用类型是               ，理由是               。

答案：（1）捕食和互利共生    蛋白质（糖蛋白/受体蛋白）  （2）核糖体      环状（3）氧气和有机物    （4）有氧呼吸      线粒体是有氧呼吸的主要场所 （线粒体内分解有机物需要消耗氧气）

分析：本题以叶绿体和线粒体的内共生起源学说为背景，综合考查了生物的种间关系、细胞膜与叶绿体的结构与功能、线粒体的功能。由题干及第（3）小题的信息可知，原始真核生物与被吞噬的蓝藻之间存在捕食（被吞噬并消化）和互利共生（被吞噬未被消化）的种间关系。仅从题干看像寄生关系，被吞噬未被消化的蓝藻进行光合作用合成有机物并释放出O2，供给原始真核生物的线粒体使用，而线粒体产生的CO2可供给蓝藻使用。有观点认为寄生可看作是介于捕食与互利共生的中间过渡的种间关系。叶绿体作为半自主性细胞器，既含有核糖体（作为细胞器内的细胞器）又含有单条环状双链DNA分子，而人教版高中《生物·必修1·分子与细胞》第10页也介绍了原核细胞的拟核有一个环状的DNA分子，这与内共生起源学说中“叶绿体具有细菌基因组的典型特征”的证据是一致的。在复习时，可结合教科书上的直观图片来帮助学生理解并区分环状的拟核DNA与环状的质粒，如人教版高中《生物·必修2·遗传与进化》第103页图6-5及人教版高中《生物·选修3·现代生物科技专题》第6、12页对应的图1-5、图1-11。从线粒体是有氧呼吸的主要场所推测出细菌的呼吸作用类型为有氧呼吸，即线粒体从好氧细菌演化而来。也可结合内共生起源学说来分析。

例4．关于线粒体的起源有多种观点，内共生起源学说（如图3所示）已被越来越多的人所接受。能够支持这一假说的有力证据有很多，请结合所学知识和图3作答。

（1）“内共生起源”学说认为真核细胞中的线粒体是由侵入细胞或被细胞吞入的某种原核细胞经过漫长的岁月演变而来的，请问图3中乙所示的过程体现了细胞膜具有的结构特点是                        。研究发现，线粒体的内、外膜的化学成分和功能是不同的，据图分析最可能的原因是                                。

（2）线粒体内部含有            （填物质）和            （填结构），能够自主地指导蛋白质的合成，因而在遗传方面体现出一定的自主性。

（3）根据上面的理论依据，真核细胞中同样可以用“内共生起源”学说解释其起源的细胞器是          。

（4）随着进化，现在需氧型的真核细胞中的线粒体已不能像需氧型的原核细胞一样独立的完成有氧呼吸，对此，同学们展开讨论，提出了下列两个观点：

观点1：细胞质基质只为线粒体完成有氧呼吸提供必要的场所

观点2：线粒体只能将丙酮酸进一步氧化分解，而丙酮酸的产生依赖细胞质基质

请完成下列实验设计，探究哪一个观点正确。

实验试剂和用品：锥形瓶、酵母菌破碎后经离心处理得到只含有细胞质基质的上清液（试剂1）、只含有酵母菌线粒体的沉淀物（试剂2）、质量分数5%的葡萄糖溶液（试剂3）、质量分数5%的丙酮酸溶液（试剂4）、蒸馏水、橡皮管夹若干、其他常用器材和试剂。

实验步骤：①取锥形瓶等连接成如下装置三套，依次编号为A、B、C。

 ②每组装置中按下表添加相应的试剂，并向装置通气一段时间，观察三组装置中 3号瓶澄清石灰水的是否变浑浊。

锥形瓶 组别	1	2	3
A	10%的NaOH	10ml试剂1+10ml试剂2+10ml试剂3	澄清的石灰水
B	10%的NaOH		澄清的石灰水
C	10%的NaOH	10ml蒸馏水+10ml试剂2+10ml试剂4	澄清的石灰水

补充完表格中空白地方                                         。

实验结果及结论：若                                             ，则观点1正确；

         若                                             ，则观点2正确。

答案：（1）具有一定的流动性         内外膜的来源不相同       （2）DNA    核糖体  

（3）叶绿体  （4）10ml蒸馏水+10ml试剂2+10ml试剂3      只有A组装置中澄清石灰水变浑浊      A、C两组装置中澄清石灰水变浑浊，B组不变浑浊

分析：本题也是以叶绿体和线粒体的内共生起源学说为背景，综合考查了细胞膜的功能特点、内共生起源学说的论据（见1.2和1.4）及实验设计的原则与分析能力。实验设计遵循对照原则，需控制单一变量；采用等量原则可排除无关变量的干扰。实验中的1号锥形瓶用于洗气（排除CO2的干扰）、2号锥形瓶用于反应、3号锥形瓶用于检测实验结果（是否产生CO2）。A、C两组的设计及可能的结果与教科书介绍的有氧呼吸三个阶段的表述类似，易于被考生接受。实验还需要探究线粒体是否可以单独直接分解葡萄糖，若能分解则假设的两种观点都不符合，若不能分解，则两种假设都有可能。依据对照和等量原则，B组设计成“10ml蒸馏水+10ml试剂2+10ml试剂3”，A、B组对照，若A组装置中澄清石灰水变浑浊而B组不变浑浊，则有两种可能，既可能是线粒体分解了葡萄糖（细胞质基质只为线粒体完成有氧呼吸提供必要的场所），又可能是线粒体分解了丙酮酸（丙酮酸的产生依赖细胞质基质分解葡萄糖）。B、C组对照，若两组装置中澄清石灰水都不变浑浊（线粒体既不能单独分解葡萄糖也不能分解丙酮酸），则观点1是可能的；若B组装置中澄清石灰水不变浑浊而C组变浑浊（线粒体不能单独分解葡萄糖但能分解丙酮酸），则观点2是可能的。