文：尼克・連恩（Nick Lane）
分布在不同地理區域的人，線粒體DNA的形式也不太一樣，這種差異性顯然並非隨機，而這也暗示我們，特殊環境對線粒體DNA，確實有篩選的效果，但是，這也就僅止於暗示而已。但是如同前面提過，鳥類的線粒體DNA很少變異，因為DNA序列已經是最適合飛行的了，大部分後來出現的突變，都會被天擇消滅；這也就是說，因為線粒體DNA的變異性很小，也就沒有留給天擇什麼機會，去篩選出碰巧適合寒帶氣候、或是適合多油飲食的變種線粒體。
從這個角度來看，鳥類必須經常遷移，而非停在一處忍受季節變化，就變成一件很有趣的事。是否是因為牠們的線粒體，比較適合應付遷徙時的消耗，而比較不適合應付留下來所要面對的嚴酷環境呢？反過來說，大鼠的線粒體差異就很大，根據第一原理的預測，這可以讓牠們有較多本錢，適應力就好很多。事實果真如此嗎？老實說，我不知道。但是老鼠確實是適應力極佳的小動物，這點無需辯駁。
但是當然，追求線粒體的變異性，也要付出代價，這代價就是疾病。就某種程度上，這缺點可以藉著選擇生殖細胞來避免，也就是帶有突變線粒體的卵子，會在成熟以前就被剔除。有一些證據顯示，這樣的篩選機制確實存在：在大鼠跟小鼠體內，嚴重突變的線粒體在經過幾代繁殖後，就會被剔除，而比較不嚴重的突變則會被留下。不過回頭想想這個結果，要數代後才會被剔除呢！這個天擇作用可真弱。如果你生下來，就受盡嚴重的線粒體疾病之苦，那麼當想到你的孫子（如果你夠幸運能有一個的話），可能不會有一樣的疾病，是不是感到很安慰呢？
即使天擇確實可以作用在生殖細胞上，去剔除突變的線粒體，但這並不保證也會剔除線粒體疾病。尚未成熟的卵細胞，還沒有完整的細胞核基因體，不只是因為它們在減數分裂半途就會停下來，被關在無人知曉的角落好多年；同時也是因為此時父系的基因尚未加入戰局。對核線粒體互相適應的篩選，只有當卵細胞受精之後，當一顆全新、擁有獨一無二細胞核基因體的受精卵誕生後，才算開始。
雜種衰退，並不是因為線粒體突變的關係，雜種衰退來自線粒體跟細胞核基因體的不相容性，而這兩套基因體，當各自處於另外一種情境下時，搞不好是完美的。我們也介紹過，對核線粒體不相容性的篩選變嚴的話，必定也會增加不孕的機率。如果我們不想變成不孕，那就必須付出一些代價，也就是有可能生病。而要在繁殖與疾病之間取捨，也是複雜生物因為需要兩套基因體，而出現完全可預測的後果。
假設真有所謂的死亡門檻（見圖）。跨過這道門檻之後，細胞（連帶著整個生物個體）就會死於細胞凋亡。在門檻之下，細胞跟個體都可以存活。顯然，不同物種之間的閾值，一定不一樣高。對於蝙蝠、鳥類以及其他對氧氣需求極大的生物來說，這門檻必定很低：只要線粒體跟細胞核的基因體稍有不合，線粒體稍微運作不良，又引起輕微的自由基外漏，就會放出細胞凋亡的訊號，然後終止胚胎發育。對大鼠、樹懶以及其他「懶惰的」動物而言，因為對氧氣需求比較低，等於把門檻提高：輕微的自由基外漏沒什麼關係，線粒體運作不太順利，也可以接受，胚胎就可以發育。
對這兩種選擇而言，都有各自的利弊。死亡門檻低，生物有氧運動能力高，不容易有線粒體疾病，但是代價就是生育力低以及適應力低。生育力、適應力、有氧運動力、疾病，這些都是關鍵字彙。沒有什麼比這些更適合作為天擇的種子了。我再強調一次，所有這些利弊取捨，都是因為需要有兩套基因體，而不可避免的結果。
圖說：死亡的門檻 自由基分子外漏，到什麼程度才能引起細胞死亡（細胞凋亡）？在不同物種之間結果應該不一樣，而這要看他們的有氧能力而定。對於有氧需求極高的生物，需要線粒體與細胞核的基因體完美匹配。如果相容性不佳，自由基從運作不良的呼吸鏈中外漏的速率，就會非常高。如果它們對相容性的需求很高，那也會對自由基外漏很敏感，即使只漏出一點點，也會放出適應不良的警報，就會開啟細胞凋亡的開關（低門檻）。
相反的，對有氧需求不大的細胞來講，自殺並沒有什麼好處。這樣的生物就可以忍受較多自由基外漏，而不會啟動細胞凋亡程序（高門檻）。對於死亡閾值高或低的預測，列在圖的兩側。我們預測鴿子有很低的門檻，大鼠則有很高的門檻。這兩種動物的體型跟基礎代謝率都差不多，但是鴿子自由基的外漏速率低多了。這些預測到底有多真？我們並不知道，不過讓人驚訝的是，老鼠只能活三四年，而鴿子卻可以活到三十年。
我純然稱它為一個「假設的死亡門檻」，它確實只是個假設。這道門檻真的存在嗎？它很重要嗎？以人類來說，大約有百分之四十的懷孕，最後會以「早期潛藏性流產」告終。這裡所謂的早期，是非常非常早，大概發生在懷孕前幾周之內，通常都還沒有出現任何懷孕症狀，妳甚至根本不知道妳懷孕了。而「潛藏性」的意思，就是說藏起來，所以也沒有臨床症狀。通常我們都不知道為什麼會流產，它也不是來自一些常見的原因，像是染色體分離失敗，結果造成「三染色體」（trisomy）之類的疾病。
那它有可能肇因於生物能量上的問題嗎？這很難證明。不過，今天科學家已經有了快速掃描基因體的能力，我們倒是有點希望可以知道。我們對於不孕症的焦慮，讓科學家甚至去進行一些不太健康的實驗，來研究可以促進胚胎發育的因子。有些嚇人的實驗，像是笨拙地把ATP（三磷酸腺苷）送入虛弱的胚胎中，而這樣做竟然可以延長胚胎的壽命！所以很明顯地，生物能量確實很重要。
同理，或許這些流產，是為了「追求最佳」所造成的結果；或許這些胚胎，有線粒體核不相容的毛病，所以進入細胞凋亡程序了。對於演化，沒有什麼道德批評可言。我只能說，我不會忘記自己也曾經為此苦惱不已（幸好現在都過去了）。而我，跟大部分人一樣，都想知道為何如此。我相信，大部分的早期潛藏性流產，應該都是源於線粒體核不相容。
此外，還有另外一個理由，支持死亡門檻的存在，以及它的重要性。高死亡門檻，會帶來一個間接的終極代價，那就是老得快，以及必需忍受各種老化相關疾病。這個論點可能會引起某些人的不快。高死亡門檻，代表生物可以忍受比較多的自由基外洩，而不會引起細胞凋亡。這意思也就是說，像大鼠這種低有氧能力的動物，會有比較多的自由基外漏；相反的，像鴿子這種高有氧能力的動物，則會有比較少的自由基外漏。
我挑選這兩個物種來比較，是有特殊的目的，因為牠們的基礎代謝率以及身體質量，幾乎一模一樣。在這樣的基礎上，絕大部分的生物學家，都會猜測鴿子跟大鼠應該有一模一樣的壽命長短。但是根據西班牙的生理學家巴哈（Gustavo Barja）詳細的研究顯示，鴿子線粒體外漏的自由基，比大鼠少多了。根據自由基老化假說，老化是因為自由基外漏所引起的：自由基外漏的愈厲害，我們老化的愈快。
自由基老化假說過去曾備受爭議，但是在上面的例子裡，它卻做出了很明確的預測：鴿子應該活得比大鼠久。事實也確實如此。一隻大鼠最多可以活三四年，但是鴿子卻可以活將近三十年。但是，鴿子當然不是一隻「會飛的大鼠」，很難這樣比較，所以自由基老化假說是正確的嗎？根據它原本的定義，答案很簡單：這假說是錯的。但是，我仍然認為，存在一個正確的、比較難於捉摸的形式。
書籍介紹 本文摘錄自《生命之源：能量、演化與複雜生命的起源》，貓頭鷹出版
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作者：尼克・連恩（Nick Lane）
從幾萬英呎的高空到深不見底的深海海溝，我們的地球到處都充斥著生命。然而，生物學的核心卻是一個亙古難解的問題：複雜生命哪裡來？或者，換句話說，生命最初又是如何開始的。大師級生化學家尼克連恩則在本書中針對此問題提出解答。
尼克連恩認為答案在於「能量」：地球上所有生命的代謝與存活皆需要耗費相當高能的能量。連恩以進化論為基礎，結合了前沿研究當中能量轉換與細胞生物學的關係，從中討論生命的起源到多細胞生物的出現，並提供一個嚴謹的論證，同時加深我們對於「活著」與「死亡」在生物意義上的見解。
Photo Credit: 貓頭鷹出版
責任編輯：翁世航 核稿編輯：楊之瑜