为什么生物没有进化出专职产生 ATP 的器官？ 第1页

首先我觉得从进化解释其实有些不完善，因为这涉及到了不少非进化的东西。

最初我也是想用进化解读，但是后来想到前几天回答的一个维生素C合成退化的问题，就有了疑惑。

如果说进化早？那么为什么不退化掉？

即使没退化，生物体还是有关闭基因的方式，比如用RNA干扰的办法沉默或者甲基化来修饰。

所以本文会分为两大块

第一块是功能的内容，涉及到了温度和修复

第二块是进化的内容，涉及到内共生

所以，我认为，最强烈的理由如下

对于多细胞生物，如果某一个器官负责能量诞生，那么你必须考虑以下问题。

1，温度的问题

由于整个个体需要大量的能量来维持，那么，这个器官必须旺盛的诞生能量。而这个器官本身就很纠结了。

因为，生物本身的合成能量是需要酶的，酶大家都知道，发挥作用需要适宜的温度，所以必须让整个器官维持恒定而且适宜的温度，比如37附近。

但是，由于你把全身的能量放到了一个器官，那么这个能量需求非常恐怖，使得这个器官必须产生超出正常几百倍的能量，这个能量必然让器官剧烈发热。

大部分酶是蛋白质（其实还有种叫做核酶的），温度过高的结果就是蛋白失活，就是煮鸡蛋喽

如何平衡？

所以要不这种小宇宙模式根本不可能实现，这个温度下去，组织就over了

当然你也许会说，让产生能量的组织维持37度，通过大量散热来维持。

问题来了，想散热，基本上是要分布在表面，比如皮肤部分，那么这能量器官也太脆弱了。

而更关键的问题是，产热部位温度太低的话，那么机体其他部位温度更低，可能会低一个数量级，这样一来，生物可能就成了冰火两重天了。

2，损伤的问题

代谢会产生非常多的氧自由基，氧自由基对于细胞的损伤毋庸置疑，很多突变都是这个导致的。

当然了，现在也发现氧自由基也会有一定的益处，所以有人提出了氧自由基的均衡理论。

如果让单一器官完成能量代谢，那么这个器官必然是超出正常组织（我们目前的认知）去合成能量，最终结果就是这个器官高负荷运转，而生物本身有自己的规律，他是有承受力的， 于是这个器官很快损伤了。

当然也有人会说，能不能让这个部位的干细胞一直活跃，一直补充，就像人体的造血干细胞一样呢？理论上是可行的，但是事实上第一条的温度已经把绝大多数的可能性排除了，干细胞增殖需要合适的温度和酶体系，而这个组织无法维持合适的温度。

3，其他如知友们提到的最优化等看法， 事实上在生物上的确存在。

线粒体分布于一个器官，不符合最优化的过程。

毕竟是能量货币，随时需要，运输的损耗，需求的弹性都是个问题。

比如，如果指头急需要能量，从器官运输到指头，需要时间，可能就导致人的敏捷下降了，然后就被吃了。

不仅如此，不同组织需要的能量不一样，这个反馈就涉及到了神经和信号通路，这更麻烦，还得给每个组织配备一个局部处理器，反应器和感应器，这投资太大了。

抛开上述几个问题，我们就不的不提到进化的惯性，比如为什么大部分哺乳类的爪都是五个指头之类的。

———————进化角度的看法——————

对于ATP的问题，生物学上可以用伟大的内共生学说（endosymbiotic theory）来解读。

简言之：内共生的时间早于多细胞动物出现的时间。

多细胞生物由单个生殖细胞发育而来的。而单细胞本身含有线粒体，这就意味着，它在增殖分化过程中，其他的细胞都是以这个原初的受精卵为模板进行扩增。

所以后来者都会和最初的细胞一样，拥有最基本的组成，包括线粒体，所以，你要想让后来的组织没有线粒体，细胞还需要专门设计基因组来关闭这些细胞的线粒体合成（比如沉默基因），对细胞本身也是负担。

当然了，某些成熟的细胞会都掉这些内容，比如红细胞

————拓展阅读————

关于内共生学说，相信大家都有所了解，简单地说就是long long ago，一个产生ATP特别活跃的细菌被另一个菌吞噬，然后二者从此过上了幸福的生活。时间久了，被吞进去的那个功能越来越弱化，最后成为负责能量产生的细胞器，而它的其他需求由吞噬者提供。

这个学说强大到什么地步？

至少在近两年之前，它是判断真核生物和原核生物的标准之一！长期以来被认为是真核生物必不可少的细胞器之一。

内共生发生在大概什么时候呢？

这个目前没有太确切的证据，大概推测应该在氧气代谢出现的那个时代，15亿-26亿年。因为我们在线粒体跨物种进化上，有点卡壳。

原因如下，

1，线粒体内共生过程中，应该发生了基因的突变→假基因化→缺失/转移。

当然线粒体也接受了来自基因组上的基因

这就导致我们不容易追溯这个过程，毕竟跨物种进化这么多年做的也不是特别快。

不像我们做进化，只追踪个别基因即可。

2，线粒体本身进化呈现了两个截然不同的方向

即小基因化和大基因化。

向小基因组进化主要以动物为代表，当然也包括部分真菌、藻类和原生生物，绝大多数只有1万5到1万9大小；

向大基因组进化主要以高等植物为代表，当然也包括部分低等真核生物，大小在20万到200万。

这下就麻烦了，别说林奈分类法都失效了，连基因组都朝两个方向跑了，按照科学家们执拗的相信内共生是发生在一个祖单核生物中，那么，这二者必然有根本性联系。

但是放在生物学里，这是灾难。因为基因组太悬殊，无论是计算保守性还是对比都成了问题，未来随着数据越来越多（主要是物种数据）以及算法的提高（依赖做CS的人们了），肯定会取得进步。

另外，科学家一直没有放弃治疗，额，放弃寻找无线粒体真核生物的存在。因为，理论上，是存在的。

今年5月份，Cell子刊Current Biology发表了一篇文章，首次发现无线粒体的真核生物，也许这是未来给我们揭秘线粒体内共生时间的一把钥匙。

类单鞭滴虫属（Monocercomonoides）进行研究，该单细胞生物来自南美洲栗鼠的消化道。长期以来研究人员认为类单鞭滴虫属的线粒体已消失，为了验证此观点，他们对类单鞭滴虫属进行了基因组测序，结果并没有发现线粒体基因的迹象，进一步研究发现，这种生物缺乏所有线粒体功能的关键蛋白。Karnkowska 说，“真核细胞的定义是有线粒体，如今我们的研究结果推翻了这个定义。”

Karnkowska A, Vacek V, Zubáčová Z, et al. A Eukaryote without a Mitochondrial Organelle[J]. Current Biology, 2016.