我们的能量从哪里来？为什么会有两种性别？我们为何会成长、死亡？
地球上缤纷多彩的生命背后，究竟有着什么样的秘密？
这有问题的解答，都是——粒线体
科普书高荣誉——英国皇家学会科学图书大奖决选入围
《独立报》称尼克•莱恩为“我们时代令人激动的科普作家之一”

人类总是仰望星空，想知道我们为什么会在这里，我们是否在这个宇宙中是孤独的。我们问为什么世界充满了动植物，这一切没有发生的可能性有多大？我们来自何方,我们的祖先是谁,我们的命运将是怎样？
对生命、宇宙和一切的问题的答案神秘而简短:线粒体。
因为它告诉我们分子是如何在我们的星球上产生生命的，为什么细菌会主宰这个星球这么长时间。
它告诉我们一个真正复杂的细胞是如何形成的,以及为什么从那时起,地球上的生命就沿着复杂性斜坡上升到如今我们周围的繁荣景象。
它向我们展示了为什么燃烧能量的温血生物会崛起,冲破了环境的枷锁；为什么我们有性行为、有两种性别、有孩子,为什么我们须坠入爱河。
它还向我们展示了为什么我们在这片苍穹下的日子是有限的,为什么我们须终变老和死去。它们也向我们展示了,怎样做才能改善我们的晚年生活,以避开身为人类的诅咒———老化的痛苦。
就算它没有告诉我们生命的意义,它至少能让我们理解生命为何是这般模样。
如果这都没有意义,那这世界上还有什么是有意义的呢?

致谢001
序言001
导言线粒体： 世界的隐秘统治者001
一章 有希望的怪物：真核细胞的起源025
一节 深的演化鸿沟035
第二节 追寻祖先048
第三节 氢假说064
第二章 生命力：质子动力与生命起源079
第四节 呼吸作用的意义085
第五节 质子动力102
第六节 生命的起源113
第三章 内幕交易：复杂性的基础127
第七节 细菌为何如此简单139
第八节 为什么线粒体使复杂性成为可能158
第四章 幂次定律：尺寸与复杂性上升的斜坡179
第九节 生物中的幂次定律187
第十节 温血革命213
第五章 谋杀还是自杀：个体的艰难诞生225
第十一节 体内的冲突239
第十二节 个体的建立258
第六章 性别之战：史前人类与性别的本质273
第十三节 性别的不对称279
第十四节 史前人类考古的性别启示291
第十五节 为什么有两种性别311
第七章 生命的时钟： 为何线粒体终将杀死我们321
第十六节 线粒体衰老理论329
第十七节 自动校正机的消亡347
第十八节 治疗老化？362
后记374
词汇表386
译后记393
致谢

尼克·莱恩（Nick Lane）
英国演化生化学家，也是英国伦敦大学学院的荣誉教授，作家，英国伦敦大学学院遗传学、演化和环境系的演化生物化学教授，伦敦大学学院线粒体研究学会的创始成员，并领导了该学院关于生命起源的研究计划。
莱恩曾获得2015年生物化学协会奖，2016年皇家学会迈克尔•法拉第奖，并在《自然》《科学》和《细胞》等国际期刊上发表过80余篇论文。
莱恩写过四本关于进化的书籍，被翻译成25国语言。《独立报》称他为“我们时代令人激动的科普作家之一”。

第十六节 线粒体衰老理论
生物学领域中自由基研究的先驱德纳姆•哈曼于1972年提出了线粒体衰老理论。哈曼的中心观点很简单： 线粒体是体内氧自由基的主要来源。这种自由基具有破坏性，并攻击细胞的各种成分，包括DNA、蛋白质、脂质膜和碳水化合物。这些损伤大部分可以通过细胞成分的正常更替获得修复或替换，但受损伤严重的部位，明显的就是线粒体自身，很难通过食用抗氧化剂来获得保护。因此，哈曼说，衰老和退行性疾病的发病率应该由线粒体的自由基泄漏率，再加上细胞固有的保护或修复损伤的能力共同决定。
哈曼的论点建立在哺乳动物代谢率和寿命之间的关系上。他明确地将线粒体标记为“生物钟”。他说，本质上，代谢率越高，耗氧量就越大，因此自由基的产生量就越高。我们将看到这种关系通常是正确的，但不总是这样。这项限制性条款可能看起来微不足道，但它已经使整个领域困惑了一个世代。哈曼提出了一个完全合理的假设，但事实证明这是不正确的。不幸的是，他的假设已经与一般理论纠缠在一起。推翻这个假设并不能推翻哈曼的理论，但它确实推翻了他重要和广为人知的预测——抗氧化剂可以延长生命。
哈曼这项有道理但令人困惑的假设是，从线粒体呼吸链泄漏的自由基比例是恒定的。他假设，泄漏基本上是细胞呼吸机制不受控制、不可避免的副产品，这与细胞呼吸机制中电子沿着呼吸链的传递并需要分子氧是并行的。理论上而言，这些电子中的一部分不可避免地会逃脱呼吸链，与氧反应形成破坏性的自由基。如果自由基以固定速率泄漏（假设是总流通量的1%），那么总泄漏量就取决于耗氧量的速率。代谢率越高，电子和氧气的流通越快，而自由基的泄漏也会越快，即使实际泄漏的自由基的比例永远不变。所以代谢率高的动物产生自由基的速度也快，因此动物的寿命短，而代谢率低的动物产生自由基的速度也慢，因此可以活得更久。
在第四章中，我们看到一个物种的代谢率取决于它体重的2/3次幂。体重越大，个体细胞的代谢率就越慢。这项关系在很大程度上独立于基因之外，而取决于生物学的幂次定律。现在，如果自由基泄漏只取决于代谢率，那么相对于物种的代谢率延长寿命的一途径是提高抗氧化剂（或抗逆境）的能力。因此，原始线粒体衰老理论的一项暗示性的预测是长期生存的生物须有更好的抗氧化剂保护能力。因此，寿命长的鸟类体内一定积蓄了较多的抗氧化剂。因此，如果我们希望长寿，我们须寻求加强我们自己的抗氧化剂保护能力。哈曼认为，迄今为止，我们没有通过抗氧化剂疗法延长自己寿命的一原因（这里的“今”指的是1972年）是因为很难将抗氧化剂送达线粒体。尽管又经历了30多年的屡战屡败，许多人仍然认同这个观点。
这些想法是顽强的，但是错误的，在我看来： 他们如那些靠着倒刺勾在动物毛皮上的植物一般坚持着线粒体衰老理论。特别是认为抗氧化剂可能延长我们生命的想法支撑着一个价值数十亿美元的补充剂产业，但几乎没有确凿的证据来支持这项主张。不同于《圣经》所描述的盖在移动的沙土上的房子，这项主张一直屹立不倒。30多年来，医学研究者和老年学家（包括我自己）在各种衰退的生物系统中投入抗氧化剂，发现它们根本不起作用。它们或许可以纠正饮食中的营养缺陷，并可能预防某些疾病，但是它们根本不影响生物的大寿命。
要解释负面证据总是很困难的，那个自鸣得意的俗语总是提醒着我们，“缺乏证据并不代表没有证据”。抗氧化剂不起作用的事实（如果是事实的话）可能总是与送达目标的困难有关： 可能是剂量不对，或是抗氧化剂用得不对，或是分配不对，或是时机不对。要到什么时候我们才能转身离开，说：“不，这不是一个药理学问题，抗氧化剂真的不起作用。”这答案因个人性情而异，也有一些著名的研究者至今尚未离开。但是在20世纪90年代，就整个领域而言方向已经转变了。正如两位著名的自由基威约翰•古特里奇和巴里•哈利韦尔在几年前所说的：“到了90年代，我们已经很清楚抗氧化剂不是抗衰老和疾病的灵丹妙药，只剩下边缘医学还在兜售这种观念。”
我们有更强有力的理由来挑战抗氧化剂的地位，这些理由都来自比较研究。之前我提到过一项预测说长寿的动物应该具有高水平的抗氧化剂。这似乎一时看上去是真的，但仅仅是在将数据进行了一点无伤大雅的统计分析之后，才是成立的。在上世纪80年代，巴尔的摩国家老龄化研究所的理查德•卡特勒发表了一篇有误导之嫌的报告，说长寿命动物身上比短寿命动物拥有更多的抗氧化剂，问题是他提供了抗氧化剂相对于新陈代谢率的数据，然而这样做掩饰了代谢率和寿命之间更为紧密的联系。换句话说，大鼠的抗氧化剂水平比人类低，但这项表述只有当抗氧化剂浓度除以代谢率时才成立，而大鼠的新陈代谢率是人类的7倍；难怪可怜的大鼠似乎显得无能为力。这一行为掩盖了抗氧化剂水平与寿命之间的真正关系： 老鼠体内的抗氧化剂水平实际上比人类要高得多。十几项独立研究表明抗氧化剂水平和寿命之间的关系是负相关的。换句话说，抗氧化剂水平越高，寿命越短。
也许这种意料之外的关系有趣的方面是，抗氧化剂水平和代谢率水平相平衡。如果代谢率高，那么抗氧化剂水平也很高，推测是为了防止细胞氧化；然而寿命仍然很短。相反，如果代谢率低，抗氧化剂水平也很低，推测是因为细胞氧化的风险较低，但寿命仍然很长。看来，身体不会浪费任何时间和精力去制造更多的抗氧化剂，仅仅是为了维持细胞中平衡的氧化还原状态（即氧化的分子和还原的分子的动态平衡被维持在佳状态以保证细胞功能的正常运作）。当下的状态也与组织氧气浓度有关。在第四章中，我们注意到在整个动物界，组织氧气水平都保持在3或4千帕斯卡的范围内，这意味着氧气水平和抗氧化剂水平在细胞中取得平衡以保持大致恒定的氧化还原状态。我们将在第七章中看到为什么。短寿命和长寿命动物的细胞主要通过平衡抗氧化剂水平和自由基生成速率来使得细胞保持相似而有弹性的氧化还原状态；但是寿命长短并没有受到抗氧化剂水平的影响。于是我们不得不得出结论： 抗氧化剂几乎与衰老无关。
这些想法在相对于代谢率而言寿命很长的鸟类身上得到了证实。根据线粒体衰老理论的原始版本，鸟类应该具有更高的抗氧化剂水平，但这又不是真的。这种关系是不一致的，但一般来说，鸟类的抗氧化剂水平比哺乳动物低，和预测正好相反。另一个用来测试的例子是热量限制。到目前为止，卡路里限制是一被证明能有效延长像大鼠和小鼠这样的哺乳动物寿命的机制。它确切是如何工作的尚存在争议，但它与抗氧化剂水平之间的关系，在不同物种身上的状况也不甚明确。抗氧化剂浓度有时上升，有时下降，没有一致的关联性。上世纪90年代初出现了一项振奋人心的研究，表明通过基因改造使得果蝇在遗传上显出更高的抗氧化酶水平时，果蝇寿命更长，但是实验结果却是不可重复的，至少在原始研究人员的手中（他们对长寿命和短寿命的果蝇品种进行了区分： 较高的抗氧化剂水平可以延长短寿命果蝇品种的寿命。换句话说，它们可以弥补遗传缺陷）。如果从上述的一切可以推出任何确凿的结论，那肯定不是高水平的抗氧化剂可以延长健康、营养状况良好的动物的寿命。
我们一直被抗氧化剂的诱惑困扰，原因很简单： 从呼吸链逃逸的自由基的比例不是恒定的——哈曼的假设是错误的。而自由基泄漏量通常的确反映氧的消耗量，但也可以被上下调节。也就是说，自由基的泄漏率非但不是一种无法控制和不可避免的细胞呼吸副产品，而且在很大程度上是可以控制和避免的。根据马德里康普顿斯大学的古斯塔沃•巴尔哈以及同事们的开创性研究，鸟类之所以寿命很长，因为它们从呼吸链中泄漏出的自由基本来就比较少。因此，尽管消耗大量的氧气，它们也不需要有这么多的抗氧化剂。重要的是，热量限制似乎也以类似的方式起作用。尽管有各种各样的遗传变异，但其中重要的是在耗氧量相似的前提下，限制自由基从线粒体泄漏。换句话说，在长寿的鸟类和哺乳动物中，从呼吸链泄漏的自由基比例都被降低了。
这个答案似乎没有什么攻击性，但实际上很麻烦，并在已建立的衰老演化理论上捅了个窟窿。问题是长寿的动物之所以做到这一点，是通过限制线粒体自由基的泄漏来达成的。因为衰老的速度由基因控制，由此推断在鸟类中一定通过自然选择成功地降低了自由基的泄漏率（据推测在人类中大概也是这样，只是程度较低）。很好。但如果自由基只是破坏性的，为什么老鼠不能也通过限制自由基泄漏来活得更久呢？这似乎没有成本，甚至恰恰相反，老鼠也不需要制造额外的抗氧化剂来防止自身被氧化了。当然，由此带来的好处一定很多，因为长寿的老鼠显然会有更多的时间，留下更多的后代。因此，只要限制自由基的泄漏，老鼠（人类也一样）就可以活得更长且没有成本。
那它们为什么不呢？是因为有什么潜在的代价吗？还是我们对衰老的想法需要彻底修正？通常认为长寿的代价是某种程度上对性的损害。根据纽卡斯尔大学的汤姆•柯克伍德提出的可抛弃体细胞理论，寿命与生殖力是相制衡的： 长寿命的物种每胎的数目往往比短寿命的物种要少，而且繁殖的频率要低得多。这无疑是正确的，至少在大多数已知的案例中的确是这样。原因不太确定。柯克伍德认为，这一原因与个体细胞和组织内资源利用的平衡有关： 当资源被导向促成个体性成熟和提高每胎的后代数目时，就会减少那些用于确保细胞长寿的资源，例如DNA修复、抗氧化酶和抗逆性——毕竟只有这样几种方法来划分有限的资源。巴尔哈的数据对这个想法提出了挑战。限制自由基泄漏不应以降低生殖能力为代价，因为细胞损伤是被限制的，不需要提升抗逆能力——可抛弃体细胞理论中所说的代价被否定了。因此，如果可抛弃体细胞理论是正确的，那么限制自由基泄漏应该有一个隐藏的代价；我们将在后一节中看到，确实存在一个隐藏的代价，它对我们追求长寿具有重要的意义。
为了理解为什么，我们需要考虑哈曼的线粒体理论的另一个预测，这个预测同样也引起了麻烦。这项预测认为，自由基不一定会破坏细胞的构造——而是会被抗氧化剂清除掉——但它们确实会损伤线粒体，特别是线粒体DNA。哈曼实际上只是顺便提到了线粒体DNA，但后来却成为这一理论的基本原则。让我们看看为什么理想预测和残酷现实之间的差距揭示了很多事情的真相。
线粒体突变
哈曼认为，由于自由基的反应性很强，从呼吸链中逃逸出来的自由基应该主要影响线粒体本身——它们应该在产生自由基的地方就地反应，而不是对其他较远的部位造成太大的损害。然后，他敏锐地问，线粒体随年龄增长而逐渐衰退是否“有部分是通过线粒体DNA功能的改变来介导”？这一连串效应应该是这样的： 自由基从呼吸链逃逸，攻击附近的线粒体DNA，引起破坏线粒体作用的突变，随着线粒体的衰退，细胞整体的表现导致衰老的特征。
几年后，西班牙阿利坎特的海梅•米克尔和他的同事更为明确地表述了哈曼敏锐的提问。他们在1980年的构想至今仍然是线粒体衰老理论为人所熟悉的版本，尽管我们将看到，它的某些方面与数据并不完全吻合。构想内容如下： 蛋白质、碳水化合物、脂质等所受的伤害是可以修复的，并没有危险性，除非损伤速度之快是压倒性的（例如像是辐射中毒之后）。而DNA则不同，虽然DNA损伤也可以修复，但有些损伤会改变原始的序列，从而造成突变。突变是可遗传的DNA序列的变异。除非通过随机的反向突变恢复原始序列，或与另一条未突变的DNA进行重组，否则不可能恢复原始的序列。并不是有的突变都会影响蛋白质的结构和功能，但其中的一些确实会对蛋白质的结构和功能造成影响。通常的情况下，突变越多，产生有害影响的可能性就越大。
理论上，线粒体突变会随着年龄的增长而累积。当突变越积越多的时候，整个系统的效率开始崩溃。通过一组不完善的指令是不可能形成一个美的蛋白质的，所以一定程度的低效率被植入了这些蛋白质。更糟的是，如果突变影响线粒体的呼吸链，那么自由基泄漏率就会上升，形成愈演愈烈的恶性循环。这种正反馈终会导致一场“错误灾难”，细胞失去对其一切功能的控制。当组织中相当大比例的细胞都落入这样的厄运时，器官就会衰竭，将剩下的功能器官置于更大的压力下。衰老和死亡就是不可避免的结果了。
那么突变影响呼吸链蛋白的可能性有多大？答案是极有可能。我们已经看到，13种核心呼吸蛋白质由线粒体DNA编码，线粒体DNA就锚定在呼吸链旁的线粒体内膜上。任何逃逸的自由基实际上都会与这个DNA发生反应： 突变的发生只是时间问题。我们已经看到线粒体中编码的蛋白质与细胞核中编码的蛋白质有亲密的交互作用，任何一方的改变都会破坏这种亲密关系，并影响整个呼吸链的功能。