内共生学说

内共生学说是解释真核细胞线粒体与叶绿体起源的理论，主张真核细胞由真核细胞的祖先吞入细菌共生进化而来，由美国生物学家琳·马古利斯在1970年《真核细胞的起源》中系统提出。该学说主张线粒体起源于被吞噬的好氧细菌，叶绿体源自被吞噬的蓝藻，二者与宿主形成互利共生关系。

原始真核细胞通过吞噬作用摄入原核生物，经过长期共生演化，这些细菌或蓝藻转变为细胞器。线粒体与叶绿体保留自主DNA、细菌式核糖体亚基及蛋白质合成系统，其遗传密码、双层膜结构与抗生素敏感性与原核生物一致，佐证了内共生起源假说。线粒体和叶绿体的内膜与外膜在性质和成分上存在差异，其基因组为单条环状双链DNA，核糖体由30S和50S亚基组成，这些特征与原核生物相似。研究证实线粒体起源于α-变形菌的一个分支。在进化过程中，内共生体的部分基因组转移至宿主细胞核，并存在多重内共生现象。

学说起源可追溯至1905年康斯坦丁·梅列什科夫斯基提出的叶绿体内共生假说。1850年寇里克观察到线粒体，1886年阿尔特曼将其命名为“原生粒”，1897年本达命名为线粒体。1922年伊万·沃林发现线粒体自主存活特性并提出内共生构想。随着细胞器DNA的发现，马古利斯整合前人研究完善了理论框架。

学说简介

内共生学说（Endosymbiotic theory）是一种解释真核细胞中线粒体和叶绿体起源的假说，主张这些细胞器起源于被吞噬的细菌共生进化而来。

由美国生物学家马古利斯（Lynn Margulis）于1970年出版的《真核细胞的起源》一书中正式提出。该学说的思想可追溯至更早，如康斯坦丁·梅列什科夫斯基于1905年提出过内共生假说，伊万·沃林在20世纪20年代也提出类似观点。她认为，好氧细菌被变形虫状的原始真核生物吞噬后、经过长期共生能成为线粒体，蓝藻被吞噬后经过共生能变成叶绿体。现代研究进一步明确，线粒体起源于α-变形菌，叶绿体起源于蓝细菌。支持证据包括它们拥有独立的环状DNA和类似原核生物的核糖体。

物种学史

1850年，瑞士-德国生物学家鲁道夫·寇里克（Rudolph Kolliker）首次在实验中观察到线粒体；1886年，德国病理学家理查德·阿尔特曼（Richard Altmann）将其命名为“原生粒”（Bioblast）；1897年，德国生物学家卡尔·本达（Carle Benda）正式命名为“线粒体”（Mitochondrion）。

1905年，Konstantin Mereschkowsky最先提出叶绿体是由原先的内共生体形成的这一想法，随后1920年代Ivan Wallin提出了对线粒体的相同想法。随着人们发现它们含有DNA，这些想法被Henry Ris重新提出。

20世纪70年代，美国生物学家琳恩·玛格丽丝（Lynn Margulis）系统提出并完善了内共生学说。在她1981年的《细胞进化中的共生》中，她认为真核细胞起源于相互作用的个体组成的群落，也包括内共生的螺旋体形成了真核生物的鞭毛和纤毛。后一种想法没有被广泛接受，因为鞭毛缺乏DNA，在结构之外和原核生物也没有明显相似性。根据Margulis和Sagan(1996)，“生命并不是通过战斗，而是通过协作占据整个全球的”，而达尔文关于进化由竞争驱动的想法是不完善的。然而也有人认为内共生更像奴隶制而非互利共生。

有人认为过氧化物酶体可能也具有内共生起源，尽管它们缺乏DNA。 Christian de Duve认为他们也许是最早的内共生体，使得细胞能够抵抗地球大气中越来越多的氧气。然而，现在看来它们可能是“从头合成”的，而非具有共生起源。

学说内容

内共生学说是解释真核细胞中线粒体和叶绿体起源的假说，主张线粒体起源于被吞噬的好氧细菌，叶绿体源自被吞噬的蓝藻，二者与宿主形成互利共生关系。原始真核细胞通过吞噬作用摄入好氧细菌或蓝细菌，被吞噬的细菌为宿主提供能量或营养物质，宿主则为细菌提供保护与稳定的细胞内环境。经过长期共生演化，这些细菌或蓝藻转变为细胞器。

在漫长共进化过程中，内共生体的部分基因转移至宿主细胞核，削弱了其自主性，形成现今的半自主性细胞器。线粒体与叶绿体保留自主DNA、细菌式核糖体亚基及蛋白质合成系统，其遗传密码、双层膜结构与抗生素敏感性与原核生物一致。线粒体和叶绿体的内膜分别同细菌和蓝藻的膜相似，外膜则与真核细胞内膜系统相似，且均以缢裂的方式分裂繁殖。

2020年的研究通过系统性物种抽样和进化分析，证实线粒体起源于α-变形菌的一个特定分支（α-变形菌 IIb 分支）。 根据线粒体内共生发生的时间不同，产生了早期线粒体模型和晚期线粒体模型，前者认为先有线粒体后有其核细胞特征，后者认为先有吞噬能力等真核特征后获得线粒体，争论尚无定论。

证据

这一假说由于证据充分，已被越来越多的人所接受。主要证据如下：

共生

（1）共生是生物界的普遍现象，例如根瘤菌与豆科植物的共生关系，蓝藻或绿藻与真菌共生形成地衣等。有一种草履虫（Paramoeciumbursaria），其体内有小的藻类与之共生，并能进行光合作用；过去说澳洲白蚁消化道内生活着一种所谓混毛虫（Mixotricha paradoxa），实际由两种螺旋体、两种真细菌和一种纤毛虫组成，它们能分泌有关的酶，消化纤维素。特别是近年发现的灰孢藻（Glaucocystis），它本身并无叶绿素，但有许多叶蓝小体（cyanella）生活在体内，进行光合作用制造食物。这种共生关系看来建立不很久，因为叶蓝小体在细胞内还不大固定。灰孢藻的发现是对“内共生假说”的有力支持。此外，像草履虫（如绿草履虫）体内与绿藻的共生，以及绿叶海蛞蝓通过取食藻类并保留其叶绿体（质体）进行光合作用等现象，均为内共生学说提供了现存的、动态的实例支持。

叶绿体

（2）叶绿体和线粒体都有其独特的DNA，可以自行复制，不完全受核DNA的控制。线粒体和叶绿体拥有独立的环状DNA（mtDNA, cpDNA），其碱基组成、基因结构与原核生物（细菌、蓝藻）相似，与细胞核DNA不同。特别是，现代系统发生学分析表明，线粒体DNA起源于α-变形菌（α-Protobacteria），并精确地位于α-变形菌IIb分支内。蓝藻的核糖体RNA（rRNA）不仅可以与蓝藻本身的DNA杂交，而且还可与眼虫叶绿体的DNA杂交，这些都说明它们之间的同源性。

线粒体和叶绿体以缢裂方式分裂增殖，类似于细菌的二分裂。此外，在真核细胞的细胞核基因组中发现了来源于细菌或蓝细菌（蓝藻）的基因片段，这支持了在内共生过程中发生了大规模的基因转移。

蛋白质合成系统

（3）线粒体和叶绿体都有自己特殊的蛋白质合成系统，不受核的合成系统的控制。原核生物的核糖体由30S和50S两个亚基组成，真核生物的核糖体由40S和60S两个亚基组成。线粒体和叶绿体的核糖体分别与细菌和蓝藻的一致，也是由30S和50S两个亚基组成，这说明细菌和线粒体、蓝藻和叶绿体是同源的。抗生素可以抑制细菌和蓝藻的生长，也可以抑制真核生物中的线粒体和叶绿体的作用，这也说明线粒体与细菌、叶绿体与蓝藻是同源的。例如，氯霉素等抗生素能特异性抑制线粒体、叶绿体的蛋白质合成，其作用机制与抑制细菌蛋白质合成一致。

外膜

（4）线粒体、叶绿体的内、外膜有显著差异，内、外膜之间充满了液体。它们内、外膜的化学成分是不同的。线粒体和叶绿体具有双层膜结构。内膜在成分和功能上与原核生物（如细菌）的质膜相似；外膜则与真核细胞的内膜系统（如内质网）更为相似，这被认为是宿主细胞在吞噬共生体时，由宿主膜包裹形成的。

线粒体的遗传密码与变形菌门，特别是α-变形菌的细菌遗传密码更为相似，这从遗传信息表达的根本层面支持了线粒体的细菌起源。

存在问题

内共生学说得到了大量的生物学研究证据的支持，例如线粒体和叶绿体拥有独立的环状DNA、以缢裂方式分裂、核糖体亚基与原核生物相似等。2020年的一项系统发生学研究进一步证实，线粒体起源于α-变形菌的一个特定分支。然而，该学说在解释某些进化细节时仍面临挑战，主要问题包括：

1.内共生过程中，拥有先进的氧化代谢途径的好氧细菌无疑应该占优势，但按内共生假说，好氧细菌反而逐步丧失了独立自主性并将其遗传信息成批地转移到了宿主细胞中，这种观点不符合进化论思想。

2.好氧细菌据估计发生在15亿年以前(甚至更晚一些)，但化石提供的证据说明蓝藻大约在22-27亿年以前就形成了。那么，为什么蓝藻开始共生的时间却远比好氧细菌进行共生的时间迟得多呢?

3.细菌的细胞色素a+a3不能或极缓慢氧化哺乳动物的细胞色素c，反之，哺乳动物细胞色素a+a3也不能作用于细菌的细胞色素c。因此，原核细胞的侵入无助于真核细胞的呼吸作用，起不到彼此互利的共生作用。

4.在叶绿体基因与线粒体基因中发现内含子是惊人的，因为细菌基因中没有发现内含子。这种内含子的来源及其对生物的效应目前没有得到很好的解释。

5.线粒体含有肌动蛋白-肌球蛋白系统，但细菌和蓝藻中没有这种系统，也没有相应的运动能力。

6.内共生假说没有很好解释细胞核的进化。真核生物的C值(基因组大小)比原核生物高约3.5个数量级，如果两个原核细胞通过吞噬进行共生，为何会出现如此巨大的基因组差异?

7.蓝藻可以进行有氧呼吸，为什么植物还需要线粒体?

最新研究进展

2020年7月14日，同济大学朱瑞新课题组、南方科技大学张传伦/范陆课题组联合德国杜塞尔多夫大学William F. Martin等团队在《自然·生态与进化》杂志上发表了题为《基于系统性物种抽样的系统发生学分析证明线粒体起源于α变形菌》的研究论文。该研究通过系统性物种抽样、去除异质性位点方法检验以及多方法（贝叶斯系统发育树）相互验证等创新策略，降低了系统误差。研究首次定义了α-变形菌的四个进化主类群，并确定线粒体起源于其中一个含有海洋细菌和内共生菌的α-变形菌 IIb分支。这项研究将线粒体起源问题重新锚定在α变形菌框架内，并提供了迄今最精确的进化关系。

此外，关于内共生发生时间的“早期线粒体模型”与“晚期线粒体模型”之争仍在继续。2022年，《分子生物学与进化》上刊登的一篇论文通过分析军团菌的进化历史，推断吞噬机制存在于约18.9亿年前，早于线粒体形成时间，为晚期线粒体模型提供了新的支持证据。