科學家發現首個不用呼吸的動物:形似長著外星人「眼睛」的蝌蚪

這次研究新發現的鮭生粘孢蟲看起來有著外星人一樣的「眼睛」。圖片來源：Stephen Douglas Atkinson

此前的研究認為，線粒體與呼吸作用是所有動物賴以生存的基礎。但現在，這句話可能要被《美國科學院院刊》上的最新研究改寫了，因為科學家發現了一種沒有線粒體、不需要呼吸的動物。它們不僅在演化過程中丟掉了神經和肌肉細胞，如今連線粒體已經成為了它們的負擔。

撰文丨楊心舟

呼吸與線粒體

從宏觀上來說，呼吸代表著氧氣進入生物個體體內的過程。但在微觀的細胞世界中，呼吸通常代表著能量產生過程，呼吸作用包括無氧呼吸和有氧呼吸。前者通常會發生在酵母和一些厭氧性細菌中，在肌肉細胞缺氧情況下，人體也可以發生無氧呼吸產生乳酸。但是，這一過程釋放能量的效率並不算太高。

而有氧呼吸對於多細胞生物來說是不可或缺的，相比於無氧呼吸，其效率更高，並且釋放的能量也高很多。細胞通常會利用葡萄糖作為能量來源，而氧氣就更像一種中介物，協助完成有氧呼吸。有氧呼吸的最後一步需要氧氣接收電子，來釋放出代謝產生的ATP。如果缺少了氧氣，多餘的電子會逐漸在細胞內累積，並導致電子轉運鏈停滯，ATP也無法正常產生。這對多細胞生命來說是致命的。

圖片來源：Feinberg School of Medicine

而完成這一精密程序，保證複雜細胞生命正常運轉的細胞器就是線粒體。線粒體至今仍保留著絕大部分和有氧呼吸相關的DNA，並且這一套DNA是獨立於細胞核基因組存在的。科學界推測，這種獨特的細胞器在20億年前也是一種細菌，在被真核生物吞噬後，兩者達成了一種互利共生的狀態。而細菌也逐漸演化成了今天所見的線粒體，負責幫助將食物和氧氣轉變成細胞可用的能量。

線粒體對於依賴有氧呼吸生存的多細胞生命來說，的確是不可或缺的夥伴。但是生存在低氧環境的生物，它們對線粒體的需求似乎就沒有那麼大了。研究曾推測這些生物體內的線粒體會逐漸轉變成線粒體相關細胞器（MRO），逐漸丟失線粒體基因，甚至最後完全在體內移除線粒體。

尋找沒有線粒體的生物

早在2016年，發表在《當代生物學》的一項研究就首次發現了沒有線粒體的真核生物，當時來自捷克和加拿大的合作團隊從動物身上分離獲得了一種微生物，但是基因測序結果顯示這種微生物沒有編碼線粒體蛋白的基因。

這種被稱作類單鞭滴蟲（Monocercomonoides）的生物長期生存在低氧環境中，而它們在進化樹上的祖先本身是含有線粒體的，這說明它們在演化過程中丟失了線粒體。取而代之的是，它從細菌身上獲得了另一種替代線粒體的細胞溶質硫動員系統。

在該研究之前，許多科學家都在追尋沒有線粒體的真核生物，包括植物、動物、真菌還有原生生物。當時，研究的作者Karnkowska認為像類單鞭滴蟲一樣，還有很多原生生物沒有線粒體。在他看來，真核生物的生命力要遠比我們想像的強很多。

Karnkowska的想法並沒有錯，因為最近發表在《美國科學院院刊》上的研究，甚至超越了他當時局限於原生生物的預測，首次找到了沒有線粒體的動物。當然，這種動物不像我們平時所見的一樣擁有龐大的個體，而是一種依賴魚類生存的寄生蟲。它有著奇特的外形，類似一隻蝌蚪，並且頭部還有著像外星人一樣的「眼睛」。

研究人員在檢測寄生的粘體動物（Myxozoans）下各個種屬的生物時，意外地發現了其中有一種被稱作鮭生粘孢蟲（Henneguya salminicola）的種屬沒有線粒體基因組。由於在基因測序中沒有發現其對應的線粒體基因，這就意味著它們根本沒有線粒體。

從種屬關係上來看，鮭生粘孢蟲算得上是水母的遠親，兩者都屬於刺胞動物門（也被稱作腔腸動物門）。儘管鮭生粘孢蟲在漫長的演化過程中丟失了神經細胞、肌肉細胞，但它們仍然是一種多細胞生命，比如看起來像外星人眼睛的就是兩個刺細胞，這種細胞能幫助鮭生粘孢蟲在接近宿主的時候，牢牢吸附上去。

演化的決定

至於為什麼鮭生粘孢蟲最終變成了沒有線粒體，研究推測這應該和它的生活環境有關。它本身的生物行為其實就與寄生蟲一樣，平時在水裡自由地遊蕩，而主要的生命周期分別在兩種寄主中完成。一種是魚類，尤其是鮭魚；而另一種是環節類蠕蟲。

在寄生環境下，氧氣成了一種奢侈品。於是在漫長的演化過程中，它逐漸放棄了需要用氧氣提供能量的線粒體。這在演化上其實是一種必然的結果，當線粒體無用時，身體不僅需要消耗身體額外的能量來製造它和維持運轉，卻又得不到任何好處，這對於生物來說極其不划算的，那麼逐漸擺脫這種負擔就是最好的選擇。

從演化的角度來說，生命都傾向於變得更加複雜，能力變得更加多樣化。但鮭生粘孢蟲也讓我們看到，並不是所有生命都是這麼想的，在這些動物眼中，複雜更像是一種負擔，在它們的寄生任務上不需要複雜化與多樣化。神經和肌肉是多餘的，線粒體同樣成了非必需品。就這樣，鮭生粘孢蟲逐漸變得和單細胞生物一樣。對此，論文的通訊作者Dorothée Huchon也感到非常驚訝，他表示，「鮭生粘孢蟲丟掉了幾乎所有東西，現在連呼吸能力也不需要了。」

其實在此次新研究中，作者還檢測了其他的粘體動物，比如Myxobolus squamalis。作為鮭生粘孢蟲近親，這種粘體動物卻又擁有線粒體基因。研究目前還不清楚鮭生粘孢蟲為何如此獨特的原因。

而鮭生粘孢蟲究竟是怎樣在沒有線粒體的情況下存活下來的。Huchon推測它們可能有一種還沒有發現的系統和能力，能夠直接從宿主體內獲得ATP，以此來滿足自己的能量需求。但究竟它們是如何精妙地完成這一過程，還有著更多的未知等待科學家去發現。就像Karnkowska說的一樣，真核生物的生命力要遠比我們想像的強很多。

原始論文：

A cnidarian parasite of salmon (Myxozoa: Henneguya) lacks a mitochondrial genome