在最新一期《自然》杂志上，英国伦敦大学学院生物学家尼克·雷恩和德国杜塞尔多夫大学威廉·马丁提出了一种新假说，或能解释地球上首个真核细胞——动物和植物共同祖先——如何形成。该假说认为，复杂多细胞生命的多样性，只有在某个细胞进入另一个细胞并随时间进化成线粒体之后才会出现。

以今天的标准来看，地球上的生命在约40亿年前首次出现时相当简单。随后10多亿年，地球被类似现代单细胞细菌和微生物的低等生物统治。约20亿年前，一种新的生命形式在原始汤中诞生，代表了根本不同的进化路径。我们今天所知的多细胞生命（如枫树、霉菌、蘑菇、老鼠或人类）的多样性都起源于这种真核生物，但科学家仍不清楚其确切起源。

线粒体是产生细胞能量的微小细胞器。人类和其他动物细胞内拥有数百个线粒体，它们为身体从生到死提供能量。线粒体通过氧化磷酸化过程将有机物中的化学能转化为ATP，为细胞活动提供直接能源。

新假说与以往观点相悖。过去认为，在线粒体出现前，复杂多细胞生物已独立形成。“生物学家一直认为，复杂性在前，线粒体在后，”马丁说，“我们的研究表明，这行不通。线粒体是复杂性所必需的。”这一观点基于能量学原理：真核细胞需要大量能量来维持庞大的基因组和复杂的细胞结构，而线粒体通过高效的能量生产满足了这一需求。

线粒体的起源在地球历史上似乎只发生过一次。美国北伊利诺伊大学生物学家尼尔·布兰科斯通表示，这是生命起源中极具挑战性的一步。但仅仅一个细胞进入另一个细胞还不够，两者必须以共生状态共存，共享资源而非竞争，共存而非杀死对方。这种内共生事件可能发生在约20亿年前，一个古菌宿主吞噬了一个α-变形菌，后者逐渐演化为线粒体。

初始阶段，内部细胞可能成为寄生虫，与宿主细胞争夺资源并最终杀死宿主。但研究人员表示，这并未发生，而是两个细胞共同进化。内部细胞逐渐只专注于高效供能，变得越来越小，脱落所有不必要的基因。例如，线粒体基因组在进化过程中大幅缩减，许多基因转移到宿主细胞核中，形成核-线粒体协同调控网络。

较大细胞内的充足能量使这些新生命形式积累的DNA数量比祖先多出1000倍以上，允许它们变得越来越复杂，最终形成植物、动物和其他分支。真核细胞的基因组大小可达数亿碱基对，而原核生物通常只有数百万碱基对。这种基因组扩张为基因调控、细胞分化、多细胞组织等复杂性状的演化提供了遗传基础。

研究人员认为，这种能量学也能解释为何缺乏线粒体的细菌和其他细胞从未变得真正复杂。它们始终面临能量限制，无法获得和运用复杂性所需的成千上万新基因。细菌的代谢速率虽高，但单个细胞的能量预算有限，难以支持大型基因组和复杂细胞结构。因此，线粒体的出现可能是真核生物乃至所有复杂生命演化的关键转折点。