光是首要條件
在進(jìn)化過(guò)程中,光合動(dòng)物慢慢適應(yīng)了長(zhǎng)期接觸陽(yáng)光的生存方式,并且光線(xiàn)還能穿過(guò)水螅、水母的透明身體。這一現(xiàn)象并非巧合。
在體型上也是如此。諸如?⑸汉飨x(chóng)等大量光合動(dòng)物形似植物枝杈。另外,扁形蟲(chóng)和一些名為“sacoglossan”的海蛤蝓呈扁平葉片狀,這使得它們擁有相對(duì)于體積的巨大表面積,從而盡可能獲取最多的能量。
或許,動(dòng)物對(duì)光的需求程度能解釋它們?yōu)楹我皰仐墶弊陨淼墓夂献饔。例如,盡管成年斑點(diǎn)蠑螈能從中獲得一部分能量,但長(zhǎng)期暴曬的“危險(xiǎn)指數(shù)”極高,這就意味著自身光合作用要就此畫(huà)上休止符。還有鳥(niǎo)類(lèi)、爬行類(lèi)等哺乳動(dòng)物,如果成天“沐浴”在充足陽(yáng)光中,它們的皮膚、羽毛和鱗片就會(huì)自動(dòng)搭建“屏障”,隨時(shí)抵御光線(xiàn)直達(dá)體內(nèi)的活細(xì)胞。
星星之火,也有微弱的光芒。
盡管眼斑多葉鰓海天牛每天要在沙堆里“活埋”大部分時(shí)間,并且光合細(xì)胞還“隱藏”在皮膚瓣下,但即使是“一米陽(yáng)光”所帶來(lái)的光合作用也會(huì)讓它受益。擁有光纖般骨骼的海綿,可傳導(dǎo)光線(xiàn)至細(xì)胞深處,進(jìn)而光合。
或許,最不可思議的“光合作用者”非巨人蚌莫屬了,它身披硬厚的殼,還有相對(duì)較小的表面積。盡管如此,一個(gè)初生的蚌能在僅供養(yǎng)光的條件下存活十個(gè)月之久。在漢密爾頓海洋科學(xué)研究所的安吉拉道-格拉斯針對(duì)該情況進(jìn)行闡釋?zhuān)骸芭c此相應(yīng),巨人蚌的體內(nèi)就要產(chǎn)生重大變動(dòng)。”試想一下,如果蚌從生命之始沒(méi)有從光合作用中獲益,那么這種廣泛適應(yīng)性也就會(huì)消失得無(wú)影無(wú)蹤了。
事實(shí)上,小型雙殼類(lèi)、海螺和蝸牛的體內(nèi)早已存留著光合藻,它依賴(lài)于穿透外殼的弱光而旺盛生長(zhǎng)。一種未被證實(shí)的說(shuō)法稱(chēng),這些動(dòng)物經(jīng)常從藻類(lèi)中尋求食物。
如果蚌和海螺能通過(guò)充足陽(yáng)光而進(jìn)行光合作用,那么,魚(yú)類(lèi)也能有這種功能嗎?答案是肯定的。像獅子魚(yú)、葉海龍、鰩魚(yú)、比目魚(yú)等品種的魚(yú)類(lèi),似乎天生擁有“捕光”的理想體型。
獲取葉綠體
進(jìn)行光合作用的第二個(gè)必備條件是具備光轉(zhuǎn)換的機(jī)體。這種機(jī)體往往存在于植物體內(nèi)與生俱來(lái)的葉綠體中,但動(dòng)物就沒(méi)有這么“幸運(yùn)”了,只好另謀他路。海蛤蝓通過(guò)食用藻類(lèi)來(lái)獲取葉綠體,并存儲(chǔ)在體細(xì)胞中。在海蛤蝓體內(nèi),布滿(mǎn)了“羊腸小道”的內(nèi)臟器官,為捕捉光線(xiàn)提供了一個(gè)大“網(wǎng)”。
隨著藍(lán)細(xì)菌轉(zhuǎn)化成葉綠體,大部分基因進(jìn)入到主體基因組中,包括一些保持葉綠體正常工作的重要組織。由于海蛤蝓細(xì)胞本身不具備這些基因,所以每隔數(shù)天、數(shù)周就要重新更換失效的葉綠體。唯一不用這么“大費(fèi)周章”的是綠葉海蛤蝓,又稱(chēng)“綠葉海蝸!,它在生長(zhǎng)到成年期時(shí),僅一次性“吃飽”便可維系10個(gè)月的生命周期。
或許,綠葉海蛤蝓以某種方式獲取了維系葉綠體正常工作的基因?2009年,兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)陸續(xù)公布了仍稍顯稚嫩的成果。對(duì)此,研究團(tuán)隊(duì)之一的緬因大學(xué)負(fù)責(zé)人瑪麗-羅姆霍表示,目前還不能驗(yàn)證其研究發(fā)現(xiàn),“尚待基因圖譜做出最后的判定!
羅姆霍解釋道:“維系葉綠體工作至少需200個(gè)基因,還要把它們添加到動(dòng)物基因組中,這項(xiàng)工作對(duì)目前的轉(zhuǎn)基因?qū)W家來(lái)說(shuō),是一次史無(wú)前例的挑戰(zhàn)!彼瑫r(shí)指出:“在外源基因組中,隨意插入供需葉綠體的所有核基因是非常不切實(shí)際的做法,更不用說(shuō)為調(diào)節(jié)基因活動(dòng)而進(jìn)行的科研工作!
這大概可以解釋為什么那些“竊取”植物光合作用能力的生物體,經(jīng)常要受制于細(xì)胞核、葉綠體等所有完整細(xì)胞才能產(chǎn)生作用。欲將一個(gè)完整植物細(xì)胞添加到動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)相對(duì)容易一些,僅需要增添葉綠體,而不用進(jìn)行基因修復(fù)。最明顯的例子是Symbiodinium共生藻,它能為珊瑚蟲(chóng)、?、水母、巨人蚌等提供太陽(yáng)能;蛘呤窍癜⒓优疗嫠顾龅膶(shí)驗(yàn),在動(dòng)物細(xì)胞中添加藍(lán)細(xì)菌,一些海綿、珊瑚蟲(chóng)為藍(lán)細(xì)菌的“駐扎”提供了“居所”。
盡管脊椎動(dòng)物的細(xì)胞吸收了藻類(lèi)和藍(lán)細(xì)菌,但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。正如道格斯所說(shuō):“珊瑚蟲(chóng)以特定方式誘導(dǎo)Symbiodinium共生藻釋放糖分。在珊瑚蟲(chóng)體外,共生藻依靠這些糖分來(lái)存活!
這些誘導(dǎo)作用似乎并不是要面對(duì)的唯一挑戰(zhàn)。一種名為Paulinella chromatophora的單細(xì)胞變形蟲(chóng)攜帶著藍(lán)細(xì)菌內(nèi)共生菌,它逐漸喪失原有基因并轉(zhuǎn)化成葉綠體。沒(méi)有一種多細(xì)胞生物體出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似情況。專(zhuān)門(mén)從事內(nèi)共生學(xué)研究的羅德島大學(xué)克里斯-萊恩認(rèn)為:“把葉綠體注入到多細(xì)胞生物體所采取的方式與單細(xì)胞截然不同,運(yùn)輸葉綠體、控制細(xì)胞分裂周期并不是一件容易的事!
如果動(dòng)物尚未從受精卵中遺傳到光合內(nèi)共生體,那么它就需要從環(huán)境中吸收。由于海蛤蝓能從食物和周?chē)h(huán)境中吸收到有毒細(xì)胞,所以,光合作用可能要在其體內(nèi)進(jìn)行多次演化。能做到這一點(diǎn),也堪稱(chēng)動(dòng)物光合作用的“奇葩”了。
沒(méi)有免費(fèi)午餐
依靠光合作用的生存方式就像曬日光浴,曬得太多就會(huì)有物極必反的危險(xiǎn)。羅姆霍說(shuō):“對(duì)光合動(dòng)物來(lái)講,在食物短缺時(shí)采取光合作用是一種應(yīng)急方式。但與此同時(shí),還要抵御長(zhǎng)時(shí)間光照所帶來(lái)的傷害!
紫外線(xiàn)同樣會(huì)帶來(lái)不容小覷的危害,尤其是對(duì)那些陸生動(dòng)物來(lái)說(shuō)。動(dòng)物置身炎炎烈日所面臨的問(wèn)題與陰涼環(huán)境相比,只會(huì)有增無(wú)減,所以大多數(shù)光合動(dòng)物都生活在水下。那么,要想同時(shí)利用光能和捕食來(lái)補(bǔ)充能量,動(dòng)物們就該做好“兩手準(zhǔn)備”了。比如某些海葵,僅在夜晚使用長(zhǎng)觸須捕獵食物,而短觸須,則用來(lái)給寄居的藻類(lèi)捕獲陽(yáng)光。
這一切告訴我們什么?盡管在動(dòng)物光合作用方面并沒(méi)有出現(xiàn)根本性障礙,但大多數(shù)動(dòng)物很難獲得這種“兩全其美”的機(jī)體。更何況,具備這種機(jī)體以后,會(huì)極大地改變它們的生存方式,從而降低存活率,甚至導(dǎo)致物種滅絕。
不可否認(rèn),轉(zhuǎn)基因會(huì)帶來(lái)進(jìn)化中所不能實(shí)現(xiàn)的一切目標(biāo),但它帶來(lái)的益處是否能抵過(guò)脊椎動(dòng)物所付出的沉重代價(jià)?特別是對(duì)那些運(yùn)動(dòng)型耗能動(dòng)物來(lái)說(shuō)。
科學(xué)家通過(guò)把Symbiodinium共生藻引入到魚(yú)的皮膚細(xì)胞,進(jìn)而使它得以在珊瑚蟲(chóng)中生存。根據(jù)斯克里普斯海洋研究所的研究人員斯圖爾特-桑丁的調(diào)查顯示,珊瑚蟲(chóng)每日要在每平方米的光合面上處理3-80克的碳,即126-3360千焦耳能量。
一條20克的魚(yú)(包括魚(yú)翅在內(nèi))約有0.0044平方米的表面積,而一條500克魚(yú)約有0.045平方米表面積。斯旺西大學(xué)的魚(yú)類(lèi)營(yíng)養(yǎng)學(xué)家英格麗-盧派茲說(shuō),在養(yǎng)殖池中飼養(yǎng)一條20克的鯉魚(yú),需每日提供3千焦耳熱量以維持體重,而500克的魚(yú)則需4萬(wàn)焦耳。
綜述,在理論上來(lái)說(shuō),光合作用可數(shù)次為鯉魚(yú)提供能量以維持生命所需,這使得光合魚(yú)成為最大受益者。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),即使耗能哺乳動(dòng)物從陽(yáng)光中攝取大量的有用能,但這其中仍存在著巨大的疑問(wèn)號(hào)。
對(duì)于此類(lèi)項(xiàng)目的“鼻祖”,轉(zhuǎn)基因魚(yú)并沒(méi)有像珊瑚蟲(chóng)一樣,在成百上千年的進(jìn)化過(guò)程中經(jīng)歷著變遷和淘洗,但它卻帶來(lái)了難以忽視的改變。魚(yú)類(lèi)在遭遇高強(qiáng)度的暴曬時(shí),會(huì)產(chǎn)生截然不同的行為反應(yīng)。它們需要透明的皮膚,以及使光線(xiàn)穿入細(xì)胞的適量表面積,并同時(shí)抵御紫外線(xiàn)的損傷。像珊瑚蟲(chóng)的生理特性一樣,太陽(yáng)能魚(yú)只生存在陽(yáng)光充裕、海水清澈、溫度恒定的熱帶地區(qū)。
此外,大多數(shù)光合動(dòng)物能從它們的共生體中獲得速成糖分,它被道格斯戲謔地稱(chēng)為“垃圾食品”。但蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)是必不可少的“生命物質(zhì)”,需要從外源食物中獲取。對(duì)養(yǎng)殖業(yè)來(lái)說(shuō),過(guò)多的糖分破壞魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)。但相比之下,蛋白質(zhì)和油脂就顯得愈發(fā)“珍貴”了。對(duì)鮭魚(yú)等肉食性魚(yú)類(lèi)來(lái)說(shuō),只有依靠喂食魚(yú)粉來(lái)補(bǔ)給。從理論上講,為魚(yú)類(lèi)“配備”現(xiàn)代固氮藍(lán)細(xì)菌,能提供所需蛋白質(zhì)(比如一些海綿、珊瑚蟲(chóng))。盡管全人類(lèi)付諸了幾十年的努力,但至今仍是“紙上談兵”。
在正常情況下,像鯉魚(yú)、羅非魚(yú)這種養(yǎng)殖型魚(yú)類(lèi),從養(yǎng)殖池的植物中獲取了大量養(yǎng)分,并以此為生!耙灰夤滦小钡刂竿孱(lèi)發(fā)揮替代性作用似乎“行路多舛”。
在科學(xué)世界里,無(wú)時(shí)無(wú)刻不彌漫著令人心潮澎湃的驚喜。就如同當(dāng)下,科學(xué)家欲創(chuàng)造太陽(yáng)能魚(yú)的壯舉,盡管這項(xiàng)“發(fā)明”可能隨時(shí)面臨“夭折”的危險(xiǎn)。因?yàn)樵谄渌^“提供食物”的功能上,似乎還看不到明顯優(yōu)勢(shì)。特別是在安全食用性方面,缺乏相應(yīng)的保障條例。不過(guò),隨著科技的跨越式發(fā)展,一定會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的“阿加帕奇斯”繼續(xù)完成這一使命。也許在未來(lái)的某一天,只要打開(kāi)燈就可以喂飽自己的寵物魚(yú)了。
原文作者為德沃拉-麥肯齊(《新科學(xué)家》雜志駐布魯塞爾特派記者)、邁克爾-勒佩齊(生物學(xué)專(zhuān)欄編輯)
魚(yú)也能進(jìn)行光合作用?
□郭禮和(中科院上海生化細(xì)胞所研究員)
實(shí)際上,和《新科學(xué)家》雜志這篇報(bào)道類(lèi)似的想法早就有了,自然界也存在這種共生現(xiàn)象,如一種以海藻為食并將海藻色素吸收到自身細(xì)胞中的海蝸牛,不僅能借此色素進(jìn)行偽裝,還能像植物一樣進(jìn)行光合作用,從而獲取能量。又如,屬于原生動(dòng)物的眼蟲(chóng),具有向光運(yùn)動(dòng)能力,不僅能攝取食物,而且能進(jìn)行光合作用,因?yàn)樗募?xì)胞內(nèi)含有葉綠體,可以把二氧化碳和水合成糖類(lèi)。它兼有異養(yǎng)型(攝取有機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng))又有自養(yǎng)型(利用無(wú)機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng))的生物。
植物作為自養(yǎng)型生物,因?yàn)樗募?xì)胞內(nèi)含有一種細(xì)胞器——葉綠體,其基本功能就是將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能,將水電解為氧氣和質(zhì)子,質(zhì)子再轉(zhuǎn)化為化學(xué)能(光合磷酸化,合成ATP),然后利用ATP和水與二氧化碳合成葡萄糖。葡萄糖是細(xì)胞生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)和能量源泉。植物白天吸收二氧化碳和水,產(chǎn)生葡萄糖,釋放出氧氣;晚上因無(wú)陽(yáng)光,植物生命活動(dòng)只能利用白天生成的葡萄糖和氧氣在線(xiàn)粒體內(nèi)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)來(lái)提供能量,同時(shí)釋放出二氧化碳和水。
我們知道,生命活動(dòng)離不開(kāi)能量。高等自養(yǎng)型生物(例如植物等)是通過(guò)光能轉(zhuǎn)換來(lái)提供能量;高等異養(yǎng)型生物(例如脊椎動(dòng)物等)是通過(guò)葡萄糖降解變成二氧化碳,釋放出能量來(lái)供給生命活動(dòng)。但在生物進(jìn)化的早期,一些低等生物,包括原生動(dòng)物、腔腸動(dòng)物和軟體動(dòng)物等利用食物中的藻類(lèi)細(xì)胞或葉綠素進(jìn)行胞外或胞內(nèi)共生,可以進(jìn)行光合作用,提供部分能量。后來(lái)生物進(jìn)化到高等生物時(shí)代,動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)需能急切和強(qiáng)大,這種供能方式也就沒(méi)有存在價(jià)值了。
這篇文章提到的實(shí)驗(yàn)是設(shè)想把魚(yú)的皮膚變成自養(yǎng)型,使其能進(jìn)行類(lèi)似植物一樣的光合作用。要達(dá)到這樣的目的有兩種途徑:一是采取胞外共生的辦法,把藍(lán)綠藻或藍(lán)細(xì)菌移入到魚(yú)的皮膚里與表皮細(xì)胞共生,因?yàn)檫@些細(xì)菌本身能進(jìn)行光合作用,利用陽(yáng)光能為魚(yú)提供能量;其二是用植物的葉綠體移植到魚(yú)的皮膚細(xì)胞內(nèi),理論上也能產(chǎn)生這種效果,但是葉綠體能否在動(dòng)物細(xì)胞體內(nèi)生存,這個(gè)難度很大,因?yàn)槿~綠體需要細(xì)胞核基因的支持和協(xié)調(diào),而魚(yú)的細(xì)胞沒(méi)有這些基因,所以葉綠體即使能在動(dòng)物體內(nèi)存活一段時(shí)間,但由于沒(méi)有細(xì)胞核基因的支持,很難長(zhǎng)期存活,更談不上遺傳和增殖了。怎樣使得它能模擬植物細(xì)胞的光合作用,在科學(xué)上是一個(gè)尚未破解的難題。
由于基因工程技術(shù)的發(fā)展,早在上世紀(jì)80年代,把葉綠體分離出來(lái)培養(yǎng),然后放到動(dòng)物體內(nèi),以使動(dòng)物也能具有植物光合作用功能的想法就有人提出過(guò),但是至今一直沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的突破,咎其原因有兩點(diǎn):一是葉綠體自己的基因組的基因尚不足以維持葉綠體自身的生命活動(dòng)和繁殖,需要細(xì)胞核基因的支持,現(xiàn)在要將其移植到動(dòng)物細(xì)胞里就會(huì)碰到這個(gè)問(wèn)題;其次,因?yàn)槿~綠體需要陽(yáng)光,而陽(yáng)光對(duì)動(dòng)物細(xì)胞有殺傷力,所以動(dòng)物在進(jìn)化中就生出了黑色素、毛發(fā)、鱗角、羽毛和毛發(fā)等附件,以防范陽(yáng)光照射對(duì)其的傷害。葉綠體需要陽(yáng)光,而這些附件遮擋了陽(yáng)光,這對(duì)矛盾無(wú)法解決。這篇文章只是再次提出了這個(gè)問(wèn)題,當(dāng)然作者是希望在如今生命科學(xué)的條件下來(lái)探討,看看有沒(méi)有突破的可能。這種探索和努力本身,無(wú)疑是值得肯定和贊賞的。