吞食阳光的动物

来源 :大自然探索 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sheena111
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  我们一直认为动物就是动物,植物就是植物,两者之间存在明显的差异。然而,在自然界中存在一类奇特的生物,虽然是动物,却可以像植物那样通过光合作用来获得营养。
  
  2011年1月,哈佛药学院的博士生克里斯汀娜·阿加帕克斯进行了一项让人意想不到的实验:将一种叫做“蓝藻”的细菌植入斑马鱼的受精卵中,目的是想看看前者能否在后者的体内存活下去。我们知道,当一个细菌进入到另一个较大的细胞内部时,它要么杀死细胞要么被细胞杀死。但在克里斯汀娜眼中,凡事都可能有例外,一旦发生例外,就将改变我们的星球。有很多科学家打赌说,蓝藻细菌不可能和斑马鱼的细胞相结合,但事实是,蓝藻细菌在斑马鱼的受精卵中存活了下来,直到小斑马鱼孵化出来两周后才死去。
  蓝藻细菌作为最简单的单细胞生物,在地球上已经存在了33亿年,因为它没有真正的细胞核,所以近年来被科学家划定为和细菌一样的原核生物。蓝藻细菌含有叶绿素,是地球上最早进行光合作用释放出氧气的生物。在克里斯汀娜的实验中,被植入斑马鱼受精卵的蓝藻细菌既没有像通常那样生长或者分裂,也没有通过光合作用为斑马鱼台提供大量的糖分和氧气,它仅仅是存活了下来,但这短暂的存活却引发了一个令人着迷的话题:动物能通过光合作用来获取能量吗?如果能,我们能创造出依靠光合作用生长的“太阳能鱼”吗?
  我们一直认为动物就是动物,植物就是植物,两者之间存在明显的差异,所以克里斯汀娜的实验听起来颇有点异想天开。然而,在自然界中的确存在一类奇特的生物,它们同时拥有动物和植物的特征,被称为“动植物融合体”。严格地说,这些生物是动物,但可以像植物那样通过光合作用来获得营养。
  植物依靠与生俱来的叶绿体进行光合作用,而动物没有叶绿体这一细胞器,所以动物本身并不具备直接将阳光转化为能量的能力。那么,对于那些可以像植物那样进行光合作用的动物,它们的光合本领是从哪里获得的呢?答案是:来自它们体内共生的藻类。最著名的一个例子是珊瑚虫与虫黄藻。
  珊瑚是我们熟悉的海洋生物体,是珊瑚虫钙质骨骼的聚集体。珊瑚有着植物般的外观,但珊瑚虫却是一种肉食性的腔肠动物。珊瑚虫自幼年起就自动固定在老珊瑚留下的石灰质遗骨堆上,所以绝大部分珊瑚是不会自己移动的,它们的触手随着水流摆动,捕获流经身旁的小型浮游动物当作食物。珊瑚大致可以分为非造礁珊瑚和造礁珊瑚两类,其中造礁珊瑚生活在浅水区域,它们的骨骼生长速度较陕,容易积累形成大块的珊瑚礁。在这个过程中,珊瑚虫需要不断地大量繁殖,以分泌出石灰质的外骨骼。但是,仅仅依靠捕食浅水区域的浮游生物,是满足不了它们生长所需要的营养的。珊瑚依靠什么迅速生长呢?20世纪40年代,海洋生物学家在珊瑚虫内胚层中观察到有大量黄褐色的虫黄藻,由此揭开了珊瑚迅速生长的秘密。
  虫黄藻是一种单细胞植物,寄生在珊瑚虫体内,和珊瑚虫形成一种陴固的共生关系。研究发现,几乎所有的造礁珊瑚虫都和虫黄藻共生,而生活在相对深一些水域的非造礁珊瑚虫体内却不含有虫黄藻,其原因在于,造礁珊瑚虫在迅速的生长发育过程中需要的大量氧气,一部分从海水里摄取,另一部分则依靠虫黄藻供给。虫黄藻在有光的地方会进行光合作用,产生氧气、碳水化合物以及有机物,这些物质能分泌到虫黄藻细胞外,被珊瑚虫作为营养吸收。珊瑚虫在代谢过程中也释放出二氧化碳、氮和磷等物质,而这些又是虫黄藻进行光合作用所必需的。这就是虫黄藻和珊瑚虫之间的共生关系。
  另一方面,虫黄藻还对珊瑚虫的石灰质骨骼的形成起到重要作用。科学家做过这样的试验:将虫黄藻从珊瑚虫体内全部分离出来,然后人工给珊瑚虫供给氧气。结果是,珊瑚虫虽然活了下来,骨骼却得不到正常的发育。原来,珊瑚虫在代谢过程中会释放出大量碳酸气,妨碍骨骼的生长,而虫黄藻却拥有迅速吸收碳酸气的功能,从而促进珊瑚骨骼的形成。事实上,在阳光充足的浅水海域里,珊瑚仅仅依靠虫黄藻的光合作用就能得到代谢所需的所有能量。于是,我们看到在珊瑚身上发生了这样的事情:它们的外观大多模拟植物的形态,有树枝状、花朵状和叶片状,都有明显的趋光陛,在海水清澈阳光充足的区域生长得非常繁茂,而一旦生存环境发生微妙改变,如浮游生物增多使海水透明度降低,照射到珊瑚上的阳光减少,它们就会停止生长甚至死亡。
  珊瑚虫和虫黄藻的共生为进行光合作用的动物提供了一个典范。在海洋中,还生活着许多同样利用共生藻的光合作用来补充能量的动物,如水母、海葵、海绵、海蛞蝓以及水螅等。更奇妙的是,珊瑚虫等宿主是通过直接进食的方式来获得共生藻的,而这些藻类细胞在宿主体内并没有被消化吸收掉,而是整个地被储存在宿主的细胞中。那共生藻细胞是如何逃脱消化液的?科学界还没有有明确的答案,不过有一种理论认为,保存并移植共生藻到自己的细胞中,是这些特别的动物所拥有的特别的能力。
  
  基因“窃贼”
  
  除了珊瑚虫,有很多种类的海蛞蝓也能进行光合作用:它们将进食获得的藻类细胞整个储存到自己的细胞中,然后利用后者的叶绿体进行光合作用,为自己提供营养。由于藻细胞中的叶绿体在海蛞蝓体内只能维持很短的工作时间,因此海蛞蝓每隔几天或几周就要更换一次体内的藻细胞。不过,有一种绿叶海蛞蝓却能让叶绿体在自己的体内存活数月之久,一些它们在幼年时获得的叶绿体甚至能陪伴它们过完一生。
  绿叶海蛞蝓生活在美国大西洋沿岸,体形娇小,只有1~3厘米长,身体呈凝胶般的半透明状,通体翠绿,看上去就像一片美丽的叶子。它们从海藻中获得叶绿体,储存在内脏细胞里,内脏细胞遍布整个身体,形成能获得阳光照射的最大面积。不过,对于绿叶海蛞蝓来说,要将动物进行光合作用的本领发挥到极致,仅仅从形态上做到完美还不够,它们的生存策略还包括:将藻类的叶绿体“劫”为己有。它们是怎样做到的呢?
  研究人员注意到,只要连续进食两周海藻,幼年的海蛞蝓就可以完全依靠光合作用生活10个月,在此期间它们不再进食。这就出现了一个疑问:当叶绿体存在于一个动物的细胞中时,已经遗失了维持叶绿体工作的蛋白质,叶绿体是如何继续工作的呢?研究人员将注意力转移到海蛞蝓的DNA上,结果发现,有一种和藻类基因排列相同的基因组存在,表明绿叶海蛞蝓有可能从海藻那里取走了相应的基因。进一步研究发现,海蛞蝓在进食藻类时,除了摄入叶绿体,同时还摄入了藻类的基因,后者与海蛞蝓的基因合并,产生了能使海蛞蝓自己维持叶绿体工作的蛋白质(这种蛋白质要靠藻类的基因编码才能产生)。甚至还有一种观点认为,是绿叶海蛞蝓体内的一种病毒将藻类的DNA运送到了海蛞蝓的细胞中。
  各种实验结果都指向一种可能:绿叶海蛞蝓在获取海藻细胞的叶绿体的同时,还“盗取”了海藻细胞中维持叶绿体运转的基因。研究员还在绿叶海蛞蝓的生殖细胞中发现了这种被“盗取”的基因,这意味着维持叶绿体功能的能力可以传给下一代,只要这些后代吃进足够 多的叶绿体,就能开始光合作用了。在自然界中,像这样在两个不同物种间进行横向基因转移的现象是极为罕见的。
  就当今的基因工程而言,要将维持叶绿体活性所需的基因全部植入动物基因组中是相当困难的,但如果将一整个植物细胞都植入动物的细胞中去,所需的基因修补物质则会少很多。这或许解释了为什么绝大多数能进行光合作用的动物都选择将整个共生藻细胞储存在自己的细胞中,而不像绿叶海蛞蝓那样费力地去“盗取”叶绿体的原因。绿叶海蛞蝓的成功,证明它在进化的历程中已经领先了一大步。
  
  勿需光合
  
  光合作用无疑为珊瑚虫和绿叶海蛞蝓带来了好处,那为什么大多数动物还是不选择光合作用呢?科学家告诉我们,不是这些动物不能,而是它们不愿意。   要成功进行光合作用,第一个麻烦是需要获得足够的光。目前已知的光合动物都进化出了能获得足够阳光的身体或者结构——珊瑚和海葵模拟树枝的形态;海蛞蝓和扁虫长着扁平如树叶的形状;水母和水螅几乎全身透明,让阳光易于照射进它们的体内;巨桶海绵的二氧化硅骨骼像光缆一样,将阳光传送到身体深处的细胞;就连长着厚重外壳的巨蛤,也会在体外伸展开套膜来尽可能多地沐浴阳光。我们不难发现,这些成功的光合动物都是水生的,因为如果长时间在骄阳下曝晒,会让陆生动物热得受不了,为了抵御紫外线照射对体内活细胞的损伤,陆生动物甚至还用皮毛、羽毛和鳞片等作为防护。此外,动物如果一整天都将自己暴露在不隐蔽的地方,是很容易被天敌发现的,这样做所冒的风险远远高于光合作用带来的好处,所以没有陆生脊椎动物愿意进化出进行光合作用的能力。
  只有一种陆生脊椎动物似乎打破了绝对界限,这就是斑点钝口螈。人们很早以前就发现,在两栖动物的卵的周围包裹着胶质,藻类可以在这种胶质中生长,这样对卵和藻类都有好处:藻类为卵胚胎提供氧气,而卵胚胎的排泄物正好是藻类需要的食物。最近加拿大科学家发现,雌性斑点钝口螈可以将某种单细胞藻类储存在自己的输卵管中,在产卵时将藻类运送到卵的内部,这样一来,紧挨着藻类的卵胚胎可以更方便地吸收藻类光合作用产生的糖分和氧气。不过,对成年斑点钝口螈来说,它们身上几乎已经没有利用藻类进行光合作用的痕迹一它们白天躲在苔藓和石头的下面,它们的皮肤大部分是黑色的,看上去不会有太多的光线能透过这样的皮肤照射到它们体内。斑点钝口螈作为唯一被发现进行过光合作用的脊椎动物,尽管时间很短暂,仍然向科学家显示了一个迹象:在一个脊椎动物的生命周期里,至少有一段时间它是作为光合动物存在的。
  成功进行光合作用的第二个麻烦是要获得叶绿体。对于陆生动物来说,如果它们要像绿叶海蛞蝓那样成功地“窃取”叶绿体及其基因,需要付出的代价将是改变它们细胞的结构。如果它们那样做了,它们能得到什么样的回报呢?光合作用产生的能量大部分是糖分和氧气,大量的糖分对于动物来说是“垃圾食品”,而陆生动物已有的呼吸系统已经可以供应给机体足够的氧气。此外,动物必需的蛋白质、维生素和矿物质等营养成分是光合作用所不能提供的,这就意味着,即使陆生动物们成功地建立了光合作用系统,它们还需要另外进食来获得其他营养成分,这就要求它们改变自己的身体结构,同时使用两套系统来完成营养物质在体内的循环。例如,一些海葵长着长短两种触手,藻类只存在于较短的触手中,白天海葵使用较短的触手进行光合作用,到了夜间再使用较长的触手捕食猎物。
  如此看来,对大多数动物来说,要将自己改变得面目全非才能获得光合作用的能力,这实在没有必要。站在人类的立场,我们希望能通过基因工程获得“太阳能鱼”,以改善世界粮食储备情况,但如果养殖出的“太阳能鱼”的营养成分从高蛋白变成了高糖分,估计也不会受到市场的欢迎。不过,科学的海洋是无止境的,一定会有人将这个基因工程进行下去,也许在未来的某一天,我们只需要打开电灯就能喂饱我们的宠物鱼了。
其他文献
清代塾师与弟子的师生情谊有和谐的一面,体现出师徒关系“师徒如父子”的拟血缘化倾向。这种情谊主要表现为师对徒的怜贫而教、择徒为婿和丧徒心痛的过程及徒为师祝寿、师病侍
为探究吕家坨井田地质构造格局,根据钻孔勘探资料,采用分形理论和趋势面分析方法,研究了井田7
试验检测是公路工程项目施工建设质量检测的有效手段。从某种意义上来讲试验检测质量直接关系着整个公路工程建设、路线调控,是确保工程项目施工放样可靠性的关键。本文将对当
为探究吕家坨井田地质构造格局,根据钻孔勘探资料,采用分形理论和趋势面分析方法,研究了井田7
2010年9月,上海世博会WWF(世界自然基金会)馆展出了中国首套湿地绿地图。来自全国的600多名大学生组成了这一年的30支“湿地使者”队伍,利用暑假前往国内15个具有代表性的河流、湖泊、高原湿地、滩涂、红树林等湿地生态系统,考察并绘制出20幅形式多样的中国湿地绿地图。  这些湿地绿地图着眼于湿地的生物多样性,从高原圣湖尕海的独特生态到西洞庭的黑鹳天然栖息地,从世界上海拔最低的森林漳江口红树林到原
期刊
为探究吕家坨井田地质构造格局,根据钻孔勘探资料,采用分形理论和趋势面分析方法,研究了井田7
针对公路路基路面排水设计思路及方案进行分析,提出了公路路基排水设计方案,其内容主要包括:地面排水设计和地下排水设计两方面。此外还分析总结了路面表面排水设计,其内容有:沥青
根据对国内已经造好的公路进行调查,沥青公路比较容易发生的坑槽、唧浆、裂缝以及路面塌陷等问题都是由于长时间的侵水造成的。当前,雨水已经是引起沥青公路早起破坏的主要因素
媒体造假    2010年1月,美国天文学会大会在美国首都华盛顿举行。一如以往,一些世界顶尖级的科学家在会上公布了他们的尖端研究结果,其中有些内容哪怕只是听起来就够吓人的了:类似超新星和伽马射线爆发之类的事件不仅会烧掉你的眉毛,还有可能毁灭整个地球!美国天文学家爱德华·西恩在这次大会上公布了他的团队的一项研究成果。这项成果暗示,被称为“罗盘座T星”的一个双星系统将爆发成为一颗超新星,而且是Ia类型
期刊
为探究吕家坨井田地质构造格局,根据钻孔勘探资料,采用分形理论和趋势面分析方法,研究了井田7