关于幸福感的论文:一半动物,一半植物(附照片)

来源:百度文库 编辑:方圆模具 时间:2020/06/01 15:28:03
    □史博臻  编译
    不久的将来,有可能会出现一个新的英文单词——platimal,它是plant(植物)和animal(动物)的组合,预示着一种全新生物体的出现,比如说,像植物那样会进行光合作用,以此为自己提供营养的鱼。正在从事这项实验和研究的克里斯蒂娜·阿加帕奇斯说:“这是一个颇具风险的赌注,我们对即将发生的事情充满期待。”
   
培育“太阳能鱼”不是没有可能
    目前在哈佛医学院求学的阿加帕奇斯曾做过一个非常特别的实验,她向斑马鱼的受精卵中注入光合细菌,目的是观察细菌能否繁衍生息。通常情况下,细菌以杀死或被杀死的方式进入到较大的细胞,但偶尔的例外(比如,共生)则会深远地改变整个星球。比如,一种光合细菌——蓝细菌能将光转化为食物,随后,植物体内的复杂细胞“窃取”并掌握这种能力从而完成进化。
    多数生物学家对此深感质疑,并信誓旦旦地表示把蓝细菌和鱼类“结合”纯属天方夜谭。但阿加帕奇斯用实验证明,所注入的蓝细菌聚球藻在鱼卵孵化后又存活了两周。两周是一个时间节点,此后斑马鱼的色素开始生成。
    由于蓝细菌不能正常分裂生长,也并未提供糖分,所以,斑马鱼胚胎就必定从阳光中获取能量。鉴于实验中的鱼和光合细菌都存活下来,一个颇为诱人的问题油然而生:有朝一日,能否培育出从阳光摄取能量的“太阳能鱼”,为地球的食物来源提供一条新路呢?这个想法听起来十分可笑,但事实胜于雄辩——不少动物已经在利用光合作用补充能量了,其中最习以为常的当属热带珊瑚虫。除此之外,海绵、海葵、海鞘、水螅和双壳类也或多或少地补给太阳能。不难发现,其实人类一直在食用光合动物,只是后知后觉罢了,比如巨人蚌,它作为食物的历史起码有10万年了。
    如果有人认为,诸如此类的动物都有与植物一模一样的外表和行为,那就大错特错了。因为有些光合动物都是独生型,比如大量存活的体长达15毫米的光合扁形虫、漂浮海面的水母状Vellela和倒立水母,其中最引人注目的是种类繁多的太阳能海蛤蝓。
    现在,斑点蝾螈研究取得了重大突破。加拿大达尔豪西大学的瑞安·克尼在成年雌性斑点蝾螈的输卵管中发现了藻类细胞,并以特定的方式遗传给下一代。值得注意的是,这种藻类细胞不仅在受精卵外部寄居,就连正在发育的蝾螈胚胎中也出现了它的身影。去年早些时候,克尼在所作的报告中指出,在蝾螈细胞内部的藻类细胞周围,簇拥着耗能线粒体群,它们对糖分和氧气全部“通吃”。
    其实,我们尚未确知胚胎是否能通过藻类来获取食物,而且成年斑点蝾螈最喜欢隐匿在阴凉苔藓或岩石下,再加上它那身“严严实实”的黑皮肤就更是“刀光难入”了。但这至少说明,一些脊椎动物在生命周期中有意无意地进行着短时间光合作用。
    现在的问题并非局限于验证动物的光合作用上,而是分析其为何对这种能力“视而不用”?一些研究人员认为,对大多数动物来讲,光合作用往往事倍功半。同时,否定意见此起彼伏。在加拿大哥伦比亚大学从事叶绿体研究的帕特里克·基林提出:“我认为问题的答案是它们根本不具备这种能力。”为了决出这场博弈的高下,我们首先要弄清进行光合作用的条件和机理。
   
光是首要条件
    在进化过程中,光合动物慢慢适应了长期接触阳光的生存方式,并且光线还能穿过水螅、水母的透明身体。这一现象并非巧合。
    在体型上也是如此。诸如海葵、珊瑚虫等大量光合动物形似植物枝杈。另外,扁形虫和一些名为“sacoglossan”的海蛤蝓呈扁平叶片状,这使得它们拥有相对于体积的巨大表面积,从而尽可能获取最多的能量。
    或许,动物对光的需求程度能解释它们为何要“抛弃”自身的光合作用。例如,尽管成年斑点蝾螈能从中获得一部分能量,但长期暴晒的“危险指数”极高,这就意味着自身光合作用要就此画上休止符。还有鸟类、爬行类等哺乳动物,如果成天“沐浴”在充足阳光中,它们的皮肤、羽毛和鳞片就会自动搭建“屏障”,随时抵御光线直达体内的活细胞。
    星星之火,也有微弱的光芒。
    尽管眼斑多叶鳃海天牛每天要在沙堆里“活埋”大部分时间,并且光合细胞还“隐藏”在皮肤瓣下,但即使是“一米阳光”所带来的光合作用也会让它受益。拥有光纤般骨骼的海绵,可传导光线至细胞深处,进而光合。
    或许,最不可思议的“光合作用者”非巨人蚌莫属了,它身披硬厚的壳,还有相对较小的表面积。尽管如此,一个初生的蚌能在仅供养光的条件下存活十个月之久。在汉密尔顿海洋科学研究所的安吉拉道·格拉斯针对该情况进行阐释:“与此相应,巨人蚌的体内就要产生重大变动。”试想一下,如果蚌从生命之始没有从光合作用中获益,那么这种广泛适应性也就会消失得无影无踪了。
    事实上,小型双壳类、海螺和蜗牛的体内早已存留着光合藻,它依赖于穿透外壳的弱光而旺盛生长。一种未被证实的说法称,这些动物经常从藻类中寻求食物。
    如果蚌和海螺能通过充足阳光而进行光合作用,那么,鱼类也能有这种功能吗?答案是肯定的。像狮子鱼、叶海龙、鳐鱼、比目鱼等品种的鱼类,似乎天生拥有“捕光”的理想体型。
   
获取叶绿体
    进行光合作用的第二个必备条件是具备光转换的机体。这种机体往往存在于植物体内与生俱来的叶绿体中,但动物就没有这么“幸运”了,只好另谋他路。海蛤蝓通过食用藻类来获取叶绿体,并存储在体细胞中。在海蛤蝓体内,布满了“羊肠小道”的内脏器官,为捕捉光线提供了一个大“网”。
    随着蓝细菌转化成叶绿体,大部分基因进入到主体基因组中,包括一些保持叶绿体正常工作的重要组织。由于海蛤蝓细胞本身不具备这些基因,所以每隔数天、数周就要重新更换失效的叶绿体。唯一不用这么“大费周章”的是绿叶海蛤蝓,又称“绿叶海蜗牛”,它在生长到成年期时,仅一次性“吃饱”便可维系10个月的生命周期。
    或许,绿叶海蛤蝓以某种方式获取了维系叶绿体正常工作的基因?2009年,两个研究团队陆续公布了仍稍显稚嫩的成果。对此,研究团队之一的缅因大学负责人玛丽·罗姆霍表示,目前还不能验证其研究发现,“尚待基因图谱做出最后的判定。”
    罗姆霍解释道:“维系叶绿体工作至少需200个基因,还要把它们添加到动物基因组中,这项工作对目前的转基因学家来说,是一次史无前例的挑战。”她同时指出:“在外源基因组中,随意插入供需叶绿体的所有核基因是非常不切实际的做法,更不用说为调节基因活动而进行的科研工作。”
    这大概可以解释为什么那些“窃取”植物光合作用能力的生物体,经常要受制于细胞核、叶绿体等所有完整细胞才能产生作用。欲将一个完整植物细胞添加到动物细胞内相对容易一些,仅需要增添叶绿体,而不用进行基因修复。最明显的例子是Symbiodinium共生藻,它能为珊瑚虫、海葵、水母、巨人蚌等提供太阳能。或者是像阿加帕奇斯所做的实验,在动物细胞中添加蓝细菌,一些海绵、珊瑚虫为蓝细菌的“驻扎”提供了“居所”。
    尽管脊椎动物的细胞吸收了藻类和蓝细菌,但还远远不够。正如道格斯所说:“珊瑚虫以特定方式诱导Symbiodinium共生藻释放糖分。在珊瑚虫体外,共生藻依靠这些糖分来存活。”
    这些诱导作用似乎并不是要面对的唯一挑战。一种名为Paulinella chromatophora的单细胞变形虫携带着蓝细菌内共生菌,它逐渐丧失原有基因并转化成叶绿体。没有一种多细胞生物体出现过类似情况。专门从事内共生学研究的罗德岛大学克里斯·莱恩认为:“把叶绿体注入到多细胞生物体所采取的方式与单细胞截然不同,运输叶绿体、控制细胞分裂周期并不是一件容易的事。”
    如果动物尚未从受精卵中遗传到光合内共生体,那么它就需要从环境中吸收。由于海蛤蝓能从食物和周围环境中吸收到有毒细胞,所以,光合作用可能要在其体内进行多次演化。能做到这一点,也堪称动物光合作用的“奇葩”了。
   
没有免费午餐
    依靠光合作用的生存方式就像晒日光浴,晒得太多就会有物极必反的危险。罗姆霍说:“对光合动物来讲,在食物短缺时采取光合作用是一种应急方式。但与此同时,还要抵御长时间光照所带来的伤害。”
    紫外线同样会带来不容小觑的危害,尤其是对那些陆生动物来说。动物置身炎炎烈日所面临的问题与阴凉环境相比,只会有增无减,所以大多数光合动物都生活在水下。那么,要想同时利用光能和捕食来补充能量,动物们就该做好“两手准备”了。比如某些海葵,仅在夜晚使用长触须捕猎食物,而短触须,则用来给寄居的藻类捕获阳光。
    这一切告诉我们什么?尽管在动物光合作用方面并没有出现根本性障碍,但大多数动物很难获得这种“两全其美”的机体。更何况,具备这种机体以后,会极大地改变它们的生存方式,从而降低存活率,甚至导致物种灭绝。
    不可否认,转基因会带来进化中所不能实现的一切目标,但它带来的益处是否能抵过脊椎动物所付出的沉重代价?特别是对那些运动型耗能动物来说。
    科学家通过把Symbiodinium共生藻引入到鱼的皮肤细胞,进而使它得以在珊瑚虫中生存。根据斯克里普斯海洋研究所的研究人员斯图尔特·桑丁的调查显示,珊瑚虫每日要在每平方米的光合面上处理3-80克的碳,即126-3360千焦耳能量。
    一条20克的鱼(包括鱼翅在内)约有0.0044平方米的表面积,而一条500克鱼约有0.045平方米表面积。斯旺西大学的鱼类营养学家英格丽·卢派兹说,在养殖池中饲养一条20克的鲤鱼,需每日提供3千焦耳热量以维持体重,而500克的鱼则需4万焦耳。
    综述,在理论上来说,光合作用可数次为鲤鱼提供能量以维持生命所需,这使得光合鱼成为最大受益者。据不完全统计,即使耗能哺乳动物从阳光中摄取大量的有用能,但这其中仍存在着巨大的疑问号。
    对于此类项目的“鼻祖”,转基因鱼并没有像珊瑚虫一样,在成百上千年的进化过程中经历着变迁和淘洗,但它却带来了难以忽视的改变。鱼类在遭遇高强度的暴晒时,会产生截然不同的行为反应。它们需要透明的皮肤,以及使光线穿入细胞的适量表面积,并同时抵御紫外线的损伤。像珊瑚虫的生理特性一样,太阳能鱼只生存在阳光充裕、海水清澈、温度恒定的热带地区。
    此外,大多数光合动物能从它们的共生体中获得速成糖分,它被道格斯戏谑地称为“垃圾食品”。但蛋白质、维生素和矿物质是必不可少的“生命物质”,需要从外源食物中获取。对养殖业来说,过多的糖分破坏鱼类生长。但相比之下,蛋白质和油脂就显得愈发“珍贵”了。对鲑鱼等肉食性鱼类来说,只有依靠喂食鱼粉来补给。从理论上讲,为鱼类“配备”现代固氮蓝细菌,能提供所需蛋白质(比如一些海绵、珊瑚虫)。尽管全人类付诸了几十年的努力,但至今仍是“纸上谈兵”。
    在正常情况下,像鲤鱼、罗非鱼这种养殖型鱼类,从养殖池的植物中获取了大量养分,并以此为生。“一意孤行”地指望藻类发挥替代性作用似乎“行路多舛”。
    在科学世界里,无时无刻不弥漫着令人心潮澎湃的惊喜。就如同当下,科学家欲创造太阳能鱼的壮举,尽管这项“发明”可能随时面临“夭折”的危险。因为在其所谓“提供食物”的功能上,似乎还看不到明显优势。特别是在安全食用性方面,缺乏相应的保障条例。不过,随着科技的跨越式发展,一定会出现越来越多的“阿加帕奇斯”继续完成这一使命。也许在未来的某一天,只要打开灯就可以喂饱自己的宠物鱼了。
    原文作者为德沃拉·麦肯齐(《新科学家》杂志驻布鲁塞尔特派记者)、迈克尔·勒佩齐(生物学专栏编辑)