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为了生存,这种海洋动物绿了它自己

已有 1068 次阅读 2019-8-5 09:25 |系统分类:科普集锦

为了生存,这种海洋动物绿了它自己



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对现代人来说,必会经历每日三问:

早上吃什么?中午吃什么?晚上吃什么?有时实在想不出来,就干脆不吃了。


要是我们晒太阳就能填饱肚子,那该有多好。不过这是不可能的,因为我们知道动物是不能进行光合作用的。


然而,有一种动物偏不认命,它就为了生存把自己绿了。



为了生存,这种海洋动物绿了它自己




而这一绿也绿得相当彻底,它变成了一片行走的“绿叶”。

好就好在绿一次就能靠光合作用续命一生,从此不愁吃喝了。

不过在此之前,它必须得先从植物那里“偷”来叶绿体。

更令人称奇的是,为了利用好叶绿体,它居然去“偷取”其他生物的基因。

那么,这样神奇的动物又会给人类带来怎样的启示?自然界中所谓的“基因大盗”究竟是怎么回事?


为了生存,这种海洋动物绿了它自己




绿叶海天牛(下文简称海天牛),是海蛞蝓*庞大家族的一员。

作为腹足纲的动物,它身体的顶端长有两只引人注目的触角。


其实在幼年时期,它全身都是呈现红褐色的。与现代肥宅一样,海天牛最大的乐趣就是宅着不动。


可别看这些幼崽宅得出奇,却拥有不少天敌。例如珊瑚礁鱼、虾蟹、章鱼都是它的天然大敌。


注:海蛞蝓只是一种俗称,泛指“无壳蜗牛”*,是一些保有少量外壳或是已经没有外壳的软体动物。


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海蛞蝓的一种


尽管整日躺尸,但一旦遭到了天敌的攻击,它们也能逃得飞快。

如此一来,它们也时刻处于生死一线,不得安宁。


所以为了安心地宅,海蛞蝓家族都会想方设法将自己伪装起来。

而绿叶海天牛便从它最爱的食物藻类入手。


当它们在啃食藻类时,并不会完全将其消化排出,而是用了点小心思,偷偷将其中的叶绿体纳入自己体内。


为了生存,这种海洋动物绿了它自己



科学家们将这种盗取叶绿体为已用的现象,称为盗食质体

紧接着,它们的身体也会慢慢变绿,轻易将自己伪装起来了。

即便是再聪明的章鱼,恐怕也会以为这些是行走的绿叶!


当然,辛苦“偷”来的叶绿体似乎不单是进行自我保护。

科学家认为,它还能像植物一样进行光合作用,获得能量。


这样一来,海天牛就能找个能晒到太阳的地方一宅到底了。

可问题来了,海天牛,究竟是从哪一种藻类偷来的叶绿体?


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早在上世纪70年代,科学家就开始研究这个有趣的问题。

他们不厌其烦地反复观察海天牛的生活习性,并最终锁定了目标。

原来当它们幼年时,就会主动寻找一种叫滨海无隔藻的藻类。这是一种真核藻类,主要生活在美国东海岸的浅水池和盐沼之中。

它们不是一发现会这种藻类就立刻吃掉,而是要相处多日再将其吃掉,且食用的方法也远没有我们想象得那么简单。

首先,它们的舌齿能把藻类细胞壁刺破,并用消化系统进行消化吸收。



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伴随着研究的深入,研究者发现其他海蛞蝓也会窃取叶绿体。

与绿叶海天牛不同,这些海蛞蝓能将叶绿体存入角鳃,从而利用光合作用。

我们知道储存再多的能量,也有枯竭的一天。而“偷”来的叶绿体更是如此。

由于叶绿体不断被消耗,这些海蛞蝓需要不断补充叶绿体,才能维持光合作用。


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各种形状的海蛞蝓


然而,研究者却发现,绿叶海天牛体内的叶绿体是用之不竭的。

海天牛能够维持叶绿体长期稳定,完全摆脱饮食进入“辟谷”状态。

也就是说,只要吸收了叶绿体,它就能不吃不喝都能度过近10个月。

要知道,一只绿叶海天牛的寿命也只不过一年上下。这也是为什么大家都说它只要进食一次,就能续命一生。

那么,它究竟是如何让自己体内的叶绿体一直发挥作用的呢?

研究发现,绿叶海蛞蝓不仅能够吸收叶绿体,它还会主动“偷取”基因。


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等等,生物遗传基因不都来自父母,怎么还能靠“偷取”而来呢?

其实在自然界中,“偷基因”的例子可能比人类想象中的要普遍得多。而这有可能生物体存在的一种更为有效的进化捷径。

比如,去“偷”那些能够帮助生物必要的生存基因当它们轻易拥有这些生存能力时,就可能不必经过数百万年的艰苦进化了。


不同于亲代-子代式的“垂直传递”,这种“偷”基因的方式被视为是是“水平基因传递(HGT)”

目前的研究表明,水平基因转移是一个重要的现象,它使生物早期的演化关系更为复杂。


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显示垂直和水平基因转移的生命之树


比如生活在极端寒冷气候的雪藻就是一种会“偷基因”的生物。

为了不让冰晶将生物的细胞膜刺穿,雪藻必须生成一种与冰结合蛋白。

这些基因与细菌、古生菌、真菌的某些基因极为相似,可视为是极端寒冷环境中生存的必要基因。可在较温暖地带,没有任何一种藻类携带这种基因。

因此,科学家认为生存的必要基因是通过水平基因转移的方式获得的。



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雪藻


而我们现在看到的绿叶海天牛和滨海无隔藻之间的关系,亦是水平基因传递在现实生活中的一个经典例证。

研究发现,绿叶海天牛能将藻类核基因中,有关编码叶绿体蛋白的部分整合进自己的基因。这也是为什么它们只要变绿一次,就能一生无忧了。


另一方面,这种藻类与绿叶海蛞蝓也算是一种特殊的“共生关系”。

说到这,就不得不提生物学一个著名的猜想——“内共生起源学说”。



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康斯坦丁·梅列什科夫斯基1905年绘制的生命树图,显示了复杂生命形式的起源是由两个阶段的共生作用,即共生细菌的结合,依次形成细胞核和叶绿体


这种猜想认为在15亿年前,自由自在的光合细菌被异养真核细胞吞噬。

但奇怪的是,这次它没有被吸收殆尽,而是被保留了下来。


光合细菌不断产出能量维持自身,多余的能量被真核细胞吸收,两者形成互惠互利般的平衡。这种平衡最终使两者合为一体,逐步构建起了奇怪的共生关系——内共生。

这种猜想并不是空穴来风。在氯化石炭藓植物中就能发现,它们从绿藻中获得叶绿体,甚至保留了额外的细胞核。还有许多真核生物劫持了红藻的质体,就连病原体疟原虫和弓形虫内都能找到。


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用透射电镜观察哺乳动物肺细胞线粒体


而绿叶海蛞蝓所取食的滨海无隔藻,则被称作次级内共生关系。因为滨海无隔藻的祖先可能已经经历过一次内共生了。


作为真核藻类一支的红藻,其中一种原始红藻被另一类真核细胞所吞噬,并将基因转移到宿主的基因组内,从而形成了滨海无隔藻。


这么说来,绿叶海蛞蝓所获得的至少是二手基因。



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不过也科学家并不认同这一观点,认为海天牛体内的叶绿体并非是光合作用。他们发现在黑暗的环境下,部分海天牛可以存活。

所以,他们认为平常观察到的海蛞蝓几个月的辟谷可能是像冬眠动物一样,大吃一顿能撑几个月。


尽管如此,学术界主流的观点还是认为叶绿体在海天牛中是完全发挥了作用的。因为科学家发现在不同光照条件下,饥饿生活的海天牛,它的体长和死亡率等都有着明显的差异。

他们认为这得归功于共生海天牛身上叶绿体的光合作用。



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科学学的每一次发现都引发更多的问题,而我们在回答这些问题的时候打破着人类知识的边界。

目前科学认为绿叶海天牛“夺取”滨海无隔藻核基因,是唯一一种多细胞动物间的功能性基因转移。


而对人类而言,这种劫持其它生物基因的方法,很有可能用于建立一种治疗遗传性疾病的新型医学方案。

比如未来医学专家可以从其它生物体内获取基因,用于治疗一些人类疾病等等。



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或许有一天,科学家们能制造出在植物体外工作的人工叶绿体,直接收获太阳能满足人类的需要。


届时我们只要晒晒太阳就吃饱了,就能修仙成超级肥宅了。

可这样的话,人类会不会也丧失了当吃货的无穷乐趣了呢?

*参考资料

Nudibranch.Wikipedia. on 14 July 2019, at 13:49 (UTC).

David Smith. Steal My Sunshine. The scientist. 2013.

Dan Graur. Mitochondria Are Just Like Pigs: Ingesting Them May Lead to the Establishment of Stable Endosymbiosis with Humans.Judge Starling. 2016.

Kate Horowitz. 7 Vivid Facts About Sea Slugs. mentalfloss.com.

fengfeixue0219. 绿叶海天牛:夺取基因为光合. 果壳. 2015.

光合作用的动物,海蛞蝓:一个美丽的肥皂泡破了 作者:牛登科 科学网

自然界的“基因大盗” 李忠东 科学大众杂志社 2018-12-14




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