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綠葉海蝸牛吃掉藍藻后就能進行光合作用,為什么人類不行?

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人類要進行光合作用,開啟躺平人生。

吃藍藻不行,共生還是有可能的。

其實,我們這個世界上所有能進行光合作用的真核生物,無論藻類還是經典定義上的植物,它們最初都是通過“吃”了藍藻,把它變成了細胞器-葉綠體,然后掌握了光合作用(后面再具體解釋)。

另外,世界上能光合作用的動物還不少。

其中人氣最大的,無異于是綠葉海蝸牛(海天牛,Elysia chlorotica):



綠葉海蝸牛并非天生具有葉綠體,而是吃掉濱海無隔藻之后,把葉綠體直接儲存在自己體內共生,為己所用[1]。

如果把葉綠體看成一種閹割版藍藻的話,其實比較符合題主所謂的吃藍藻進行光合作用。



有人認為,綠葉海蝸牛,只需要進食一次綠藻,便可以終身不再進食。

這話過于絕對了。

實際在綠葉海蝸牛成長過程中,剛開始會長期進食,尤其是褐色的幼體階段,需要不斷攝入藻類細胞。

腸道細胞會通過吞噬作用把藻細胞的葉綠體整合在自己細胞內,成為自身細胞器的一部分。

隨著葉綠體在腸道內不斷積累,直到身體由褐色轉變成綠色,身體才會像樹葉一樣完全展開,才會不再進食葉綠體。

但如果成體之前長期接收不到陽光的照射,背部便會“枯萎”,需要再次進食。成體后一般不再“枯萎”,往往可以不進食存活數個月之久,最長達到9~10個月。

當然,這也是綠葉海蝸牛的理論壽命了。

此類方式進行光合作用的還有葉羊(costasiella kuroshimae),也稱為小綿羊海蛞蝓[2]。



我們可以發現,綠葉海蝸牛整合葉綠體的過程,非常像一個經典理論——內共生起源學說[3]。也即題主想要獲得的,吃藍藻掌握光合作用。

無論動物體內的線粒體,還是植物體內的葉綠體,之所以有別于其它細胞器呈現半自主性狀態,是因為它們分別由原始真核細胞,吞噬細菌和藍藻而形成的。

經典觀點認為,真核生物細胞的祖先是一種具有吞噬能力的無氧大細胞,通過糖酵解代謝獲取能量。但糖酵解獲取能量的效率并不高,產生的中間產物丙酮酸,依舊還含有足夠高的能量。該細胞吞噬革蘭氏陰性菌(α-變形菌)之后,革蘭氏陰性菌令丙酮酸進一步分解,由此產生更多的能量。

能量多了,自然更有利于生物生存,于是真核細胞和革蘭氏陰性菌演化出了共生關系。



葉綠體的產生,也具有類似的過程。真核細胞吞噬藍藻之后,藍藻為宿主提供光合作用,宿主則為藍藻提供其他的生存需求。



葉綠體和藍細菌對比

不過,隨著長達數億年的演化,真核細胞體內的革蘭氏陰性菌和藍藻,漸漸失去了自主性,成為了細胞器之一(當農民失去土地,自然而然地就成了農奴)。



現代分子生物學,已經證明了線粒體、葉綠體基因與真核生物基因組的差異性,以及與細菌的同源性。可以說,內共生起源學說證據非常完整,是迄今為止,解釋線粒體和葉綠體起源,最為接近真理的一種學說。

綠葉海蝸牛繼續演化千萬年,并不是沒有可能進化成可完全獨立遺傳的可光合作用動物。

總之,吃藍藻或者整合葉綠體,然后進行光合作用是可行的,也可能成為人類進行光合作用,躺平的終極方案。

不過,哪怕理論可行,但現在也遙遙無期,畢竟你連門都沒有找到。

甚至關于綠葉海蝸牛光合作用能力的研究,其實都還比較初級。

以前認為綠葉海蝸牛,之所以吞噬葉綠體可以在體內用9個月之久,甚至比在綠藻身體里都長,是因為它們可能偷了綠藻基因,例如,psbO基因[4] 。

但后來發現,可能根本就不是這么回事兒。并沒有證據表明發生了基因水平轉移[5],僅僅通過整合葉綠體,它們就能納葉綠體為己用,并長期支持存在。

既然題主目的僅僅是為了光合作用,開啟躺平人生,我們還是進行難度低一點的吧。

除了綠葉海蝸牛,能進行共生光合作用的還有硨磲、阿克爾扁形蟲、朝天水母、綠水螅、帆水母、巨型桶狀海綿、珊瑚蟲等等動物。

如果說像綠葉海蝸綠葉直接整合葉綠體的方式,技術難度過大,人類用來躺平遙遙無期。

那么共生另外一種藻類,則可能實用性更強。

例如,蟲黃藻。



可以說,這種很不起眼的藻類,支撐起了整個海洋的命脈[6]。

蟲黃藻可與多種海洋低等動物共生,更是珊瑚的靈魂。

每1mm^3的珊瑚蟲組織中,蟲黃藻就多達3萬個。蟲黃藻在珊瑚生態系統中,發揮著至關重要的作用。而整個珊瑚系統,又被稱為海洋的“熱帶雨林”,可以說是整個海洋生態系的命脈之一。

它們也是可進行光合作用動物,最愛納入的藻類之一,我們以硨磲為例子,來談談[7]。



硨磲亞科下面的2屬9種(最新的已再細分為12種),無一例外,全都能進行共生光合作用。



除了野生大硨磲(庫氏硨磲)是國家一級保護動物外,其它所有種類的野生硨磲都是國家二級保護動物。

它們絕大多數依靠光合作用,就能基本維持長期的生命活動。

成年的硨磲通過足絲固著生活,如同或青、或或黃、或紫的海洋之花,在白天綻放,夜晚關閉。

嘿,簡直就是夜間海洋盛放的藍色妖姬。



硨磲的幼體是可以自由活動,他們和其他的一些海洋雙殼綱動物一樣,需要經歷受精卵、擔輪幼蟲、足面盤幼蟲、后期面盤幼蟲、稚貝等階段。

受精卵孵化后,幼蟲就會開始濾食蟲黃藻

硨磲幼體孵化6天后,進入足面盤幼蟲階段,就會從主動濾食逐漸轉變為光合營養共生。

隨后的幾周,會不斷尋找合適的位置著陸,幾經更替后,最終發展成稚貝,開始營固著生活。

隨著不斷長大,光合營養的比重會逐漸加大。

長到數厘米以后,就可以完全不再需要濾食生活。

蟲黃藻可以為硨磲提供營養,而硨磲的代謝廢物二氧化碳、無鹽等,又可以給蟲黃藻提供光合作用的原料。

為了有利于光合作用,蟲黃藻主要共生在硨磲的外套膜上。

我們能看到的斑斕色彩的部分,其實就是硨磲的外套膜:



外套膜上的類似于蒼白斑點的結構,有利于光線的進入,方便蟲黃藻進行光合作用。

從硨磲的生命史可以看出,與蟲黃藻共生的方式,簡直天生為了躺平而設計。是廣大熱愛躺平生活的人類,非常理想的一種光合作用方式,技術難度還沒有綠葉海蝸牛那么大。

想象人類發展出這樣的斑紋,簡直天生自帶紋身效果。

你可能會擔心,這些軟體動物和章魚是親戚,與人類的親緣差距超過6億年,甚至很多人類都很想把它們開除地球籍。與我們差距這么遠,人類真的有可能共生藻類嗎?

6億年遠了,那我們說點近的。

其實,并不是無脊椎動物才能進行光合作用,也有脊椎動物也能進行光合作用。

例如,以斑點蠑螈為代表的兩棲動物,與人類大約有3.4億年的親緣差距。

它們卵上的果凍狀外層能與藻類共生(胚胎內的單細胞藻類Oophila amblystomatis)[8]。

胚胎代謝產生二氧化碳,藻類提供氧氣,互利共生。

看起來,脊椎動物共生藻類也是可行,但可能需要對藻類進行更多的改造。

從現在的細胞生物學和分子生物學水平來說,其實如果完全打開潘多拉魔盒,對人類胚胎進行無限制實驗,允許無限基因編輯。

通過改造各種藻類,對從兩棲動物到人類的各種胚胎進行共生研究,不斷篩選能共生的藻類。

相信可以在我們的有生之年,篩選出這種可以共生的藻類和人類。

但很明顯,目前是沒有人(以及一群人)有責任打開這個潘多拉魔盒的。

未來人類有沒有可能打破禁忌,開啟無限躺平人生呢?

誰知道呢!

至于如果人類能進行光合作用,會變成什么樣,以后再來分析了~

參考

  1. ^Mujer, Cesar V., et al. "Chloroplast genes are expressed during intracellular symbiotic association of Vaucheria litorea plastids with the sea slug Elysia chlorotica." Proceedings of the National Academy of Sciences 93.22 (1996): 12333-12338.
  2. ^Christa, Gregor, et al. "Functional kleptoplasty in a limapontioidean genus: phylogeny, food preferences and photosynthesis in Costasiella, with a focus on C. ocellifera (Gastropoda: Sacoglossa)." Journal of Molluscan Studies 80.5 (2014): 499-507.
  3. ^Martin, William F., Sriram Garg, and Verena Zimorski. "Endosymbiotic theories for eukaryote origin." Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 370.1678 (2015): 20140330.
  4. ^Rumpho, Mary E., et al. "Horizontal gene transfer of the algal nuclear gene psbO to the photosynthetic sea slug Elysia chlorotica." Proceedings of the National Academy of Sciences 105.46 (2008): 17867-17871.
  5. ^Bhattacharya, Debashish, et al. "Genome analysis of Elysia chlorotica egg DNA provides no evidence for horizontal gene transfer into the germ line of this kleptoplastic mollusc." Molecular biology and evolution 30.8 (2013): 1843-1852.
  6. ^Freudenthal, Hugo D. "Symbiodinium gen. nov. and Symbiodinium microadriaticum sp. nov., a zooxanthella: taxonomy, life cycle, and morphology." The Journal of Protozoology 9.1 (1962): 45-52.
  7. ^Soo, Pamela, and Peter A. Todd. "The behaviour of giant clams (Bivalvia: Cardiidae: Tridacninae)." Marine biology 161 (2014): 2699-2717.
  8. ^Small, Daniel P., R. Scott Bennett, and Cory D. Bishop. "The roles of oxygen and ammonia in the symbiotic relationship between the spotted salamander Ambystoma maculatum and the green alga Oophila amblystomatis during embryonic development." Symbiosis 64 (2014): 1-10.

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