奋斗华子女朋友露露:一半动物，一半植物（附照片）

    □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）