一半动物一半植物 "太阳能鱼"不是没有可能

　　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）

    鱼也能进行光合作用？

　　□郭礼和（中科院上海生化细胞所研究员）

　　实际上，和《新科学家》杂志这篇报道类似的想法早就有了，自然界也存在这种共生现象，如一种以海藻为食并将海藻色素吸收到自身细胞中的海蜗牛，不仅能借此色素进行伪装，还能像植物一样进行光合作用，从而获取能量。又如，属于原生动物的眼虫，具有向光运动能力，不仅能摄取食物，而且能进行光合作用，因为它的细胞内含有叶绿体，可以把二氧化碳和水合成糖类。它兼有异养型（摄取有机物作为营养）又有自养型（利用无机物作为营养）的生物。

　　植物作为自养型生物，因为它的细胞内含有一种细胞器——叶绿体，其基本功能就是将阳光转化为电能，将水电解为氧气和质子，质子再转化为化学能（光合磷酸化，合成ATP），然后利用ATP和水与二氧化碳合成葡萄糖。葡萄糖是细胞生命活动的物质基础和能量源泉。植物白天吸收二氧化碳和水，产生葡萄糖，释放出氧气；晚上因无阳光，植物生命活动只能利用白天生成的葡萄糖和氧气在线粒体内进行氧化还原反应来提供能量，同时释放出二氧化碳和水。

　　我们知道，生命活动离不开能量。高等自养型生物（例如植物等）是通过光能转换来提供能量；高等异养型生物（例如脊椎动物等）是通过葡萄糖降解变成二氧化碳，释放出能量来供给生命活动。但在生物进化的早期，一些低等生物，包括原生动物、腔肠动物和软体动物等利用食物中的藻类细胞或叶绿素进行胞外或胞内共生，可以进行光合作用，提供部分能量。后来生物进化到高等生物时代，动物的运动需能急切和强大，这种供能方式也就没有存在价值了。

　　这篇文章提到的实验是设想把鱼的皮肤变成自养型，使其能进行类似植物一样的光合作用。要达到这样的目的有两种途径：一是采取胞外共生的办法，把蓝绿藻或蓝细菌移入到鱼的皮肤里与表皮细胞共生，因为这些细菌本身能进行光合作用，利用阳光能为鱼提供能量；其二是用植物的叶绿体移植到鱼的皮肤细胞内，理论上也能产生这种效果，但是叶绿体能否在动物细胞体内生存，这个难度很大，因为叶绿体需要细胞核基因的支持和协调，而鱼的细胞没有这些基因，所以叶绿体即使能在动物体内存活一段时间，但由于没有细胞核基因的支持，很难长期存活，更谈不上遗传和增殖了。怎样使得它能模拟植物细胞的光合作用，在科学上是一个尚未破解的难题。

　　由于基因工程技术的发展，早在上世纪80年代，把叶绿体分离出来培养，然后放到动物体内，以使动物也能具有植物光合作用功能的想法就有人提出过，但是至今一直没有实质性的突破，咎其原因有两点：一是叶绿体自己的基因组的基因尚不足以维持叶绿体自身的生命活动和繁殖，需要细胞核基因的支持，现在要将其移植到动物细胞里就会碰到这个问题；其次，因为叶绿体需要阳光，而阳光对动物细胞有杀伤力，所以动物在进化中就生出了黑色素、毛发、鳞角、羽毛和毛发等附件，以防范阳光照射对其的伤害。叶绿体需要阳光，而这些附件遮挡了阳光，这对矛盾无法解决。这篇文章只是再次提出了这个问题，当然作者是希望在如今生命科学的条件下来探讨，看看有没有突破的可能。这种探索和努力本身，无疑是值得肯定和赞赏的。

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