@ 2012.09.22 , 00:08

走进科学:人类有可能像植物那样进行光合作用吗?

人类必须种植,打猎和收集食物,但是很多生物并不如此受限。植物,海藻,以及很多种细菌可以通过光合作用维持生存。它们利用阳光催化体内产生糖分的化学反应. 人类是否可以也做到类似的事情呢 ?我们的身体能否也变得像植物一样从太阳能中获取食物呢?

通常说来,动物无法进行光合作用,但是一切规则总有例外。豌豆蚜,这一最新发现的潜在变异物种,, 是农民的敌人不过却是是基因学家的朋友。上个月,法国索菲亚 ,安德鲁生物技术学院的 Alain Robichon 报道了豌豆蚜利用一种叫做类胡萝卜素的色素获取太阳能并且产生ATP(一种储存化学能量的分子), 该类蚜虫属于那些利用从真菌中“窃取”的基因自身产生色素的动物,这些动物数量非常稀少。绿蚜虫(含有大量的类胡萝卜素)产生的ATP数量要比白蚜虫(几乎不含类胡萝卜素)要多,并且橙色蚜虫(含有中等水平的类胡萝卜素)在阳光下产生的ATP数量比在黑暗中产生的要多。另一种昆虫,东方大黄蜂,可能也有类似的伎俩,它通过一种不同的叫做黄蝶呤的色素将光转化为电力能源。这两种昆虫都能将自身能力作为后备发动机,在供给减少或需求增加时提供能量。但是这两个例子都具有争议性,而且有关色素的真实身份的细节以及它们具体的作用都不明确。况且,没有一个例子是真正的光合作用,因为光合作用还包括将二氧化碳转化为糖分以及其他化合物。利用太阳能仅仅只是整个转化过程的一部分。

然而,也有动物进行真正字面意义上的光合作用,它们都是通过组成团体来实现。珊瑚是最典型的例子。它们是由成百上千的像海葵一样的软体动物集合而成,生活在它们自己制作的巨大的礁石里。它们寄生在微小的的称为鞭毛藻的藻类细胞的特殊部位内, 这些“居民”,或者叫内生共同体,可以进行光合作用并且为珊瑚提供营养。一些海葵,蛤蚌,海绵 以及虫子也有光合作用的内生共同体,而且它们中甚至有一种是脊柱动物的例子:斑点蝾螈。它的偏绿色的蛋中含有藻类,这些藻类实际上已经侵入了胚胎细胞的内部(尽管它们对蝾螈是否有益处还有待商榷)。

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太阳伴侣
尽管有这么多种类的例子,光合作用共生体仍是个例外而不是规则。 在一篇经典的论文中,植物学家 David Smith 和昆虫学家 Elizabeth Bernays 解释了为何这样的合体比它们看起来要复杂。宿主需要为共生体“支付”营养。它们需要方法“说服”共生体释放其自身生产的营养,而不是自身留用。它们需要控制共生体的生长,这样它们才不会出现“人□□炸”。它们还需要将它们的共生体转移到下一代。(珊瑚是通过将共生体释放到周边水域来实现的)

但是,这些这种关系的种子并不像它们看起来的那样难以播种。2011年,来自洛杉矶的加利福尼亚大学的合成生物学 Christina Agapakis,给将幼年斑马鱼接种光合作用的细菌,在鱼的胚胎时期将细菌注入其体内。正如她在博客所说,“最不可思议的是什么也没发生”。这种鱼不能进行光合作用,但是它们也并不排斥这类细菌。实验证明了脊柱动物可以,至少能容忍光合作用微生物的存在,或者是那种可以为蝾螈幼体供能的微生物。而且,她甚至提出稍作改动这种细菌可以入侵哺乳动物的细胞。

还有另一种加入植入共生体的方法:窃取它们的“加工厂”。在植物和藻类的细胞内,光合作用是在一个被称作叶绿体的微小的结构中发生的。 叶绿体是一种独立生存的光合细菌的残存物,这种细菌在数十亿年前被稍大于它的微生物所吞没。 与其他该类事件不同,这一命运性的遭遇并不是以被吞没细菌的被消化结束。相反,这两种细胞组成了一个持久的合体关系维持植物和藻类的细胞生存至今。因此,与其和一个共生体联手,为何不避开中间人,将他的叶绿体据为己有呢?

至少一部分动物这样做过,比如海蛞蝓。这种美丽的生物以藻类为食,同时给自己选派了叶绿体。 . 按照海牛天属专家Mary Rumpho 的描述,这些窃取来的叶绿体分布在蛞蝓的消化道内,为它提供能量,使得它“活得像个植物”。这种联合对于蛞蝓至关重要,失去了便无法活到成年。

叶片状体形

蛞蝓是如何维持并且使用它们的叶绿素的仍然不得而知。这些结构并不是绿色的闪存盘。你不能指望把它们塞进活的宿主细胞它们就可以正常工作,因为它们用到的很多蛋白质都是被宿主细胞的染色体编码过的。这些数以百计的蛋白质在细胞核内合成,然后运至叶绿素。海牛属的染色体至少包括了一个海藻类基因,还有更多的可能埋伏以待,所以要包括百多个功能性叶绿体不大可能。 .

这是另一个时代的谜团。现在 ,剑桥大学的 Chris Howe 说,“如果你想要在一个叶绿体和新的动物宿主直接建立一种新的关系,你将需要所有额外的机器辅助,你将不得不把这些基因都放到宿主的染色体中”。 有了数以百计的此类基因之后,将一个人类细胞变成一个兼容叶绿体的家将在很大程度上涉及到基因工程。

那么怎样才算是头呢?即使有了共生体,即使控制性基因也成功的加入了,这些会给我们带来不同吗? 可能不是,在没有尽可能多的将你暴露在太阳能的前提下,光合作用是一种无用的能力。 那就需要与容量相对应的一大块平面。植物是通过大的,水平的采光平面——叶子。海牛属,蛞蝓,又绿又平,看起来像是活生生的叶子。它同时也是透明的,因此光可以穿透它的组织到达内部的叶绿体。

人类,换而言之,是非常不透明的。即使我们的皮肤充斥着工作的叶绿体,它们也只能生产维持我们生存的一小部分的营养物质。Agapakis 说:“动物需要很多能量,而且不停的运动也不能使叶绿体工作”,“如果你设想一下一个必须从太阳中获得所有能力的人,他们必须一直静止,然后他们还需要一大片平面,突出的叶子,从这种意义上看,人就是一棵树。”

其实人何必为此苦恼呢?Agapakis 指出人们通过驯化野生植物,种植它们为食,已经在很大规模上有效利用了光合作用。农业是一个全球性的共生关系——它也是我们的豌豆蚜版本共生体,只是我们没有必要将它们保持在体内,只需把它们种在地里。本文译自 blogs,由译者 老人爱怡 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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