动物也能进行光合作用吗？

光合作用通常被认为是植物的专利，但一些海蛞蝓通过从藻类中“窃取”叶绿体来获得这种能力。

图片：SERC照片，CC BY 2.0

资料来源：大西洋

作者吴

翻译周舒义

齐主编的翻译与引用

在萨科洛萨研究海蛞蝓的科学家经常会收到一些充满奇思妙想的电子邮件。美国南佛罗里达大学的Sidney K. Pierce几年前退休了。“但直到今天，”他告诉我，“我仍然会收到孩子们在科学课上提出的问题。”他们偶然听说了这种神奇的软体动物，想知道它是否有助于“结束世界饥饿”。

皮尔斯向我保证，答案是否定的。但这个想法并非完全荒谬。几种海蛞蝓种类的囊龙只能通过细胞内物质从阳光中获取能量，并将其包装成可以作为食物的化学物质。换句话说，它们进行光合作用——，这应该是所有植物和藻类做的最“植物”的事情。

一个

当然，海蛞蝓是个例外：它既不是植物，也不是藻类，而是一种标准的动物。海蛞蝓通过一种惊人的“偷窃”行为模糊了生物界的边界：它们从所吃的藻类中获取叶绿体，并将其长期储存在体内。储存的叶绿体就像一个自动零食袋，一些种类的海蛞蝓可以从中获得数月甚至一年的营养。海天牛()，Pierce深入研究的海蛞蝓3354，年轻时只能吃一顿大藻餐，然后一辈子不吃东西，但走路，交配，什么都不做。皮尔斯告诉我，“我们把它们从野外收集起来，再也没有喂过它们。”

海天绿叶牛。图：2.0 cc eol学习教育组

人类不会这样做；众所周知，我们的身体不是用来勒索的。然而，“如果我们一周只吃沙拉，然后再也不用担心营养问题，那会是什么样子？”美国大学的Karen Pelletreau告诉我。海蛞蝓“偷窃”的壮举被称为偷窃成形，这是如此不同寻常，以至于神创论者将其作为智能设计的证据。(具体来说，这种行为来自于物种的进化。)而且研究人员也不确定这些模仿植物的动物是怎么做到的。

不同种类的海蛞蝓在饱餐一顿后的细节略有不同，但一般来说，它们的长度可以达到几英寸。他们会抓起一根长长的海藻，用牙齿刺穿，然后像大学生倒啤酒一样，一口一口地喝里面的东西。被吃掉的海藻泥被注入多分支海蛞蝓的肠道，在那里细胞捕获并储存完整的叶绿体，剩余的海藻被分解并丢弃。光合海蛞蝓孵化时通常是半透明或白色的，但叶绿体将它们大部分扁平、波浪状的身体染成了令人惊讶的铜绿色。20世纪70年代，一位生物学家在海天牛首次观察到绿叶，并称之为“匍匐叶”。

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大多数海蛞蝓不能利用光能。它们会消化和分解叶绿体以及其他食物成分。这些物种中只有一些能让叶绿体运行几天、几周甚至几个月。坦白说，这太疯狂了。起初，这似乎是不可能的，因为叶绿体严重依赖其自然水库细胞。几百万年前，叶绿体曾经是一种自由生活的细菌，最终被更大的细胞吞噬。作为食物和住所的回报，它们为宿主提供能量，形成永久依赖。

现在植物和藻类的叶绿体离不开蛋白质，而蛋白质只能由核基因编码，但这些基因无法在海蛞蝓的选择性消化中存活。期待充满海蛞蝓细胞的叶绿体正常工作就像期待一辆汽车在没有加油站的路上永远油门。这就是为什么我们不能简单地把叶绿体放在试管里享受它。)

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叶绿体，莫斯里图片来源：凯尔文松，CC BY 3.0

然而，即使细胞核被剥离，海蛞蝓的叶绿体仍然完好无损，功能正常。“这似乎是生物技术的奇迹，”美国罗格斯大学的Debashish Bhattacharya告诉我。“他们究竟是怎么让叶绿体活着的？”

多年来，人们提出了几种可能的解释。一种解释是，海蛞蝓通过自己的内部机制维持叶绿体，使其更持久。另一种解释是海蛞蝓试图掠夺海藻的细胞核并从中获利。

其中，叶绿体的相关基因得到了维持，但与我交流的大多数研究者都认为这种解释缺乏相关证据或者证据混杂。几年前，一些科学家提出了另一种解释：也许对海蛞蝓来说，被劫持的叶绿体更重要的不是作为一个光合作用的地方，而是作为一个自给自足的食物储存地。这些细胞内部的微结构可以储存能量，在需要营养的时候被消化吸收，就像骆驼的脂肪驼峰一样。根据这种解释，叶绿体的维护工作可能会半途而废。

皮尔斯告诉我，这个想法没有得到多少支持。(它不否认海蛞蝓。

利用光能的可能性：例如，某些种类的海蛞蝓可能会在利用叶绿体光合作用数周后，再将其中的储备吃干抹净。）而且许多专家深信，对于绿叶海天牛和它的几个近亲来说，身怀藻类叶绿体的最大好处完全在于光合作用，尤其是考虑到“窃取叶绿体是一件危险的事情”，葡萄牙阿威罗大学（University of Aveiro）的海蛞蝓研究专家 Paulo Cartaxana 告诉我。叶绿体很脆弱，也很挑剔，它们在运作时会释放有毒化合物。叶绿体必须提供很大的好处，否则它们早就被抛弃了。而这方面的证据也已经为数不少。

一些储存叶绿体的海蛞蝓物种在晒太阳的情况下会活得更久、长得更大。缅因大学的 Pelletreau 在先前一项合作研究中表明，绿叶海天牛似乎完全依赖于叶绿体；没有叶绿体，它们在幼龄时就会死亡。近期一项研究指出，某些海蛞蝓物种会故意切断自己的头部，叶绿体提供的能量甚至足以支撑它们从断头上长出新身体的艰巨工作。

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进一步的研究表明，海蛞蝓具有强大的光合作用能力。这些研究在原子尺度上追踪叶绿体制造的化学分子，它们转移到一系列海蛞蝓的身体组织，可能会促进各种各样非常“海蛞蝓”的过程。Cartaxana 最近的研究有了新进展：在绿叶海天牛的近亲 Elysia timida 中，肠道细胞叶绿体产生的物质最终会进入生殖组织，并提高它们产卵的数量。（E. timida 虽然在饭桌上是贪婪的窃贼，在恋爱时却注重礼尚往来。它们都是雌雄同体，交配时会头对头地碰撞，用从右眼下方松开的阴茎相互授精。）

“产卵是一项巨大的生殖投资，” E. timida 新研究的另一位作者、同样来自阿威罗大学的 Sónia Cruz 告诉我。“这需要消耗它们大量能量。” 每只海蛞蝓必须产下数百枚卵，每枚卵都要含有足够的营养，以维持后代的早期发育。叶绿体似乎是一种能量上的恩赐，在某些情况下能使海蛞蝓的产卵数量翻倍。

波兰华沙大学（University of Warsaw）的演化生物学家 Anna Karnkowska 告诉我，可以从其他窃取叶绿体的生物那里学到教益，它们大部分是像甲藻这样的单细胞生物（尽管有两种海洋蠕虫似乎也会短时间劫持叶绿体）。据认为，这些生物与它们的叶绿体有着特别密切的关系。对它们来说，盗食质体可能是将叶绿体永久固定在细胞内部、并使其世代相传的中间步骤。

海蛞蝓具有多细胞解剖结构和复杂的生活方式，将偷来的叶绿体传递给子代会困难得多。就科学家们所知，它们的行为类似于黑市器官移植，也仅此而已：当海蛞蝓死亡时，其叶绿体也会随之死亡。但 Karnkowska 认为，即使叶绿体移植是一个死胡同，这同样令人为之深深着迷，并推动我们去重新审视生物体之间光怪陆离、打破分类常规的关系。海蛞蝓为叶绿体提供了一个家，并在一段时间内伪装成冒牌植物；反过来，叶绿体成为杀戮的唯一幸存者，在其他藻类伙伴无法忍受的地方苟且偷生。