作者：曹倩（中國科學院西北高原生物研究所）

文章來源於(yu) 科學大院公眾(zhong) 號（ID：kexuedayuan）

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植物利用光合作用獲得能量，而動物利用食物獲得能量，如果一種生物能兩(liang) 者兼得是不是很美？

科學家在自然界裏確實發現了一種能進行光合作用的小動物——綠葉海蝸牛（Elysia chlorotica）。它們(men) 既能以藻類為(wei) 食又能利用共生的葉綠體(ti) 進行光合作用，簡直“混淆”了動物和植物的界限。

圖1 綠葉海蝸牛的身體(ti) 展開像一張綠葉，卷起來也像葉子

（圖片來源：HalfAnimal,HalfPlant,SporeMagazine, 2014. ）

吃一次飯，管一輩子

綠葉海蝸牛是一種海洋軟體(ti) 動物，它們(men) 生活在從(cong) 加拿大新斯科舍省到佛羅裏達南部的沿海海岸的鹽沼、海塗和淺灣中。綠葉海蝸牛以潮間帶的濱海無隔藻為(wei) 食，在進食的時候，它們(men) 以用齒舌刺穿藻類的細胞壁，吸食其中的營養(yang) 物質，包括葉綠體(ti) 。

海蝸牛網絡狀的腸道係統遍布全身，會(hui) 留下完整的無隔藻葉綠體(ti) 就停留在此，把它們(men) 放置在遍布全身的網絡狀的腸道係統裏，海蝸牛就可以利用葉綠體(ti) 進行光合作用為(wei) 自己製造食物。科學家替海蝸牛這種不同尋常的本領起了一個(ge) 專(zhuan) 有名詞，叫做“盜食”。

圖2 濱海無隔藻是生長在海岸潮間帶的一種黃藻

（圖片來源：SeaSlugsStealGenes fromAlgae,https://earth-chronicles.ru, 2015.）

圖3 進食中的綠葉海蝸牛

（圖片來源：HalfAnimal,HalfPlant,SporeMagazine,2014. ）

最近的研究發現，海蝸牛在“盜食”的路上也許走得更遠，它們(men) 不僅(jin) 竊取葉綠體(ti) 為(wei) 己所用，而且還能合成新的葉綠素，隻要有陽光和二氧化碳，海蝸牛就有源源不斷的能量來源。

實驗證實，幼年海蝸牛隻需進食足夠的濱海無隔藻，之後在不進食的條件下（隻提供光照）能夠存活9-10個(ge) 月之久，這基本就是海蝸牛的整個(ge) 生命期了，野外生活的個(ge) 體(ti) 一般能存活8-10個(ge) 月（真是吃一次飯，管一輩子）。在斷食期內(nei) ，海蝸牛體(ti) 內(nei) 的葉綠體(ti) 保持完好並持續發揮光合作用。

圖4 A海蝸牛幼體(ti) ， B幼年的，還沒有進食無隔藻的海蝸牛呈現棕色，C進食了無隔藻的海蝸牛體(ti) 色變綠，D成年海蝸牛

（圖片來源：https://designlooter.com）

葉綠體(ti) 蛋白 蝸牛造？

然而讓科學家費解的是，維持葉綠體(ti) 正常活動需要1000-5000種蛋白質，而無隔藻的葉綠體(ti) 基因本身隻能編輯139個(ge) 蛋白質，遠遠不足以支撐葉綠體(ti) 的基本功能。高等植物葉綠體(ti) 所需的大部分蛋白質來自於(yu) 核基因的編碼，在細胞質中合成然後運往葉綠體(ti) 中實現生化功能。在長時間禁食之後，海蝸牛體(ti) 內(nei) 的藻類細胞核早已被消化殆盡了，這些必不可少的蛋白質從(cong) 何而來呢？

科學家懷疑，這些蛋白質是由海蝸牛自己的細胞核基因編碼的，通過DNA擴增技術（PCR），他們(men) 在海蝸牛的體(ti) 內(nei) 發現了超過60種藻類細胞核基因，這些基因持續合成維持葉綠體(ti) 正常活動的蛋白質，例如負責合成葉綠素的酶。進一步的研究發現，這些基因似乎具有遺傳(chuan) 性，因為(wei) 在海蝸牛的幼體(ti) 和卵中也發現了同樣的基因。

圖5 光合作用過程

（圖片來源：Stomata Function, https://biologywise.com）

共生的故事不止這一個(ge)

現在我們(men) 似乎能看見一個(ge) 完整的共生故事——綠葉海蝸牛盜食濱海無隔藻的葉綠體(ti) ，負責光合作用的基因從(cong) 濱海無隔藻的細胞核轉移到海蝸牛的細胞核裏，光合作用由無隔藻的葉綠體(ti) 和海蝸牛的核基因共同實現。科學家宣稱他們(men) 發現了自然界中首例多細胞真核生物之間的水平基因轉移。

水平基因轉移不同於(yu) 常規的垂直基因轉移（即通過有性繁殖由親(qin) 代到子代的基因傳(chuan) 遞）。水平基因轉移, 又稱橫向基因轉移, 是指跨越物種進行的遺傳(chuan) 信息轉移，它打破了親(qin) 緣關(guan) 係的隔離，使基因能在不同物種之間進行交換。自然界中，水平基因轉移現象在原核生物和單細胞真核生物中發生較為(wei) 頻繁，而在多細胞真核生物之間則難於(yu) 跨越生殖隔離的障礙，類似濱海無隔藻和綠葉海蝸牛之間的水平基因轉移更新了人們(men) 對於(yu) 這一領域的認知。

就這樣，一旦建立起和葉綠體(ti) 的共生關(guan) 係，海蝸牛就可以懶洋洋地曬著太陽在海床上漫遊或是宅在家裏，省下尋找食物的時間和能量，把精力放在繁殖後代的人生大事上。即使在食物緊缺的時候，海蝸牛憑借超強的待機時間也能獲得更多的生存機會(hui) 。這種現象體(ti) 現了海蝸牛對其生活環境的適應：它們(men) 的食物並不是全年敞開供應的，濱海無隔藻隻有在漲潮的時候才出現，而且得在春季轉暖以後才開始生長。

海蝸牛與(yu) 葉綠體(ti) 的內(nei) 共生過程中發生的種種奇跡與(yu) 巧合，還沒有人敢說自己能完全還原出其軌跡，但它無疑是大自然又一個(ge) 令人著迷的傑作。其實胞內(nei) 共生現象，在自然界相當普遍。例如藍藻可以共生於(yu) 真菌、變形蟲和和鞭毛蟲體(ti) 內(nei) 。細菌共生於(yu) 無脊椎動物的細胞裏也是常見的，比如夏威夷短尾烏(wu) 賊與(yu) 費氏弧菌的共生。

圖6 葉綠體(ti) 和線粒體(ti) 的內(nei) 共生起源學說

（圖片來源：The History of Life on Earth, https://www.ixl.com）

這些故事指向一個(ge) 更古老的故事，那就是真核生物的內(nei) 共生起源學說。大約在15億(yi) 年以前，一些大型的具有吞噬能力的原始真核細胞，吞並了幾種原核生物（例如細菌和藍藻），可是後者沒有被分解消化，卻在原始真核細胞體(ti) 內(nei) 過起了寄生生活，它們(men) 從(cong) 寄生逐漸過渡到共生，最後成為(wei) 宿主細胞裏麵的細胞器。被吞噬的細菌成為(wei) 了線粒體(ti) ，而被吞噬的藍藻成為(wei) 了葉綠體(ti) 。這個(ge) 過程在曆史上發生了不止一次，在經過第一次內(nei) 共生後，濱海無隔藻的祖先又被另一種真核細胞吞噬，經過二次共生形成了現在的濱海無隔藻。看來，葉綠體(ti) 和綠葉海蝸牛的共生就像“俄羅斯套盒”，打開一層又有一層。

結語

科學的每一次發現都引發更多的問題，而我們(men) 在回答這些問題的時候擴充了人類星空体育官网入口网站的疆域。或許有一天，科學家們(men) 能製造出在植物體(ti) 外工作的人工葉綠體(ti) ，直接收獲太陽能滿足人類的需要，設想一下，我們(men) 在晴天裏曬曬太陽就吃飽了，省下吃飯的時間和錢……

圖7 曬太陽吐金幣的金盞花（不隻是遊戲）

（圖片來源：網絡）

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