□史博臻  編譯
    不久的將來(lái)，有可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新的英文單詞——platimal,它是plant(植物）和animal（動(dòng)物）的組合，預(yù)示著一種全新生物體的出現(xiàn)，比如說(shuō)，像植物那樣會(huì)進(jìn)行光合作用，以此為自己提供營(yíng)養(yǎng)的魚(yú)。正在從事這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和研究的克里斯蒂娜·阿加帕奇斯說(shuō)：“這是一個(gè)頗具風(fēng)險(xiǎn)的賭注，我們對(duì)即將發(fā)生的事情充滿(mǎn)期待。”
   
培育“太陽(yáng)能魚(yú)”不是沒(méi)有可能
    目前在哈佛醫(yī)學(xué)院求學(xué)的阿加帕奇斯曾做過(guò)一個(gè)非常特別的實(shí)驗(yàn)，她向斑馬魚(yú)的受精卵中注入光合細(xì)菌，目的是觀察細(xì)菌能否繁衍生息。通常情況下，細(xì)菌以殺死或被殺死的方式進(jìn)入到較大的細(xì)胞，但偶爾的例外（比如，共生）則會(huì)深遠(yuǎn)地改變整個(gè)星球。比如，一種光合細(xì)菌——藍(lán)細(xì)菌能將光轉(zhuǎn)化為食物，隨后，植物體內(nèi)的復(fù)雜細(xì)胞“竊取”并掌握這種能力從而完成進(jìn)化。
    多數(shù)生物學(xué)家對(duì)此深感質(zhì)疑，并信誓旦旦地表示把藍(lán)細(xì)菌和魚(yú)類(lèi)“結(jié)合”純屬天方夜譚。但阿加帕奇斯用實(shí)驗(yàn)證明，所注入的藍(lán)細(xì)菌聚球藻在魚(yú)卵孵化后又存活了兩周。兩周是一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，此后斑馬魚(yú)的色素開(kāi)始生成。
    由于藍(lán)細(xì)菌不能正常分裂生長(zhǎng)，也并未提供糖分，所以，斑馬魚(yú)胚胎就必定從陽(yáng)光中獲取能量。鑒于實(shí)驗(yàn)中的魚(yú)和光合細(xì)菌都存活下來(lái)，一個(gè)頗為誘人的問(wèn)題油然而生：有朝一日，能否培育出從陽(yáng)光攝取能量的“太陽(yáng)能魚(yú)”，為地球的食物來(lái)源提供一條新路呢？這個(gè)想法聽(tīng)起來(lái)十分可笑，但事實(shí)勝于雄辯——不少動(dòng)物已經(jīng)在利用光合作用補(bǔ)充能量了，其中最習(xí)以為常的當(dāng)屬熱帶珊瑚蟲(chóng)。除此之外，海綿、海葵、海鞘、水螅和雙殼類(lèi)也或多或少地補(bǔ)給太陽(yáng)能。不難發(fā)現(xiàn)，其實(shí)人類(lèi)一直在食用光合動(dòng)物，只是后知后覺(jué)罷了，比如巨人蚌，它作為食物的歷史起碼有10萬(wàn)年了。
    如果有人認(rèn)為，諸如此類(lèi)的動(dòng)物都有與植物一模一樣的外表和行為，那就大錯(cuò)特錯(cuò)了。因?yàn)橛行┕夂蟿?dòng)物都是獨(dú)生型，比如大量存活的體長(zhǎng)達(dá)15毫米的光合扁形蟲(chóng)、漂浮海面的水母狀Vellela和倒立水母，其中最引人注目的是種類(lèi)繁多的太陽(yáng)能海蛤蝓。
    現(xiàn)在，斑點(diǎn)蠑螈研究取得了重大突破。加拿大達(dá)爾豪西大學(xué)的瑞安·克尼在成年雌性斑點(diǎn)蠑螈的輸卵管中發(fā)現(xiàn)了藻類(lèi)細(xì)胞，并以特定的方式遺傳給下一代。值得注意的是，這種藻類(lèi)細(xì)胞不僅在受精卵外部寄居，就連正在發(fā)育的蠑螈胚胎中也出現(xiàn)了它的身影。去年早些時(shí)候，克尼在所作的報(bào)告中指出，在蠑螈細(xì)胞內(nèi)部的藻類(lèi)細(xì)胞周?chē)負(fù)碇哪芫€(xiàn)粒體群，它們對(duì)糖分和氧氣全部“通吃”。
    其實(shí)，我們尚未確知胚胎是否能通過(guò)藻類(lèi)來(lái)獲取食物，而且成年斑點(diǎn)蠑螈最喜歡隱匿在陰涼苔蘚或巖石下，再加上它那身“嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)”的黑皮膚就更是“刀光難入”了。但這至少說(shuō)明，一些脊椎動(dòng)物在生命周期中有意無(wú)意地進(jìn)行著短時(shí)間光合作用。
    現(xiàn)在的問(wèn)題并非局限于驗(yàn)證動(dòng)物的光合作用上，而是分析其為何對(duì)這種能力“視而不用”？一些研究人員認(rèn)為，對(duì)大多數(shù)動(dòng)物來(lái)講，光合作用往往事倍功半。同時(shí)，否定意見(jiàn)此起彼伏。在加拿大哥倫比亞大學(xué)從事葉綠體研究的帕特里克·基林提出：“我認(rèn)為問(wèn)題的答案是它們根本不具備這種能力。”為了決出這場(chǎng)博弈的高下，我們首先要弄清進(jìn)行光合作用的條件和機(jī)理。
   
光是首要條件
    在進(jìn)化過(guò)程中，光合動(dòng)物慢慢適應(yīng)了長(zhǎng)期接觸陽(yáng)光的生存方式，并且光線(xiàn)還能穿過(guò)水螅、水母的透明身體。這一現(xiàn)象并非巧合。
    在體型上也是如此。諸如海葵、珊瑚蟲(chóng)等大量光合動(dòng)物形似植物枝杈。另外，扁形蟲(chóng)和一些名為“sacoglossan”的海蛤蝓呈扁平葉片狀，這使得它們擁有相對(duì)于體積的巨大表面積，從而盡可能獲取最多的能量。
    或許，動(dòng)物對(duì)光的需求程度能解釋它們?yōu)楹我?#8220;拋棄”自身的光合作用。例如，盡管成年斑點(diǎn)蠑螈能從中獲得一部分能量，但長(zhǎng)期暴曬的“危險(xiǎn)指數(shù)”極高，這就意味著自身光合作用要就此畫(huà)上休止符。還有鳥(niǎo)類(lèi)、爬行類(lèi)等哺乳動(dòng)物，如果成天“沐浴”在充足陽(yáng)光中，它們的皮膚、羽毛和鱗片就會(huì)自動(dòng)搭建“屏障”，隨時(shí)抵御光線(xiàn)直達(dá)體內(nèi)的活細(xì)胞。
    星星之火，也有微弱的光芒。
    盡管眼斑多葉鰓海天牛每天要在沙堆里“活埋”大部分時(shí)間，并且光合細(xì)胞還“隱藏”在皮膚瓣下，但即使是“一米陽(yáng)光”所帶來(lái)的光合作用也會(huì)讓它受益。擁有光纖般骨骼的海綿，可傳導(dǎo)光線(xiàn)至細(xì)胞深處，進(jìn)而光合。
    或許，最不可思議的“光合作用者”非巨人蚌莫屬了，它身披硬厚的殼，還有相對(duì)較小的表面積。盡管如此，一個(gè)初生的蚌能在僅供養(yǎng)光的條件下存活十個(gè)月之久。在漢密爾頓海洋科學(xué)研究所的安吉拉道·格拉斯針對(duì)該情況進(jìn)行闡釋?zhuān)?#8220;與此相應(yīng)，巨人蚌的體內(nèi)就要產(chǎn)生重大變動(dòng)。”試想一下，如果蚌從生命之始沒(méi)有從光合作用中獲益，那么這種廣泛適應(yīng)性也就會(huì)消失得無(wú)影無(wú)蹤了。
    事實(shí)上，小型雙殼類(lèi)、海螺和蝸牛的體內(nèi)早已存留著光合藻，它依賴(lài)于穿透外殼的弱光而旺盛生長(zhǎng)。一種未被證實(shí)的說(shuō)法稱(chēng)，這些動(dòng)物經(jīng)常從藻類(lèi)中尋求食物。
    如果蚌和海螺能通過(guò)充足陽(yáng)光而進(jìn)行光合作用，那么，魚(yú)類(lèi)也能有這種功能嗎？答案是肯定的。像獅子魚(yú)、葉海龍、鰩魚(yú)、比目魚(yú)等品種的魚(yú)類(lèi)，似乎天生擁有“捕光”的理想體型。
   
獲取葉綠體
    進(jìn)行光合作用的第二個(gè)必備條件是具備光轉(zhuǎn)換的機(jī)體。這種機(jī)體往往存在于植物體內(nèi)與生俱來(lái)的葉綠體中，但動(dòng)物就沒(méi)有這么“幸運(yùn)”了，只好另謀他路。海蛤蝓通過(guò)食用藻類(lèi)來(lái)獲取葉綠體，并存儲(chǔ)在體細(xì)胞中。在海蛤蝓體內(nèi)，布滿(mǎn)了“羊腸小道”的內(nèi)臟器官，為捕捉光線(xiàn)提供了一個(gè)大“網(wǎng)”。
    隨著藍(lán)細(xì)菌轉(zhuǎn)化成葉綠體，大部分基因進(jìn)入到主體基因組中，包括一些保持葉綠體正常工作的重要組織。由于海蛤蝓細(xì)胞本身不具備這些基因，所以每隔數(shù)天、數(shù)周就要重新更換失效的葉綠體。唯一不用這么“大費(fèi)周章”的是綠葉海蛤蝓，又稱(chēng)“綠葉海蝸牛”，它在生長(zhǎng)到成年期時(shí)，僅一次性“吃飽”便可維系10個(gè)月的生命周期。
    或許，綠葉海蛤蝓以某種方式獲取了維系葉綠體正常工作的基因？2009年，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)陸續(xù)公布了仍稍顯稚嫩的成果。對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)之一的緬因大學(xué)負(fù)責(zé)人瑪麗·羅姆霍表示，目前還不能驗(yàn)證其研究發(fā)現(xiàn)，“尚待基因圖譜做出最后的判定。”
    羅姆霍解釋道：“維系葉綠體工作至少需200個(gè)基因，還要把它們添加到動(dòng)物基因組中，這項(xiàng)工作對(duì)目前的轉(zhuǎn)基因?qū)W家來(lái)說(shuō)，是一次史無(wú)前例的挑戰(zhàn)。”她同時(shí)指出：“在外源基因組中，隨意插入供需葉綠體的所有核基因是非常不切實(shí)際的做法，更不用說(shuō)為調(diào)節(jié)基因活動(dòng)而進(jìn)行的科研工作。”
    這大概可以解釋為什么那些“竊取”植物光合作用能力的生物體，經(jīng)常要受制于細(xì)胞核、葉綠體等所有完整細(xì)胞才能產(chǎn)生作用。欲將一個(gè)完整植物細(xì)胞添加到動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)相對(duì)容易一些，僅需要增添葉綠體，而不用進(jìn)行基因修復(fù)。最明顯的例子是Symbiodinium共生藻，它能為珊瑚蟲(chóng)、海葵、水母、巨人蚌等提供太陽(yáng)能。或者是像阿加帕奇斯所做的實(shí)驗(yàn)，在動(dòng)物細(xì)胞中添加藍(lán)細(xì)菌，一些海綿、珊瑚蟲(chóng)為藍(lán)細(xì)菌的“駐扎”提供了“居所”。
    盡管脊椎動(dòng)物的細(xì)胞吸收了藻類(lèi)和藍(lán)細(xì)菌，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。正如道格斯所說(shuō)：“珊瑚蟲(chóng)以特定方式誘導(dǎo)Symbiodinium共生藻釋放糖分。在珊瑚蟲(chóng)體外，共生藻依靠這些糖分來(lái)存活。”
    這些誘導(dǎo)作用似乎并不是要面對(duì)的唯一挑戰(zhàn)。一種名為Paulinella chromatophora的單細(xì)胞變形蟲(chóng)攜帶著藍(lán)細(xì)菌內(nèi)共生菌，它逐漸喪失原有基因并轉(zhuǎn)化成葉綠體。沒(méi)有一種多細(xì)胞生物體出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似情況。專(zhuān)門(mén)從事內(nèi)共生學(xué)研究的羅德島大學(xué)克里斯·萊恩認(rèn)為：“把葉綠體注入到多細(xì)胞生物體所采取的方式與單細(xì)胞截然不同，運(yùn)輸葉綠體、控制細(xì)胞分裂周期并不是一件容易的事。”
    如果動(dòng)物尚未從受精卵中遺傳到光合內(nèi)共生體，那么它就需要從環(huán)境中吸收。由于海蛤蝓能從食物和周?chē)h(huán)境中吸收到有毒細(xì)胞，所以，光合作用可能要在其體內(nèi)進(jìn)行多次演化。能做到這一點(diǎn)，也堪稱(chēng)動(dòng)物光合作用的“奇葩”了。
   
沒(méi)有免費(fèi)午餐
    依靠光合作用的生存方式就像曬日光浴，曬得太多就會(huì)有物極必反的危險(xiǎn)。羅姆霍說(shuō)：“對(duì)光合動(dòng)物來(lái)講，在食物短缺時(shí)采取光合作用是一種應(yīng)急方式。但與此同時(shí)，還要抵御長(zhǎng)時(shí)間光照所帶來(lái)的傷害。”
    紫外線(xiàn)同樣會(huì)帶來(lái)不容小覷的危害，尤其是對(duì)那些陸生動(dòng)物來(lái)說(shuō)。動(dòng)物置身炎炎烈日所面臨的問(wèn)題與陰涼環(huán)境相比，只會(huì)有增無(wú)減，所以大多數(shù)光合動(dòng)物都生活在水下。那么，要想同時(shí)利用光能和捕食來(lái)補(bǔ)充能量，動(dòng)物們就該做好“兩手準(zhǔn)備”了。比如某些海葵，僅在夜晚使用長(zhǎng)觸須捕獵食物，而短觸須，則用來(lái)給寄居的藻類(lèi)捕獲陽(yáng)光。
    這一切告訴我們什么？盡管在動(dòng)物光合作用方面并沒(méi)有出現(xiàn)根本性障礙，但大多數(shù)動(dòng)物很難獲得這種“兩全其美”的機(jī)體。更何況，具備這種機(jī)體以后，會(huì)極大地改變它們的生存方式，從而降低存活率，甚至導(dǎo)致物種滅絕。
    不可否認(rèn)，轉(zhuǎn)基因會(huì)帶來(lái)進(jìn)化中所不能實(shí)現(xiàn)的一切目標(biāo)，但它帶來(lái)的益處是否能抵過(guò)脊椎動(dòng)物所付出的沉重代價(jià)？特別是對(duì)那些運(yùn)動(dòng)型耗能動(dòng)物來(lái)說(shuō)。
    科學(xué)家通過(guò)把Symbiodinium共生藻引入到魚(yú)的皮膚細(xì)胞，進(jìn)而使它得以在珊瑚蟲(chóng)中生存。根據(jù)斯克里普斯海洋研究所的研究人員斯圖爾特·桑丁的調(diào)查顯示，珊瑚蟲(chóng)每日要在每平方米的光合面上處理3-80克的碳，即126-3360千焦耳能量。
    一條20克的魚(yú)（包括魚(yú)翅在內(nèi)）約有0.0044平方米的表面積，而一條500克魚(yú)約有0.045平方米表面積。斯旺西大學(xué)的魚(yú)類(lèi)營(yíng)養(yǎng)學(xué)家英格麗·盧派茲說(shuō)，在養(yǎng)殖池中飼養(yǎng)一條20克的鯉魚(yú)，需每日提供3千焦耳熱量以維持體重，而500克的魚(yú)則需4萬(wàn)焦耳。
    綜述，在理論上來(lái)說(shuō)，光合作用可數(shù)次為鯉魚(yú)提供能量以維持生命所需，這使得光合魚(yú)成為最大受益者。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，即使耗能哺乳動(dòng)物從陽(yáng)光中攝取大量的有用能，但這其中仍存在著巨大的疑問(wèn)號(hào)。
    對(duì)于此類(lèi)項(xiàng)目的“鼻祖”，轉(zhuǎn)基因魚(yú)并沒(méi)有像珊瑚蟲(chóng)一樣，在成百上千年的進(jìn)化過(guò)程中經(jīng)歷著變遷和淘洗，但它卻帶來(lái)了難以忽視的改變。魚(yú)類(lèi)在遭遇高強(qiáng)度的暴曬時(shí)，會(huì)產(chǎn)生截然不同的行為反應(yīng)。它們需要透明的皮膚，以及使光線(xiàn)穿入細(xì)胞的適量表面積，并同時(shí)抵御紫外線(xiàn)的損傷。像珊瑚蟲(chóng)的生理特性一樣，太陽(yáng)能魚(yú)只生存在陽(yáng)光充裕、海水清澈、溫度恒定的熱帶地區(qū)。
    此外，大多數(shù)光合動(dòng)物能從它們的共生體中獲得速成糖分，它被道格斯戲謔地稱(chēng)為“垃圾食品”。但蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)是必不可少的“生命物質(zhì)”，需要從外源食物中獲取。對(duì)養(yǎng)殖業(yè)來(lái)說(shuō)，過(guò)多的糖分破壞魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)。但相比之下，蛋白質(zhì)和油脂就顯得愈發(fā)“珍貴”了。對(duì)鮭魚(yú)等肉食性魚(yú)類(lèi)來(lái)說(shuō)，只有依靠喂食魚(yú)粉來(lái)補(bǔ)給。從理論上講，為魚(yú)類(lèi)“配備”現(xiàn)代固氮藍(lán)細(xì)菌，能提供所需蛋白質(zhì)（比如一些海綿、珊瑚蟲(chóng)）。盡管全人類(lèi)付諸了幾十年的努力，但至今仍是“紙上談兵”。
    在正常情況下，像鯉魚(yú)、羅非魚(yú)這種養(yǎng)殖型魚(yú)類(lèi)，從養(yǎng)殖池的植物中獲取了大量養(yǎng)分，并以此為生。“一意孤行”地指望藻類(lèi)發(fā)揮替代性作用似乎“行路多舛”。
    在科學(xué)世界里，無(wú)時(shí)無(wú)刻不彌漫著令人心潮澎湃的驚喜。就如同當(dāng)下，科學(xué)家欲創(chuàng)造太陽(yáng)能魚(yú)的壯舉，盡管這項(xiàng)“發(fā)明”可能隨時(shí)面臨“夭折”的危險(xiǎn)。因?yàn)樵谄渌^“提供食物”的功能上，似乎還看不到明顯優(yōu)勢(shì)。特別是在安全食用性方面，缺乏相應(yīng)的保障條例。不過(guò)，隨著科技的跨越式發(fā)展，一定會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的“阿加帕奇斯”繼續(xù)完成這一使命。也許在未來(lái)的某一天，只要打開(kāi)燈就可以喂飽自己的寵物魚(yú)了。
    原文作者為德沃拉·麥肯齊（《新科學(xué)家》雜志駐布魯塞爾特派記者）、邁克爾·勒佩齊（生物學(xué)專(zhuān)欄編輯）