□史博臻  編譯
    不久的將來，有可能會出現(xiàn)一個(gè)新的英文單詞——platimal,它是plant(植物）和animal（動物）的組合，預(yù)示著一種全新生物體的出現(xiàn)，比如說，像植物那樣會進(jìn)行光合作用，以此為自己提供營養(yǎng)的魚。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：“這是一個(gè)頗具風(fēng)險(xiǎn)的賭注，我們對即將發(fā)生的事情充滿期待。”
   
培育“太陽能魚”不是沒有可能
    目前在哈佛醫(yī)學(xué)院求學(xué)的阿加帕奇斯曾做過一個(gè)非常特別的實(shí)驗(yàn)，她向斑馬魚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)家對此深感質(zhì)疑，并信誓旦旦地表示把藍(lán)細(xì)菌和魚類“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)，此后斑馬魚的色素開始生成。
    由于藍(lán)細(xì)菌不能正常分裂生長，也并未提供糖分，所以，斑馬魚胚胎就必定從陽光中獲取能量。鑒于實(shí)驗(yàn)中的魚和光合細(xì)菌都存活下來，一個(gè)頗為誘人的問題油然而生：有朝一日，能否培育出從陽光攝取能量的“太陽能魚”，為地球的食物來源提供一條新路呢？這個(gè)想法聽起來十分可笑，但事實(shí)勝于雄辯——不少動物已經(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。除此之外，海綿、?？⒑Ｇ?、水螅和雙殼類也或多或少地補(bǔ)給太陽能。不難發(fā)現(xiàn)，其實(shí)人類一直在食用光合動物，只是后知后覺罷了，比如巨人蚌，它作為食物的歷史起碼有10萬年了。
    如果有人認(rèn)為，諸如此類的動物都有與植物一模一樣的外表和行為，那就大錯特錯了。因?yàn)橛行┕夂蟿游锒际仟?dú)生型，比如大量存活的體長達(dá)15毫米的光合扁形蟲、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繁多的太陽能海蛤蝓。
    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)部的藻類細(xì)胞周圍，簇?fù)碇哪芫€粒體群，它們對糖分和氧氣全部“通吃”。
    其實(shí)，我們尚未確知胚胎是否能通過藻類來獲取食物，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。但這至少說明，一些脊椎動物在生命周期中有意無意地進(jìn)行著短時(shí)間光合作用。
    現(xiàn)在的問題并非局限于驗(yàn)證動物的光合作用上，而是分析其為何對這種能力“視而不用”？一些研究人員認(rèn)為，對大多數(shù)動物來講，光合作用往往事倍功半。同時(shí)，否定意見此起彼伏。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)為問題的答案是它們根本不具備這種能力。”為了決出這場博弈的高下，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)化過程中，光合動物慢慢適應(yīng)了長期接觸陽光的生存方式，并且光線還能穿過水螅、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?？?、珊瑚蟲等大量光合動物形似植物枝杈。另外，扁形蟲和一些名為“sacoglossan”的海蛤蝓呈扁平葉片狀，這使得它們擁有相對于體積的巨大表面積，從而盡可能獲取最多的能量。
    或許，動物對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上休止符。還有鳥類、爬行類等哺乳動物，如果成天“沐浴”在充足陽光中，它們的皮膚、羽毛和鱗片就會自動搭建“屏障”，隨時(shí)抵御光線直達(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“一米陽光”所帶來的光合作用也會讓它受益。擁有光纖般骨骼的海綿，可傳導(dǎo)光線至細(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·格拉斯針對該情況進(jìn)行闡釋：“與此相應(yīng)，巨人蚌的體內(nèi)就要產(chǎn)生重大變動。”試想一下，如果蚌從生命之始沒有從光合作用中獲益，那么這種廣泛適應(yīng)性也就會消失得無影無蹤了。
    事實(shí)上，小型雙殼類、海螺和蝸牛的體內(nèi)早已存留著光合藻，它依賴于穿透外殼的弱光而旺盛生長。一種未被證實(shí)的說法稱，這些動物經(jīng)常從藻類中尋求食物。
    如果蚌和海螺能通過充足陽光而進(jìn)行光合作用，那么，魚類也能有這種功能嗎？答案是肯定的。像獅子魚、葉海龍、鰩魚、比目魚等品種的魚類，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)與生俱來的葉綠體中，但動物就沒有這么“幸運(yùn)”了，只好另謀他路。海蛤蝓通過食用藻類來獲取葉綠體，并存儲在體細(xì)胞中。在海蛤蝓體內(nèi)，布滿了“羊腸小道”的內(nèi)臟器官，為捕捉光線提供了一個(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“綠葉海蝸牛”，它在生長到成年期時(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物基因組中，這項(xiàng)工作對目前的轉(zhuǎn)基因?qū)W家來說，是一次史無前例的挑戰(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，更不用說為調(diào)節(jié)基因活動而進(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)胞添加到動物細(xì)胞內(nèi)相對容易一些，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、?？?、水母、巨人蚌等提供太陽能?；蛘呤窍癜⒓优疗嫠顾龅膶?shí)驗(yàn)，在動物細(xì)胞中添加藍(lán)細(xì)菌，一些海綿、珊瑚蟲為藍(lán)細(xì)菌的“駐扎”提供了“居所”。
    盡管脊椎動物的細(xì)胞吸收了藻類和藍(lán)細(xì)菌，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。正如道格斯所說：“珊瑚蟲以特定方式誘導(dǎo)Symbiodinium共生藻釋放糖分。在珊瑚蟲體外，共生藻依靠這些糖分來存活。”
    這些誘導(dǎo)作用似乎并不是要面對的唯一挑戰(zhàn)。一種名為Paulinella chromatophora的單細(xì)胞變形蟲攜帶著藍(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。沒有一種多細(xì)胞生物體出現(xiàn)過類似情況。專門從事內(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圍環(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)，也堪稱動物光合作用的“奇葩”了。
   
沒有免費(fèi)午餐
    依靠光合作用的生存方式就像曬日光浴，曬得太多就會有物極必反的危險(xiǎn)。羅姆霍說：“對光合動物來講，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)，還要抵御長時(shí)間光照所帶來的傷害。”
    紫外線同樣會帶來不容小覷的危害，尤其是對那些陸生動物來說。動物置身炎炎烈日所面臨的問題與陰涼環(huán)境相比，只會有增無減，所以大多數(shù)光合動物都生活在水下。那么，要想同時(shí)利用光能和捕食來補(bǔ)充能量，動物們就該做好“兩手準(zhǔn)備”了。比如某些海葵，僅在夜晚使用長觸須捕獵食物，而短觸須，則用來給寄居的藻類捕獲陽光。
    這一切告訴我們什么？盡管在動物光合作用方面并沒有出現(xiàn)根本性障礙，但大多數(shù)動物很難獲得這種“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)基因會帶來進(jìn)化中所不能實(shí)現(xiàn)的一切目標(biāo)，但它帶來的益處是否能抵過脊椎動物所付出的沉重代價(jià)？特別是對那些運(yùn)動型耗能動物來說。
    科學(xué)家通過把Symbiodinium共生藻引入到魚的皮膚細(xì)胞，進(jìn)而使它得以在珊瑚蟲中生存。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（包括魚翅在內(nèi)）約有0.0044平方米的表面積，而一條500克魚約有0.045平方米表面積。斯旺西大學(xué)的魚類營養(yǎng)學(xué)家英格麗·盧派茲說，在養(yǎng)殖池中飼養(yǎng)一條20克的鯉魚，需每日提供3千焦耳熱量以維持體重，而500克的魚則需4萬焦耳。
    綜述，在理論上來說，光合作用可數(shù)次為鯉魚提供能量以維持生命所需，這使得光合魚成為最大受益者。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，即使耗能哺乳動物從陽光中攝取大量的有用能，但這其中仍存在著巨大的疑問號。
    對于此類項(xiàng)目的“鼻祖”，轉(zhuǎn)基因魚并沒有像珊瑚蟲一樣，在成百上千年的進(jìn)化過程中經(jīng)歷著變遷和淘洗，但它卻帶來了難以忽視的改變。魚類在遭遇高強(qiáng)度的暴曬時(shí)，會產(chǎn)生截然不同的行為反應(yīng)。它們需要透明的皮膚，以及使光線穿入細(xì)胞的適量表面積，并同時(shí)抵御紫外線的損傷。像珊瑚蟲的生理特性一樣，太陽能魚只生存在陽光充裕、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。對養(yǎng)殖業(yè)來說，過多的糖分破壞魚類生長。但相比之下，蛋白質(zhì)和油脂就顯得愈發(fā)“珍貴”了。對鮭魚等肉食性魚類來說，只有依靠喂食魚粉來補(bǔ)給。從理論上講，為魚類“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）。盡管全人類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、羅非魚這種養(yǎng)殖型魚類，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”地指望藻類發(fā)揮替代性作用似乎“行路多舛”。
    在科學(xué)世界里，無時(shí)無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)造太陽能魚的壯舉，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。特別是在安全食用性方面，缺乏相應(yīng)的保障條例。不過，隨著科技的跨越式發(fā)展，一定會出現(xiàn)越來越多的“阿加帕奇斯”繼續(xù)完成這一使命。也許在未來的某一天，只要打開燈就可以喂飽自己的寵物魚了。
    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)專欄編輯）