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太陽崇拜者

人類能否找到辦法做到像植物一樣利用太陽的能量來喂飽自己？似乎聽上去有些離譜，但是我們有證據(jù)表明已經(jīng)有動物在某種形式上已經(jīng)做到了這一點（版權(quán)歸屬：Thinkstock）

一些動物能夠有辦法利用太陽的能量來養(yǎng)活自己，這樣的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一個有趣的想法，人類在未來某一天究竟能否利用太陽能制造營養(yǎng)。

種植、打獵或者覓食是人類必做之事。然而很多生物并未有如此束縛。植物、藻類和很多種的細(xì)菌都可以通過光合作用來自給自足。它們利用陽光使體內(nèi)發(fā)生化學(xué)作用，就能生產(chǎn)糖分。人類可能做到這樣類似的事情嗎？我們的身體能否發(fā)生改變從而從太陽獲取能量，就像植物做到的一樣。

動物不能光合作用，這是自然法則，但是所有規(guī)則都有例外。豌豆蚜，農(nóng)民的敵人，遺傳學(xué)家的朋友，它是最近發(fā)現(xiàn)的異類，在這方面很有潛力。上個月， 法國索菲亞阿格羅生物技術(shù)研究所的Alain Robichon說，蚜蟲利用類胡蘿卜素這種色素來捕獲太陽能來制造ATP，ATP這種微粒扮演著化學(xué)能儲藏室的角色。這種蚜蟲是少數(shù)能夠為自己創(chuàng)造這些色素的動物，因為它們擁有真菌的一些基因。綠色蚜蟲（它有很多的類胡蘿卜素），和白色蚜蟲相比（幾乎沒有類胡蘿卜素）能生產(chǎn)更多的ATP，而橘色蚜蟲（類胡蘿卜素水平處于兩者之間），比起在黑暗中，它在陽光下產(chǎn)生的ATP更多。

另外一種昆蟲，東方胡蜂，也許會相似的把戲，它利用的是一種不同的叫做黃蝶呤的色素將光轉(zhuǎn)化為電能。這兩種昆蟲都能利用自己的能力來作為備用生產(chǎn)手段，當(dāng)缺乏供給或者需求提高時，就能以此提供能量。但是以上兩個案例還存有爭議，而且色素在此間起到的實際的具體作用還是不清楚。兩個案例中沒有一個進行的是真正的光合作用，真正的光合作用的過程應(yīng)該包括將二氧化碳轉(zhuǎn)化為糖分以及其它類似的化合物。利用太陽能只是一個完整轉(zhuǎn)化過程的一部分。

然而，還是有完全意義上的光合作用的動物。它們當(dāng)中的所有物種都是依靠共生來實現(xiàn)光合作用的。珊瑚是最經(jīng)典的例子。成百上千類似海葵的軟體動物聚集在一起，寄居在它們自己制造的巨大巖礁上。它們依賴住在它們細(xì)胞里的特殊伙伴腰鞭毛蟲才得以生存，這是一種在顯微鏡下才看得見的藻類。這些居民，也叫內(nèi)共生體，可以進行光合作用，就能為珊瑚提供營養(yǎng)。

一些?？⒏蝌?、海綿動物以及蠕蟲也有光合作用的內(nèi)共生體，而且脊椎動物中也有至少一個代表加入了這一行列：斑點鈍口螈。它綠油油的蛋滿載著海藻，這些海藻真的就進入到里面的胚胎，把它變成了利用太陽能的動物。當(dāng)斑點鈍口螈成年時，海藻就死去了，但在此之前，在它們生活的早期階段，海藻還是為它們提供了有用的能量。

太陽的伙伴

盡管我們看到了以上這些形形色色的例子以外，光合作用的共生體只是又一個例外，而不是規(guī)律。在一篇經(jīng)典的論文中，植物學(xué)家David Smith以及昆蟲學(xué)家Elizabeth Bernays 這樣解釋道：像這樣的伙伴關(guān)系比起它們看上去得要復(fù)雜的多。宿主需要“給予”共生體以營養(yǎng)。它們需要極盡所能來說服共生體釋放自己制造的營養(yǎng)，而不是為了自己而將其深藏起來。它們需要控制共生體的生長，這樣共生體一族就不會胡作非為。它們還要把它們的共生伙伴轉(zhuǎn)移到它們的下一代（珊瑚會將共生體釋放到周圍水域）。

但是要種下這樣關(guān)系的種子并不如看上去那么難。2011年，加州大學(xué)洛杉磯分校的合成生物學(xué)家Christina Agapakis令斑馬魚來接納了會光合作用的細(xì)菌，在斑馬魚胚胎期，她就簡單地將細(xì)菌注入這種魚。在博客中她寫道：“最大的驚喜就是什么也沒發(fā)生?！边@種魚不會光合作用，但是它們并沒有排斥這種細(xì)菌。Agapakis的實驗表明脊柱動物可以至少忍受光合微生物的存在，或者適應(yīng)像嬰兒期蠑螈供給的那種方式。又經(jīng)過一番努力，她甚至使得細(xì)菌進入了哺乳動物的細(xì)胞。

除了裝備整個共生體以外，我們還有另一種選擇：只是獲取加工廠。在植物和海藻的細(xì)胞中，光合作用就發(fā)生在一個小小的組織結(jié)構(gòu)中，我們稱之為葉綠體。葉綠體是在幾十億年前的遺留產(chǎn)物，能夠自由活動的會光合作用的細(xì)菌被更大的微生物吞噬了，但是與類似的情況不同，這命中注定的遭遇并沒有以被吞噬的細(xì)菌消化殆盡而草草收場。相反的，兩種不同的細(xì)胞之間形成了一種恒久的伙伴關(guān)系，而植物以及海藻的細(xì)胞直到今天，依靠的也正是這種伙伴關(guān)系，讓它們不斷獲得能量。所以說，為什么不干脆舍棄和共生體合體的想法，拋棄中間環(huán)節(jié)，直接把葉綠體為我所用呢？

至少有一種動物做到了這一點——海天牛屬海參。這種美麗的生物以海藻為食，同時又將葉綠體為己所用。海天牛屬生物專家Mary Rumpho做了這樣的描述，這些偷來的葉綠體在海參的消化道內(nèi)一字排開，為海參提供著能量，并使它能夠“像植物一樣生存”。這樣的聯(lián)系對于海參至關(guān)重要，如果不是這樣的話，它們就很難成年。

授人以葉

現(xiàn)在仍然不清楚海參是如何維持并且利用葉綠體的。這樣的結(jié)構(gòu)并不是綠色版的U盤。你不能指望將相關(guān)材料注入新的宿主就期待能夠正常工作，因為很多葉綠體利用到的蛋白質(zhì)是在宿主自己的細(xì)胞中編碼完成的。這些以百計的蛋白質(zhì)，是在細(xì)胞核中制造的，并且又移植到了葉綠體中。海參的基因組中收編了至少一個海藻的基因，還有更多的等待發(fā)現(xiàn)，但是如果我們?yōu)榱司S持一個葉綠體的功能，而去收編上百個必要的基因片段，這也不太可能。

我們又一次陷入了謎團。劍橋大學(xué)的Chris Howe目前這樣說道，“如果想要在新的動物宿主和葉綠體間建立聯(lián)系，我們就需要所有的額外的支持系統(tǒng)。我們必須把那些基因融入到宿主的基因組中去。”有了上百條這樣的基因，我們就可以把人類的細(xì)胞變成葉綠體的新的能夠適應(yīng)的新家，但這項基因工程注定規(guī)模浩大。

即使我們做到了這些，結(jié)果將是什么？即使共生體能夠生存，即使我們成功地添加了受控制的基因，會給我們帶來什么改變嗎？也許不會。如果我們不能夠把自己以最大限度暴露在陽光之下，那么光合作用只是浮云。光合作用需要的是一大片平面，這關(guān)乎到它的產(chǎn)量。植物能夠做到是因為它們有大面積的，平面的、捕捉陽光的表面——葉子。而海天牛屬的海參，平坦而鮮綠，看上去就像一片會動的葉子。它還是透明的，這樣光就可以穿過它的組織，進入里面的葉綠體了。

人類，就好像他們的反面，就是屬于完全不透明的這一類生物。即使我們的皮膚充滿了葉綠體，它們也只能提供我們能夠存活所需要營養(yǎng)的一小部分。“動物需要很多的能量，而運動本身就不太合光合作用的拍，”Agapakis說道，“想象一下，如果一個人所有的能量都能夠從太陽獲得，那它一定是幾乎一動不動的。還有，他還需要一片很大的平面，類似葉子的突出組織。從這個意義來說，人就變成了一棵樹?！?br>
于是為何要如此大動干戈呢？Agapakis一語道破天機，他說我們通過家養(yǎng)野生植物，并且讓它們生長，最終成為盤中餐，這實際上就是把光合作用過程大規(guī)模地轉(zhuǎn)包給大自然，并且行之有效。豌豆蚜靠著維持體內(nèi)的共生體而生存，并為此忙碌，而我們也有著自己光合作用的版本，并不需要體內(nèi)的共生體，農(nóng)業(yè)就是一個全球的共生關(guān)系，我們只要把植物種在田野上就行了。