海蛞蝓再生断裂身体部位的过程出奇地普遍

研究能够再生身体的海蛞蝓等生物,可以教会我们植物是如何进化的。
a decapitated slug still alive
盗塑作用,即动物窃取其他生物光合作用能力的能力,在动物界被认为极其罕见。正是这种能力让图中所示的海蛞蝓在被斩首后还能生存并重新长出身体。Sayaka Mitoh

有些海蛞蝓可以在没有身体的情况下生存。科学家最近发现,砍掉它们的头,这些头还能存活数月。这些脱离身体、能自行移动的头可以为它们再生出全新的身体。

科学家们并不真正了解这些海蛞蝓是如何做到这一点的,但有一类叫做囊舌类(sacoglossans)的生物中有至少两个物种能做到。他们怀疑海蛞蝓惊人的生存能力依赖于一个备用电源:这些动物可以窃取周围藻类的光合作用能力。

这种能力被称为盗塑作用,海蛞蝓并非唯一拥有此能力的存在。许多其他生命形式也具有盗塑作用,它们能够从其他生物(如水中的藻类)那里掠夺叶绿体——细胞中促进光合作用的部分。盗塑生物可以将这些叶绿体据为己有。

加州大学圣巴巴拉分校的生物学家霍莉·莫勒(Holly Moeller)表示,被吞噬的叶绿体继续将阳光转化为能量供其新的宿主使用,这给了它们“长效加成”。“它们的食物供应可以有这种全新的生命。”

例如,这些具有盗塑作用的囊舌类海蛞蝓会吸食它们所吃的藻类细胞的内部,单独挑选出叶绿体,并将它们融合到海蛞蝓的消化细胞中。这使得海蛞蝓能够直接自行将阳光转化为能量。

盗塑作用可能看起来像是生存的“魔法棒”,但科学家们不确定它是否真的如此。掠夺叶绿体可能无法为海蛞蝓提供足够的能量来替代进食。相反,它更像是一种备用计划。例如,如果海蛞蝓被斩首,或者食物稀缺,该动物就可以依靠其掠夺来的叶绿体。

盗塑作用在动物界远非普遍现象。事实上,很多年来,那些囊舌类是科学家唯一知道的具有盗塑作用的动物。直到2019年,科学家们在涡虫的一个属——管腔涡虫(rhabdocoels)中发现了盗塑作用。

几十年来,科学家们一直知道一些淡水管腔涡虫在体内饲养活的藻类,一些其他动物,如珊瑚和海绵,也已知会这样做。根据不列颠哥伦比亚大学的生物学家尼尔斯·范·斯滕基斯特(Niels Van Steenkiste)的说法,科学家们还在几种生活在海里的管腔涡虫中发现了叶绿体。

范·斯滕基斯特和他的同事们决定更仔细地研究其中一种物种,以了解它们是否也保留了完整的藻类细胞。通过使用高分辨率显微镜和基因测序,他们发现这种涡虫物种实际上是将其掠夺来的叶绿体整合到了自己体内。

这些管腔涡虫是如何设法突破细胞并掠夺其内容的,尚不清楚,同样也不清楚这些涡虫是否是挑剔的掠食者。这些都是有待研究的开放性问题。“我们想知道它们是只以特定物种为食,”范·斯滕基斯特说,“还是非选择性地进食。”

而这一发现并没有让动物界的盗塑作用变得更普遍。范·斯滕基斯特表示,他和他的同事们迄今为止已在两个管腔涡虫物种中确认了这一点,但他们认为还有多达16个其他物种也可能具有这种能力。与世界上已知的1800种管腔涡虫相比,这仍然是极小的一部分。

当然,地球上还有很多生命尚未被发现,这意味着可能还有更多的动物具有盗塑能力。“未来很可能描述出更多具有这种能力的动物,”范·斯滕基斯特说。

但是,如果你看看动物界之外,你会发现盗塑作用的例子更多。“有很多各种各样的原生生物……也能做到这一点,”莫勒说。

原生生物是单细胞生物,它们中的许多可以吸收比它们小的藻类的叶绿体。它们通过各种方式做到这一点:有些将叶绿体包裹在自己半透明的身体里,让它继续产生能量;有些则更进一步,完整地摘取藻类的细胞核,利用其遗传指令来保持叶绿体正常运作。

莫勒说:“这就像它偷了车,然后又偷了车主的手册,这样你就可以修理汽车,维护汽车,并继续驾驶汽车。”

正是在这些原生生物中,盗塑作用可以带领科学家们回溯到两亿多年前,回溯到植物在地球上进化之前。许多科学家认为,那时,叶绿体以及线粒体等其他细胞部分,都是它们自身独立的、自由漂浮的生物,后来被整合并“驯化”成了你在高中生物学中所熟知的细胞器。

莫勒说:“如果你看看所有进行光合作用的生物,叶绿体实际上已经在不同谱系之间移动过了。“它们就像跳过了生命之树的各个分支。”

确切地说,这些是如何发生的,以及不同生命形式是如何获得将光转化为能量的能力的,尚不清楚。但是,通过从藻类窃取叶绿体,具有盗塑作用的原生生物或动物正是这样做的。

 

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Rahul Rao

特约撰稿人,科学

Rahul Rao 自2021年初以来一直是《科学美国人》的实习生和特约科学作家。他报道物理学、太空、技术以及它们之间的交叉领域以及其他一切。


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