众所周知,植物最会“接阳光”——它们能把太阳的能量转化成自己身体里的化学能。而动物呢,通常则需要吃其他生物来获得能量。不过总有些家伙不按常理出牌。有一群“懒汉”动物,能“偷”植物的叶绿体来利用阳光,从此实现晒晒太阳就能“温饱”的躺平生活。这是怎么回事呢?
吃上一顿,终身保障?
光是晒晒太阳就能养活自己,多么让人梦寐以求的“躺平”生活。
一般来说这应该是植物的独门绝技——光合作用,但是海洋里存在一类以藻类为食的动物,它们不仅能从藻类中摄取营养,还能将里面的叶绿体完整储存在自己体内,从而获得能持续一定时间的光合自养能力,并顺带给自己“染”个藻绿色的保护色,这些大聪明就是叶羊(Costasiellakuroshimae)。
叶羊属于软体动物门(Mollusca)腹足纲(Gastropoda)囊舌目(Sacoglossa),生活在热带和亚热带的浅海区域,常见于日本、印度尼西亚和菲律宾海,它们有萌萌哒豆豆眼,而且自带腮红,背上肉嘟嘟的绿色“毛发”在海水中摇曳生姿,活脱脱一坨移动的多肉。
这些像多肉叶片一样的绿色“毛发”是叶羊的消化道细胞,叶羊刚被孵化出来的时候,这些消化道细胞是透明的,当叶羊发现可口的藻类,就会用类似锉刀的特殊摄食器官齿舌,像切牛排一样优雅地将藻类切割成小块,然后像吸果冻一样吸食里面的营养物质。
藻类中的叶绿体在叶羊的胃里不会被消化,而是在经过消化道细胞时慢慢沉积下来,将透明的消化道细胞逐渐“染”绿,并在其消化道细胞中进行光合作用,将养分和氧气供给叶羊享用,让它们实现了躺着晒太阳就能获取能量的能力。
不过这并非一劳永逸,叶绿体在光合作用的过程中会被不断消耗,其代谢过程中所需的90%以上的蛋白质都得靠藻类核基因组编码合成,而叶羊自身无法合成光合作用所需的全部蛋白,因此它们需要隔三岔五补充叶绿体及新的蛋白质,才能维持光合作用。
如果说叶羊是靠“自己挣钱”实现的财富自由,那么它们在美国东部沿海地区以及加拿大新斯科舍省的表亲—绿叶海天牛(Elysiachlorotica),就是靠基因和天赋拥有了“饱餐一顿,一辈子吃穿不愁”的金饭碗。
绿叶海天牛和叶羊一样属于软体动物门腹足纲囊舌目,它们身材扁平,不仅长得像叶子,甚至还有像叶脉一样的身体结构。绿叶海天牛也不是生而为绿,而是呈浅棕色半透明状,进食藻类后,藻类的叶绿体会很快塞满它们的消化道,将它们波浪状的身体大部分染成铜绿色,完成从小透明到“爬行小绿叶”的华丽转身。
比叶羊更厉害的是,绿叶海天牛可以在不用补充叶绿体的条件下,在数月甚至长达一年的时间里靠着光合作用汲取营养,理想状态下它们只需要在年轻时饱餐一顿,就可以毫无“后顾之饥忧”的进入漫步、交配的休闲状态,或者什么都不干,直接躺平度过一生。
图片说明:绿叶海天牛,A:幼年;B:进食中;C:进食5天后;D:成年状态。
绿叶海天牛能凭借着偷来的叶绿体过一辈子,必定有其特殊机制,科学家提出了两种假说:一个是绿叶海天牛不仅是一个窃取叶绿体的捕食者,还是一个会“偷基因”的小偷,通过水平基因转移(horizontal gene transfer, HGT)将藻类的光合作用相关基因转移到了自己体内,为叶绿体的代谢提供必需的蛋白。
另一个是绿叶海天牛食用的藻类叶绿体具有保持自己活性的能力。不过具体机制和假说尚存在一些争议,还等待进一步的研究来揭开它们的神秘面纱。
不搞光合,换条赛道
光合作用一直被认为是植物的标配和天职,但是想要维持光合作用不仅需要满足有足够的光照、水分等条件,还需要植物本身为合成叶绿素、调控光反应与暗反应、应对环境变化、争夺光照资源这些生命活动提供大量的能量。
这让许多长期生活在荫蔽、干燥等恶劣环境中的植物苦不堪言,因为它们既不能通过常规竞争在“光合资源竞争中”占据优势(卷也卷不赢),又不能完全抛弃光合作用产生的营养物质(躺也躺不平)。因此它们逐渐放弃了在光合作用上竞争,转而通过寄生、腐生、菌异养等特殊方式从其他植物身上“窃取”养分。
尽管有人说失去光合基因的植物是否还能称作真正的植物,但这些放弃掉光合作用的植物从不“内耗”,它们不盲目迎合既定标准去选择固守传统的光合作用赛道,而是专注于将有限的能量集中用于繁衍等核心生命活动,发掘最适配环境的生存策略。菟丝子(Cuscuta chinensis),因“其茎初生若丝,缠绕草木,故名。”(《本草纲目》),因常选择大豆寄生因此又被叫做“豆阎王”。
菟丝子是旋花科(Convolvulaceae)菟丝子属(Cuscuta)的一种寄生植物,不含或者含有极少的叶绿素,所以无法或极少进行光合作用为自己提供营养,因此萌发后必须很快寻找到可以寄生的宿主。幼小的菟丝子从地下深处细嫩的茎尖,不断向四面八方旋转探索,一旦感应到心仪宿主释放的挥发性化学信号,就会立刻螺旋缠绕到宿主的茎或者叶柄上,并在宿主接触的部位出现细胞分化,发育成初始的吸器,这些吸器通过机械压和酶解过程穿透宿主细胞深入皮质层,形成搜寻丝(searching hyphae)。搜寻丝深入到宿主的韧皮部或者木质部,最后形成种间胞间连丝,连接了菟丝子和宿主,并很快成为成熟吸器。这样,吸器就形成了菟丝子和寄主间传送糖类、氨基酸、无机盐和水等营养物质的“营养通道”。
有了稳定营养来源的菟丝子并没有完全躺平,它们用抛弃维持光合作用相关基因节省下来的能量,集中投向发展与寄生相关的基因,比如在其生长过程中,它会产生多个吸器与宿主连结,同时还能专注于自己的繁殖大业,种子有休眠特性,在土中寿命很长,因此能够给自己足够的时间等待萌发的最佳时机。
在非洲干旱贫瘠的沙漠地区生长着一群“猛猛哒”鞭寄生(Hydnoraafricana),又名非洲白鹭花,鞭寄生是马兜铃科(Aristolochiaceae)鞭寄生属(Hydnora africans)植物。和菟丝子不同,它们大部分时间藏身地下,植物体完全无叶,不含叶绿素,完全丧失了光合能力,通常寄生在大戟属植物的根部,将宿主的光合产物(如糖类)窃为己用。
这种生存策略让它彻底摆脱了对阳光的依赖,不仅无需与宿主直接竞争地上资源,还在干旱的沙漠中减少了因水分蒸发和被动物啃食带来的生存威胁,堪称“地下经济的完美范例”。
如果不需要繁殖的话,鞭寄生很可能永远不需要露出地面,只有当发育成熟需要传宗接代的时候,它们棕灰色的球形花才会探出地面,这些两性花外面是棕色的,内表面是明亮的鲑鱼色到橙色,长着3或4个厚实的肉质花被裂片,开始时这些花被裂片融合在一起,随着花的成熟慢慢垂直破裂,好似一张血盆大口,散发出腐肉气味吸引那些臭味相投的昆虫传粉。
完全成熟的鞭寄生果实直径可达80毫米,略带甜味,每个果实含有多达20000颗种子。这些水果深受豺狼等哺乳动物的青睐,因此鞭寄生又被叫做豺食(Jackal Food)。据当地人说,它们的花虽然很臭,但是果实却具有草莓酸奶一样的香气,很受当地人喜爱,如果有机会去非洲,看到鞭寄生,不妨挖一挖,没准也能品尝到这种美味的食物。
所谓“物种不拘手段,适者就能生存”,生物演化的时候可没有那么多“动物就该靠吃,植物就得光合”的条条框框。动物进行光合作用和植物丧失光合作用这类有点“倒反天罡”的演化路径,恰恰为物种的演化提供了生动丰富的证据。
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