为什么绿叶海天牛可以通过食用藻类获得叶绿素？

这个问题很有意思，也涉及到一些生物学上非常奇妙的现象。绿叶海天牛（Elysia chlorotica）之所以能够通过食用藻类获得叶绿素，并进而像植物一样进行光合作用，这背后其实是一个非常复杂但又引人入胜的故事，它融合了捕食、共生、基因水平转移等多个关键环节。

第一步：吃，然后“偷”——消化道内的“秘密基地”

绿叶海天牛的食谱非常单一，它们主要以一种叫做“泡叶藻”（Vaucheria litorea）的单细胞绿藻为食。当小小的海天牛宝宝出生时，它们还没有能力进行光合作用，只能靠吃藻类获取能量。它们用特化的齿舌，就像一把微型的刮刀，刮取泡叶藻细胞壁上的藻类。

然而，海天牛并没有像其他食草动物那样，把藻类完全消化掉。它们在消化过程中有一个非常特别的机制。它们会把吞噬进来的藻类细胞保存在消化道内的特定区域，这个区域叫做“盲囊”（blind sacs）或者“吸收囊”（absorption sacs）。你可以想象成，海天牛的消化系统里有一些专门用来“囤积”藻类的房间。

第二步：藻类细胞被“软禁”——叶绿体不被破坏

关键点就在于，海天牛并没有把泡叶藻的细胞彻底打碎，而是小心翼翼地将其中的叶绿体（chloroplasts）分离出来。叶绿体是植物进行光合作用的核心细胞器，里面含有叶绿素。海天牛之所以能做到这一点，是因为它们消化道内的一些细胞能够分泌特定的酶，这些酶可以帮助分解藻类的细胞壁和其他部分，但却不会伤害到珍贵的叶绿体。

所以，你可以理解为，海天牛吃进的是一整颗泡叶藻，但它“选择性”地保留了叶绿体，而把其他部分消化吸收了。这些被保留下来的叶绿体，就好像被海天牛“俘获”并“软禁”在消化道的壁细胞里。

第三步：叶绿体“打工”，海天牛“收租”——叶绿体的“自主”光合作用

被海天牛“捕获”的叶绿体并没有死掉，它们仍然保持着活性，继续执行着它们的“光合作用任务”。这些叶绿体吸收阳光和二氧化碳，产生葡萄糖等能量物质。

有趣的是，海天牛本身并不直接生产叶绿素或叶绿体所需的大部分蛋白质。大部分合成叶绿素和维持叶绿体运作的关键蛋白质，其实是泡叶藻自己通过其基因产生的。这意味着，这些叶绿体在海天牛体内，很大程度上还是在“独立运作”，只是它们产生的能量被海天牛吸收利用了。海天牛就像一个房东，把叶绿体租借在自己的消化道里，然后收取“租金”（能量）。

第四步：一个“偷”基因的故事？——关于基因水平转移的猜想与证据

最初，科学家们对海天牛如何维持这些叶绿体的活性感到非常困惑。毕竟，细胞器离开了母体细胞，在没有细胞核控制的情况下，是很难长期存活和正常运作的。

后来，一些研究提出了一个更为惊人的假说：基因水平转移（Horizontal Gene Transfer, HGT）。这个假说认为，在长期的共同演化过程中，一些泡叶藻的基因可能通过某种方式，直接转移到了绿叶海天牛的基因组中。

科学家们发现，在绿叶海天牛的基因组中，确实存在一些与光合作用相关的基因，特别是那些负责合成叶绿素前体和一些叶绿体蛋白的基因。例如，他们发现海天牛的基因组中编码了“核酮糖1,5二磷酸羧化酶/加氧酶”（RuBisCO）这个光合作用关键酶的基因。要知道，RuBisCO是植物光合作用的核心，它直接参与将二氧化碳转化为糖类，而这个酶本身也是由植物的基因控制产生的。海天牛拥有这个基因，就意味着它自己能够生产一部分光合作用所需的酶。

这意味着，海天牛并非完全依赖于“被动的”叶绿体。通过基因转移，它可能获得了一些“主动”能力，能够自己合成一部分维持叶绿体运作所必需的蛋白质，甚至可能在某种程度上“调控”这些被捕获的叶绿体。

总结一下，绿叶海天牛获得叶绿素并进行光合作用的过程，可以这样理解：

1. 选择性捕食和保留： 它吃泡叶藻，但并非完全消化，而是将藻类的叶绿体分离并保存在消化道壁的特定细胞中。
2. 叶绿体“借用”： 这些叶绿体在海天牛体内仍然可以进行光合作用，为海天牛提供能量。海天牛可以从中获取约70%的能量需求。
3. 基因辅助（推测与证据）： 海天牛通过某种机制（可能是基因水平转移），获得了部分藻类产生叶绿素和维持叶绿体功能所需的基因，使其能够部分地“自主”管理这些叶绿体。

这是一个非常了不起的例子，展示了生物之间可以发展出多么令人惊叹的互利共生甚至“掠夺式”的共生关系。绿叶海天牛就像一个活生生的太阳能收集器，通过这种独特的方式，实现了“吃草”到“吃太阳能”的华丽转身。不过，需要强调的是，尽管有了基因转移的证据，关于海天牛如何精确地维持和调控这些叶绿体的具体机制，科学家们仍在深入研究和探索中，这仍然是一个非常活跃的研究领域。

网友意见

可以这样解释：

过去，绿叶海天牛在某个阶段的祖先偶然变异出的一些遗传因素引起吞入的叶绿体不被立即消化。这对这些个体的生存没有突出的负面作用，并可能将叶绿体视为“储备粮”而对生存有利。于是这些遗传因素在祖先种群中散播，并随着时间积累了更多相关性状。

现在，海天牛属的一些软体动物可以从吃下的食物里夺取叶绿体并维持其工作一段时间来进行暂时的光合作用，这称为“盗叶绿体现象”。绿叶海天牛的细胞核基因组整合了黄绿藻等用来维护叶绿体的基因，可以延长消化道细胞摄入的叶绿体保持功能的时间。这些基因大概是在海天牛属的祖先摄入黄绿藻等时偶然发生水平基因转移的。

• 人的消化道细胞也能偶然摄入食物中的核酸片段，还有一些片段会进入血液循环。人的聚合酶 θ 可以发挥逆转录酶活性，有概率将外源核酸整合到人类基因组。
• 盗叶绿体现象还可以在纤毛虫、有孔虫、涡鞭毛藻身上发现。有些物种其实连细胞核都能夺取并维持一段时间。

绿叶海天牛能将夺取的叶绿体维持约 10 个月，但光合作用产生的有机物往往不足以维持绿叶海天牛的生命，仍然需要进食。其他海天牛物种的效果更差，叶绿体对它们的能量供应微乎其微^[1]。这和“你将草叶含在嘴里对准太阳、为其接下来短暂时间内的光合作用提供水分，然后将草叶吃了，说这就是你进行的光合作用”没有本质区别。

另外，科学家发现过一些在“搞来的叶绿体进行光合作用制造的活性氧”造成的细胞损伤下死翘翘的海天牛^[2]。与其说这是在尝试靠光合作用养活自己，不如说是食物中毒的一种表现。

参考

1. ^ https://doi.org/10.5586%2Fasbp.2014.042
2. ^ https://doi.org/10.1098%2Frspb.2014.2519

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