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曬曬太陽就能活,為什麼人類不能進行光合作用?皮不夠厚内共生理論——細胞住進細胞葉綠體帶來的快樂“巧幹能捕雄獅,蠻幹難捉蟋蟀。”進行光合作用的動物半個籃球場大小的皮膚加上整日曝曬

作者:句理
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"小綠人"在關于外星人的電影中扮演着重要的角色,從《星球大戰》中聰明的絕地武士領袖到《星球大戰》中嬌小的獨眼大眼睛怪物史萊克。

擁有綠色皮膚的人被賦予了各種能力,但為什麼人類不是綠色的呢?為什麼我們不能像植物一樣進行光合作用?畢竟,這将為我們節省很多麻煩。

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最熟悉的綠色生物當然是植物。植物是綠色的,因為它們的細胞充滿了内部細胞器 - 葉綠素,這是光合作用的中心。

葉綠體有着有趣的進化曆史,因為它們曾經是獨立于植物的自由生活的藍色細菌,在數億年前被植物祖先吞噬到它們的胃中,并開始了互惠互利的進化生活。

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藍藻以"發明"光合作用而聞名,光合作用是一種從陽光中吸收能量并使用水和二氧化碳制造有機物的過程。任何發明家都可以告訴你,如果你有一個好主意,那麼很快很多人會來拜訪你,并尋求與你合作。

在一項驚人的發現中,提出内部共生理論的美國生物學家林恩·馬古利斯(Lynn Margulies)意識到植物内部的葉綠體是藍色細菌,在植物譜系進化的早期被捕獲和馴化。

這種陸生植物的單細胞祖先似乎吞噬了一種藍色細菌,但它沒有消化它,而是意識到藍色細菌對自己有好處,并決定使用它。

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對于所有先進的生物體,更基本的是稱為線粒體的細胞。Margulies意識到它也是一種自由生活的細菌 - 在這種情況下,它可以使用鎖定在葡萄糖等含糖底物中的化學能。

是以植物細胞實際上是嵌合體 -- 一個由原始宿主和兩個捕獲的細菌組成的單一生物體。這個理論被稱為内部共生理論。

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當葉綠素被馴化時,它為植物帶來了巨大而直接的好處。動物隻有線粒體,沒有葉綠素,它允許細胞氧化葡萄糖并利用産生的化學能來促進新陳代謝。但他們必須找到葡萄糖的來源。這意味着他們一天中的大部分時間都在尋找,攝入和分解食物。

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植物不必擔心它。它們可以簡單地使用葉綠素來制造葡萄糖,然後它們可以将其傳遞給線粒體,在需要時釋放化學能進行生化反應。

<h1級"pgc-h右箭頭">"聰明,能夠捕捉雄獅,非常幹燥,難以捕捉。</h1>

由于植物可以繞過尋找葡萄糖來制造自己,動物也可以。事實上,許多動物就是這樣做的。

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葉綠體是一項很好的發明,許多其他生物試圖乞讨,借用或竊取葉綠體,主要來自已經有葉綠體自由生活的單細胞藻類。這個過程被稱為次級共生,以差別于初級共生,其中植物祖先吞噬了自由生活的藍色細菌。

目前還不完全清楚為什麼繼發性共生多次發生,而原發性共生隻發生一次,盡管科學家們已經發現了第二個新興的原發共生的例子。在這種情況下,宿主是一種名為Paulinella的奇怪變形蟲,它似乎正在馴化一種新型的藍色細菌,進而重制了導緻陸地植物誕生的古老事件。

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生物進化樹

通過次級共生,葉綠體在進化樹周圍的轉移産生了大量具有生态重要性的生物,其中大多數是單細胞生物。這些生物,如矽藻,藻類和裸藻,對我們大多數人來說都是未知的,并且獨立于從藻類中獲得的葉綠體産生。

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矽藻顯微鏡

也許我們最有趣的故事是,這些單細胞光合作用生物本身已經被多細胞動物接管。這些共生體已經獨立進化了很多次,宿主和共生體之間的關系可以采取多種形式。

< h1級"pgc-h-arrow-right">光合作用動物</h1>

生活在海底的雌性和雄性同源物,海獺,以藻類為食,它們吃什麼顔色。海獺是科學家發現的第一批産生葉綠素的動物,可以從它們賴以生存的藻類中"竊取"葉綠素。

海獺不能長時間維持葉綠素的工作狀态,是以它們需要持續的供應,并且對于葉綠素是否真的是葉綠素生存所必需的,仍然存在争議。

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海變色龍 - 海獺

在食物鍊的一端,許多海洋生物,如珊瑚、巨蛤和海獺,完全依賴于它們的共生關系,如果沒有它們,它們就會滅絕。

那麼,蟋蟀和海獺都可以從光合作用中受益,那麼為什麼我們不能呢?

答案在于考慮像人類這樣的大型,活躍的多細胞,先進動物的能量平衡。每天,一個成年人在一種叫做三磷酸腺苷的分子中消耗相當于他自己體重的物質來維持基本的生命活動,這種分子儲存葡萄糖氧化釋放的化學能,并在需要時釋放出來。

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< h1級"pgc-h-right-arrow">一半大小的籃球場,全天曝光</h1>

為了産生約70公斤(或多或少)的三磷酸腺苷,成年男性每天需要消耗約700克葡萄糖。

鑒于高等植物中已知光合作用率最高,并假設身高175英尺,體重70公斤的成年雄性皮膚的表面積約為1.96平方米,皮膚綠色的男性通過光合作用隻能産生其日常葡萄糖需求的1%。

體表面積(平方米) - 0.0061 x 身高(厘米), 0.0128 x 重量 (公斤) - 0.1529

是以為了滿足能量需求,一個依靠光合作用來維持基本生活活動的成年男性,必須擁有更多的皮膚,皮膚表面積至少為196平方米,大緻相當于半個籃球場,以及一個完整的日常光照時間和一定的光強度。

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從進化的角度來看,人類不使用光合作用是有道理的,因為光合作用效率太低,而且看卷心菜和豬肉的營養成分是明确的,遠遠快于從外界擷取它的速度。如果我們要依靠光合作用來提供能量,估計人類在邁出一步時需要休息半天。

是以,我們必須不情願地得出結論,要麼外星人看起來比電影中描繪的要怪異得多,要麼在其他綠色小行星上進化的光合作用比在地球上進化的光合作用更有效。