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晒晒太阳就能活,为什么人类不能进行光合作用?皮不够厚内共生理论——细胞住进细胞叶绿体带来的快乐“巧干能捕雄狮,蛮干难捉蟋蟀。”进行光合作用的动物半个篮球场大小的皮肤加上整日曝晒

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"小绿人"在关于外星人的电影中扮演着重要的角色,从《星球大战》中聪明的绝地武士领袖到《星球大战》中娇小的独眼大眼睛怪物史莱克。

拥有绿色皮肤的人被赋予了各种能力,但为什么人类不是绿色的呢?为什么我们不能像植物一样进行光合作用?毕竟,这将为我们节省很多麻烦。

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最熟悉的绿色生物当然是植物。植物是绿色的,因为它们的细胞充满了内部细胞器 - 叶绿素,这是光合作用的中心。

叶绿体有着有趣的进化历史,因为它们曾经是独立于植物的自由生活的蓝色细菌,在数亿年前被植物祖先吞噬到它们的胃中,并开始了互惠互利的进化生活。

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蓝藻以"发明"光合作用而闻名,光合作用是一种从阳光中吸收能量并使用水和二氧化碳制造有机物的过程。任何发明家都可以告诉你,如果你有一个好主意,那么很快很多人会来拜访你,并寻求与你合作。

在一项惊人的发现中,提出内部共生理论的美国生物学家林恩·马古利斯(Lynn Margulies)意识到植物内部的叶绿体是蓝色细菌,在植物谱系进化的早期被捕获和驯化。

这种陆生植物的单细胞祖先似乎吞噬了一种蓝色细菌,但它没有消化它,而是意识到蓝色细菌对自己有好处,并决定使用它。

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对于所有先进的生物体,更基本的是称为线粒体的细胞。Margulies意识到它也是一种自由生活的细菌 - 在这种情况下,它可以使用锁定在葡萄糖等含糖底物中的化学能。

所以植物细胞实际上是嵌合体 -- 一个由原始宿主和两个捕获的细菌组成的单一生物体。这个理论被称为内部共生理论。

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当叶绿素被驯化时,它为植物带来了巨大而直接的好处。动物只有线粒体,没有叶绿素,它允许细胞氧化葡萄糖并利用产生的化学能来促进新陈代谢。但他们必须找到葡萄糖的来源。这意味着他们一天中的大部分时间都在寻找,摄入和分解食物。

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植物不必担心它。它们可以简单地使用叶绿素来制造葡萄糖,然后它们可以将其传递给线粒体,在需要时释放化学能进行生化反应。

<h1级"pgc-h右箭头">"聪明,能够捕捉雄狮,非常干燥,难以捕捉。</h1>

由于植物可以绕过寻找葡萄糖来制造自己,动物也可以。事实上,许多动物就是这样做的。

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叶绿体是一项很好的发明,许多其他生物试图乞讨,借用或窃取叶绿体,主要来自已经有叶绿体自由生活的单细胞藻类。这个过程被称为次级共生,以区别于初级共生,其中植物祖先吞噬了自由生活的蓝色细菌。

目前还不完全清楚为什么继发性共生多次发生,而原发性共生只发生一次,尽管科学家们已经发现了第二个新兴的原发共生的例子。在这种情况下,宿主是一种名为Paulinella的奇怪变形虫,它似乎正在驯化一种新型的蓝色细菌,从而重现了导致陆地植物诞生的古老事件。

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生物进化树

通过次级共生,叶绿体在进化树周围的转移产生了大量具有生态重要性的生物,其中大多数是单细胞生物。这些生物,如硅藻,藻类和裸藻,对我们大多数人来说都是未知的,并且独立于从藻类中获得的叶绿体产生。

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硅藻显微镜

也许我们最有趣的故事是,这些单细胞光合作用生物本身已经被多细胞动物接管。这些共生体已经独立进化了很多次,宿主和共生体之间的关系可以采取多种形式。

< h1级"pgc-h-arrow-right">光合作用动物</h1>

生活在海底的雌性和雄性同源物,海獭,以藻类为食,它们吃什么颜色。海獭是科学家发现的第一批产生叶绿素的动物,可以从它们赖以生存的藻类中"窃取"叶绿素。

海獭不能长时间维持叶绿素的工作状态,因此它们需要持续的供应,并且对于叶绿素是否真的是叶绿素生存所必需的,仍然存在争议。

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海变色龙 - 海獭

在食物链的一端,许多海洋生物,如珊瑚、巨蛤和海獭,完全依赖于它们的共生关系,如果没有它们,它们就会灭绝。

那么,蟋蟀和海獭都可以从光合作用中受益,那么为什么我们不能呢?

答案在于考虑像人类这样的大型,活跃的多细胞,先进动物的能量平衡。每天,一个成年人在一种叫做三磷酸腺苷的分子中消耗相当于他自己体重的物质来维持基本的生命活动,这种分子储存葡萄糖氧化释放的化学能,并在需要时释放出来。

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< h1级"pgc-h-right-arrow">一半大小的篮球场,全天曝光</h1>

为了产生约70公斤(或多或少)的三磷酸腺苷,成年男性每天需要消耗约700克葡萄糖。

鉴于高等植物中已知光合作用率最高,并假设身高175英尺,体重70公斤的成年雄性皮肤的表面积约为1.96平方米,皮肤绿色的男性通过光合作用只能产生其日常葡萄糖需求的1%。

体表面积(平方米) - 0.0061 x 身高(厘米), 0.0128 x 重量 (公斤) - 0.1529

所以为了满足能量需求,一个依靠光合作用来维持基本生活活动的成年男性,必须拥有更多的皮肤,皮肤表面积至少为196平方米,大致相当于半个篮球场,以及一个完整的日常光照时间和一定的光强度。

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从进化的角度来看,人类不使用光合作用是有道理的,因为光合作用效率太低,而且看卷心菜和猪肉的营养成分是明确的,远远快于从外界获取它的速度。如果我们要依靠光合作用来提供能量,估计人类在迈出一步时需要休息半天。

因此,我们必须不情愿地得出结论,要么外星人看起来比电影中描绘的要怪异得多,要么在其他绿色小行星上进化的光合作用比在地球上进化的光合作用更有效。