伟大的进化之球

bjhu2010

（文/Christina Agapakis）一种生物的垃圾会是另一种生物的宝贝，我们细胞的排泄物——二氧化碳和水养育了植物，而它们利用太阳光的能量制造我们生存所需要的氧气和糖类。在微观尺度上，这些废物与食物的循环会更加复杂，许多种微生物在条件有限的艰苦环境下，会互相帮助、共渡难关。
当我们这样的生物体消化由碳（C）、氢（H）、氧（O）组成的糖类时，会将糖类分解为二氧化碳（CO2）、氢离子（H+）和维持糖类分子结构的高能电子（e-）。当环境中存在氧气时，氢离子和电子能够与它结合，产生水（H2O），并在电子传递过程中释放能量。如果环境中没有氧气，细胞也有其它几种选择，它们可以将电子用于乳酸的生产，就像我们的肌细胞过度劳累耗氧太快时那样，或者是乙醇，就像发酵生产酒精饮料时所用的酵母菌那样。有些特化的细菌能够通过细胞表面的特殊结构将电子转移到金属中，为微生物燃料电池制造电流，作为自然代谢的副产品。其它一些生活在完全缺氧环境下的物种会将氢离子和电子结合在一起，制造出氢气（H2）。
3 I1 A' Z0 i, V) c氢气中仍有许多能量存留，这也解释了为什么它有成为燃料的潜力，因此，而不应被废弃。产氢细菌会错失电子中的大量能量，而且当环境中的氢气积累过多时，细胞的代谢会减缓，制造能量会变得更加困难。产氢细菌附近的其它细菌能够利用这些能量，用二氧化碳和代谢废物氢气制造出甲烷（CH4，也就是天然气）和水。这种细菌组合相互依存，缺一不可。若没有消耗氢气的邻居，产氢细菌会被自己的废弃物淹死，而若没有产氢细菌，产甲烷细菌会饿死，因为它自己不能分解产氢细菌食用的那些复杂分子。这种氢气的传递对两种细菌都是生死攸关的，因此它们会抱成一团，形成肉眼可见的细胞聚集体，这样氢气从生产者到消费者的传播会更有效率。一些假说认为，这种“抱团”现象也许是真核细胞进化的基石。
3 f" g+ H" h) T有关跨物种聚集以保证氢气传播效率的研究已经有几十年的历史了，但最近马萨诸塞大学阿默斯特分校Derek Lovley实验室的研究者们想知道，在人工的进化实验中，这些聚集体会怎样演变。他们将两种地杆菌混合在一起，其中一种能够将乙醇分解为二氧化碳和氢气，获得能量，而另一种不能分解乙醇，却能利用氢气中的能量生长。就像Lovley解释的那样，“它们是超级大酒鬼，互相帮助，痛饮乙醇。”
地杆菌很擅长通过细胞表面的菌毛将电子传递到金属或其它无机物中，也能够在微生物燃料电池中制造不算太小的电流。在这个实验中，没有接收电子金属，为了生存它们只能制造氢气。混合培养物开始生长得很慢，因为制造氢气的代谢途径更加困难，但几个月之后，它们已经能消化培养物中乙醇的70%，此时研究者将细胞转移到新的乙醇培养基中。这次，细胞吃掉70%乙醇的速度快了很多，几次转移之后，他们发现细胞正在形成类似自然界中发现的那种聚集体。仅仅几个月，它们就形成了更有效率的传播体——伟大的进化之球。
5 b$ N. N3 y, ?6 @1 P/ \' Q, j但故事到这里还没有结束。为了确认这些聚集体的确在分享氢气，他们去除了让氢气消费者“吃氢气”的那种酶，以为这样一来，混合培养物再也不会生长了。相反，他们发现聚集体比之前演化得更快，形成聚集体的时间从7个月缩短到21天！
, H7 N& ^" ^( s+ H. x当他们对这种进化之后的氢气消费者细菌进行基因测序时，发现它们与野生型细菌相比只有一处变异，也就是一个控制其它许多基因活性的基因。这个突变影响了许多基因，引起了大尺度的变化，其中一个特殊的基因——OmcS也受到了影响。OmcS是控制电子在菌毛上传导的基因。这个控制性基因的突变让OmcS基因更多地表达，使得细菌从细胞外获得电子的能力更强。这种含大量铁的蛋白过表达，也能够解释聚集体的鲜红色外表。然而培养基中并没有能当作电子载体的无机物，因此电子的走向只有一种解释，菌毛将电子直接从一种细菌转移到另一种细菌中，不再需要氢气来当中间人了。
细菌代谢的丰富多彩与一毛不拔展示了它在特定的选择压力下，可以如此快地进化出复杂得惊人的合作体系。总之，合作+代谢+氢气+电流+进化=超给力。
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博主介绍：Christina Agapakis是哈佛大学医学院合成生物学的博士生。她说合成生物学就是重新设计生物系统为了更好的理解生物们，并以此为依据制作有用的消费品。她虽然一直学习合成生物学，但是她更加渴望了解这一学科的未来发展，和对其他学科的影响。Christina的博文涵盖了她的记录、想法和新闻，如果你关心其中的任何一点，那么就来关注她吧。