本文原刊于举目官网2024.06.26
潘柏滔
什么是共生?
“共生”,根据维基百科,其定义与简介如下:
“共生”,在英文或希腊文中,字面意思就是:“共同”和“生活”。这是两生物体之间生活在一起的交互作用,甚至包含不相似的生物体之间的吞噬行为。术语“宿主”,通常被用来指共生关系中较大的成员,较小者称为“共生体”。
共生依照位置可以分为外共生,内共生。就外共生而言,共生体生活在宿主的表面,包括消化道的内表面或是外分泌腺体的导管。而内共生,共生体生活在宿主的细胞内,或是个体身体内部,但可能在细胞外。
美国微生物学家玛葛莉丝(L. Margulis),深信共生是生物进化的机制。她说:“大自然的本性就厌恶任何生物独占世界的现象,所以地球上绝对不会有单独存在的生物。”(注1)
20世纪以来的科学研究结果推测,细胞内的叶绿体和粒线体,也可能是内共生的形式之一。
一切生物都由细胞构成—— 没有核膜的原核细胞(prokaryote。如细菌)和有核膜的真核细胞(eukaryote。如人类)。而粒线体(mitochondria)和叶绿体(chloroplast),都属于真核细胞的一部分。前者是细胞的发电机,后者是细胞的光合作用食物制造厂。它们的特性,如基因组,基因运作机制,基因调节系统,核糖,抗生素抗药性等,差不多与细菌(原核细胞)完全一样,却与真核细胞相异。而一些真核细胞中独有的新陈代谢作用,它们也可进行。
这是如何形成的?一种理论认为,可能是一个原生动物吞吃一个细菌时,不将它消化掉,而是形成一种“共生”状态(endosymbiogenesis 或 endosymbiosis)。智慧设计论则认为,粒线体和叶绿体与真核细胞的共生,可能是因为它们彼此依赖,乃是出于设计者巧妙的安排——这种解释,更为合理,因为要按照一套共生的互助模型,才可进化而来。
除了粒线体和叶绿体的例子以外,最近更有新的例子:硝基体(nitroplast),也支援这种原核细胞被真核细胞使用并超越“共生”、进化为细胞器的过程。(见参考资料1,2)
硝基体:支持共生论的突破
虽然粒线体和叶绿体的共生理论已广被接受,但是很少有其他生物模型系统,可以提供相关资讯,使我们更完整地了解,细菌如何经过共生程式,変成真核细胞内的细胞器,及其过程和途径。
在2024年4月12日发表的《科学》杂志的封面文章中,加州大学圣克鲁斯分校团队、劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)、加州大学三藩市分校、国立台湾海洋大学和日本高知大学的合作者表明,原核细胞UCYN-A 依赖于其宿主藻类细胞的蛋白质以及细胞器的复制和分裂过程,与藻类细胞的过程紧密配对,支持它形成藻类细胞的硝基体的假设。即原核细胞被真核细胞吞噬,并超越共生、进化成为细胞器的过程。(见图)
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上图:硝基体的进化和功能
真核细胞中的多种细胞器,包括线粒体、叶绿体和硝基体,都是从内共生细菌的整合。
在藻类细胞Braarudosphaera bigelowii 中,叶绿体将无机碳变成葡萄糖,为线粒体中的呼吸链提供营养,并促进硝基体中的固氮作用。这些作用所产生的营养, 包括葡萄糖,氨和 ATP,加上外部掺入的化合物(磷,矿物质营养素和维生素),是细胞新陈代谢的组成部分,导致细胞生长和分裂(来源:参考资料3)
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不同微分干涉对比 (Differential Interference Contrast)显微照片,显示了大型宿主藻类细胞与共生原核细胞UCYN-A的关系:SB(UCYN-A),Pls(Plastid),Nu(Nucleus)。 (来源:参考资料4)
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科学家用 X 射线断层扫描,显示了处于细胞分裂周期(cell cycle)不同阶段(cytokinesis,growth and reorganization细胞质分裂、生长和重组)的藻类细胞: UCYN-A,现在被认为是一种细胞器的固氮实体,是青色的(UCYN-A)。藻类细胞核(Nucleus)为蓝色,线粒体(Mitochondria)为绿色,叶绿体为淡紫色(Chloroplasts or Plastids)。(图片来源:Valentina Loconte/伯克利实验室。参考资料4)
X 射线断层扫描的结果,和蛋白质组分析表明:(1)UCYN-A 已整合在藻类细胞的架构中,与其他细胞器如粒线体和叶绿体同步运作,并且(2)它接收藻类细胞编码的蛋白质基因组的互动。因此,UCYN-A似乎具有早期固氮细胞器的分子和细胞特征。
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进化与智慧设计
硝基体的研究,建立藻类细胞B. bigelowii 作为重要的模式系统,帮助生物学理解细胞器发生的过程,并将影响以生物工程改造増进固氮能力的农业植物的设计,改进粮产品质,减少化学肥料的应用。这有助解决世界粮荒和环保的问题。
若根椐普遍进化论的物竞天择理论的推展,大自然生物遵从适者生存、彼此残杀、强者得生的基本机制。正如达尔文所言:“如果能证明.任何物种的结构的一部分曾经为了另一物种专有的利益而形成,它将歼灭我的理论,因为这样的现象不能通过自然选择的过程而来。”(注2)然而粒线体、叶绿体和硝基体的共生,却并不符合这一机制。智慧设计论对此的解释——这是出于设计者巧妙的安排,反而更为合理,因为它们的确是按照一套共生的互助模型,才可进化而来。(参考资料6,7)
2016年11月,伦敦皇家学会(Royal Society of London)在召开为期3天的“进化生物学新趋势”会议中,终于承认了新达尔文进化论有问题。
伦敦皇家学会这样一个彻底以进化论为主流的科学组织,其早期创办人,大科学家如 罗伯特•波义耳(Robert Boyle, 1627-1691)和牛顿(Isaac Newton, 1642-1767),也相信智慧设计论。Peter A. Corning将于2024年7月出版的一篇主流学术文章,也指出进化论的弱点, 认为到了抛弃新达尔文主义的综合论的时候了。他比上述的一些生物学家在“进化生物学新趋势”会议上提出的“扩展合成”,走得更远:新达尔文进化论不是需要扩展,而是需要被一套新的理论代替!(参考资料5)
当代生物界有许多内共生的例子。在形成过程中建立相互依存的关系,可能是推动物种多样化的主要力量之一。生物形成相互依赖关系的倾向,与纯粹的新达尔文物竞天择的进化论冲突。笔者相信,这可能是善良上帝智慧设计的一部分:祂一边创造不同的生物,另一边使生物共生、融入创作。
线粒体、叶绿体和硝基体的形成,看上去并不是盲目的,而是有目的的。
研究这些细胞器的遗传或改造,智慧设计理论可能提供帮助。正如用在研究生物工程的新兴的系统生物学(Systems Biology),作为一门学科,与工程学有许多共同特征:建基于工程学的精密设计和整合的彼此配搭, 将细胞视为一套嵌入式电脑系统, 而非以无目的强者得胜的进化机制, 来作为发展方向。
虽然主流进化论学者仍困囿于“科学只研究自然现象”,回避有超自然因素的智慧设计论,但对智慧设计论友善的学术论文已与日皆增。那些相信创造主以祂的智慧、大能创造和维护宇宙的科学家,更能带来科学的突破。
注:
1. Lynn Margulis, Dorion Sagan, Dazzle Gradually: Reflections on the Nature of Nature (White River Junction, Vermont: A Science Writers Book, 2007), 155.
2. Charles Darwin, The Origin Of Species (London: Penguin Books, 1859), 228–9.
参考资料:
1. https://www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674(24)00182-X.pdf
2. https://www.science.org/toc/science/384/6692
3. https://www.science.org/doi/10。1126/science.ado8571
4. https://www.science.org/doi/10。1126/science.adk1075
5. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S007961072400035X?via%3Dihub
6. Integration and Confrontation of Worldviews: Evolution and ID (in Chinese)(1)
7. Integration and Confrontation of Worldviews:Evolution and ID (in Chinese)(2)
作者来自香港,获生物学博士和神学硕士学位。在美国惠顿大学(Wheaton College)任教41年(1973-2014),现为该校生物学名誉教授。
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