日前，日本築波大學的一個研究小組在和歌山縣一處海濱發現了一種半植物半動物特性的奇特微生物，其進行光合作用所獲得的食物資源直接提供給自己食用，此一半寄主一半宿主的生長過程正好解釋了光合作用的起源與發展，揭開了在10億年前發生的光合作用的演化之謎。
光合作用是有生命以來發展出的最重要化學反應之一，它把陽光的能量轉移成化學能，受惠的是整個地球上的生命。人類所需要的多種生產生活資料都是由光合作用產生的，如果沒有光合作用就不會有人類的生存與發展。然而，光合作用是如何演化而來的？這一直是科學家不斷探尋的未解謎團。
一邊寄生著海藻一邊吞噬海藻，形成一種新的生命形式
研究小組將新發現的生物命名為Hatena（在日語里是謎的意思）。這一發現發表在10月14日出版的美國《科學》雜志上。新發現的微生物長約30微米，是單細胞鞭毛蟲的一種，有一小尾巴可推動自己行動。日本築波大學的生物學家岡本和井上通過對野生Hatena海藻進行觀察，看到了Hatena的生命循環是在宿主相與寄主相之間快速轉換。此生物體一會兒可以讓它成為綠色海藻的宿主（攜帶或養育著另一種有機體的某個動物或植物），一會兒又可以讓它成為吞噬綠色海藻的寄主。在此轉移過程中，此共生體細胞一直保留其細胞核和其它重要的組成，如線粒體和葉綠體。
科學家發現，作為宿主，一種稱為腎爿藻屬的綠色海藻細胞寄生在Hatena上，使無色的Hatena看起來為綠色。然而，當這種綠色細胞一分為二時，就會產生一種無色子細胞和一種也有一個小尾巴的綠色子細胞。無色細胞逐漸形成一種用來吞噬新的綠色海藻細胞的“進食口”———一個比較發達的像嘴一樣的器官。綠色海藻細胞一旦被吞噬，它就失去了自己的小尾巴和自己的外部結構，成為宿主的一部分。而無色細胞吃完海藻后，它就用不著了，也就退化了。之后，此綠色細胞自行演化，分裂成的綠色子細胞和無色子細胞，再吃再長，從而周而復往地生活著。令人驚奇的是，這無色細胞吃的正好是自己的另一半———綠色藻類。
像食草動物一樣，無色細胞靠吞噬藻類來生存，而綠色的細胞像植物一樣，靠光合作用生存。研究小組得出結論，這種微生物一半“植物型”，依靠從母體那里繼承的藻進行光合作用，產生能量維持生存；另一半為“動物型”，靠捕食藻類作為能量來源而生存。研究小組的井上教授介紹說，這種“半植半獸”微生物的發現可能揭示了海洋單細胞生物向植物進化過程中的重要一環，從而有助於理解植物是如何產生光合作用的。
光合作用不是起源於植物和海藻，而是起源於細菌
從這些進程中能夠很明顯地看出，無論是宿主生物體，還是共生細胞，它們都在光合作用。此“半植半獸”微生物在宿主和共生體細胞之間的快速轉變可能在光合作用演化過程中起過關鍵作用，推動了植物和海藻的進化。雖然目前科學家還不能培養野生Hatena來完全研究清楚他的生命周期，但是這一階段的研究可能會為搞清楚什麼使得葉綠體成為細胞永久的一部分提供了一些線索。科學家認為，此生命現象導致海藻進化出一種吞噬細菌的方法，最終使海藻進化出自己的葉綠體來進行光合作用。
然而，這一過程到底是怎樣發生的，目前還是一個不解之謎。從此研究發現可以看出，光合作用不是起源於植物和海藻，而是最先發生在細菌中。正是因為細菌的有氧光合作用演化造成地球大氣層中氧氣含量的增加，從而導致復雜生命的繁衍達十億年之久。在其他的實驗中，岡本和井上教授嘗試了喂給Hatena其他的海藻，想看看它是否會有同樣的反應。但是，盡管它也吞噬了海藻，卻沒有任何改變的過程。這說明在這兩者之間存在著某種特殊的關係。判斷出這種關係是否是基因決定的將是科學家需要解決的下一個難題。
光合作用的基因可能同源，但演化並非是一條從簡至繁的直線科學家羅伯持·布來肯細普曾在《科學》雜志上發表報告說，我們知道這個光合作用演化來自大約25億年前的細菌，但光合作用發展史非常不好追蹤，且光合微生物的多樣性令人迷惑，雖然有一些線索可以將它們聯系在一起，但還是不清楚它們之間的關係。
為此，布來肯細普等人通過分析五種細菌的基因組來解決部分的問題。他們的結果顯示，光合作用的演化並非是一條從簡至繁的直線，而是不同的演化路線的合並，靠的是基因的水平轉移，即從一個物種轉移到另一個物種上。通過基因在不同物種間的“旅行”從而使光合作用從細菌傳到了海藻，再到植物。布來肯細普寫道：“我們發現這些生物的光合作用相關基因並沒有相同的演化路徑，這顯然是水平基因轉移的證據。”他們利用BLAST檢驗了五種細菌：藍綠藻、綠絲菌、綠硫菌、古生菌和螺旋菌的基因，結果發現它們有188個基因相似，而且，其中還有約50個與光合作用有關。它們雖然是不同的細菌，但其光合作用系統相當雷同，他們猜測光合作用相關基因一定是同源的。但是否就是來自Hatena，還有待證實。
然而，光合作用的演化過程如何？為找到此答案，布來肯細普領導的研究小組利用數學方法進行親緣關係分析，來看看這5種細菌的共同基因的演化關係，以決定出最佳的演化樹，結果他們測不同的基因就得出不同的結果，一共支持15種排列方式。顯然，它們有不同的演化史。他們比較了光合作用細菌的共同基因和其它已知基因組的細菌，發現只有少數同源基因堪稱獨特。大多數的共同基因可能對大多數細菌而言是“日常”基因。它們可能參加非光合細菌的代謝反應，然后才被收納成為光合系統的一部分。
物利用陽光的能量，將二氧化碳轉換成淀粉，以供植物及動物作為食物的來源。葉綠體由於是植物進行光合作用的地方，因此葉綠體可以說是陽光傳遞生命的媒介。
1773年，英國科學家普利斯特利做了一個有名的實驗，他把一支點燃的蜡燭和一只小白鼠分別放到密閉的玻璃罩里，蜡燭不久就熄滅了，小白鼠很快也死了。
接著，他把一盆植物和一支點燃的蜡燭一同放到一個密閉的玻璃罩里，他發現植物能夠長時間地活著，蜡燭也沒有熄滅。
他又把一盆植物和一只小白鼠一同放到一個密閉的玻璃罩里。他發現植物和小白鼠都能夠正常地活著，於是，他得出了結論：植物能夠更新由於蜡燭燃燒或動物呼吸而變得汙濁了的空氣。
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[ 本帖最後由 Sadako 於 2008-10-26 21:39 編輯 ] |
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