科學網最近報導了這樣一則消息——「美國科研人員日前捕捉到一種極不尋常的生物——一種以海藻為食並將海藻色素吸收到自身細胞中的海蝸牛。更令人驚訝的是，這種蝸牛不僅能藉此進行很好的偽裝，還能像植物一樣進行光合作用以獲取能量。」（見更多閱讀） 我剛開始也是被這句話吸引，但讀完這篇發表在美國《國家科學院院刊》（PNAS）上的論文以及相關的背景資料之後，才發覺它的重點並不在此。為什麼呢？因為這種「太陽能」海蝸牛（sea slug）並非首次被發現，而且科學家對它早有研究。
早在1876年，人們就觀察到海蝸牛體內有綠色的顆粒（Brandt, 1883）。90年後，這種顆粒被確認與藻類細胞內葉綠體具有完全相同的結構（Kawaguti & Yamasu, 1965），接著，在上世紀60-70年代，科學家們對這種小東西進行了詳盡的研究，證明它獲取了葉綠體後便獲得了光合自養的能力。能夠進行光合作用的海蝸牛（軟體動物腹足綱後腮目）種類不少，在其兩個亞目sacoglossans（囊舌亞目，素食）和nudibranchs（裸腮亞目，雜食）裡都有例子存在。本文研究的海蝸牛屬於前者，可以在沒有進食任何藻類食物的情況下，靠光合作用維持9個月之久。而有一種更牛的Elysia cf. furvacauda，一生中甚至可以改變自己的食譜至少三次，吞食不同的藻類進行光合作用。不過，海蝸牛攝入體內的葉綠體，並不能遺傳給後代。
這裡讀者不禁要問，既然不是新的發現，那麼這篇研究論文究竟說的是什麼？別著急，聽我慢慢道來。科學研究總是在前人的基礎上進行，總有它的動機和出發點。如果不了解背景知識，那麼可能很難讀懂這篇論文。其實，這篇論文的背景知識比其本身更有意思。
上面提到了，對於海蝸牛的研究，在上世紀70年代達到頂峰。但可惜的是，它接下來失去了經費支持，在80年代直至90年代初期，陷入停頓。近年來，隨著分子生物學手段的發展，以及共生現象（symbiosis）在真核生物進化當中的作用越來越受到重視，「這個古老的學科重新煥發出了青春」。
共生是很寬泛的說法，大致是指不同種群（存在生殖隔離）的生物個體相互依存、共同生活的現象；如果其中一位在另一位的體內，則稱為「內共生」。內共生理論是上過生物課的人比較熟悉的名詞，最早由俄國人Konstantin Mereschkowski提出（1905），但當時很快被人扔到一邊忘掉。直到80年代，在得到廣泛證據支持的情況下（尤其是比較rRNA序列之後）才得以普及。根據完善後的理論，在很久很久以前，某個消化不良的厭氧細胞甲，吞掉了好氧細菌乙，但卻消化不了對方（例如，乙有著很有韌性的質膜，或者更可能的是，甲自己的生命力實在太弱，因為大氣裡的氧氣越來越多，日子越來越不好過了；這大概要怪那個叫做藍藻的傢伙吧）。僵持過程中，甲體內大量的半消化的食物泡被乙得到；乙如魚得水——或者，好像飢餓的人撲到麵包上一樣——迅速利用自己體內的氧氣，把它們消化得又快又好，製造出了大量的ATP（類似能量塊的東西）。因為能量太多了，所以洩露了一點出來，跑到甲的細胞質裡。結果，甲發現這樣其實很不錯：因為乙的存在，甲在有氧的環境下居然也可以獲得足夠的能量，活得越發滋潤了。日久天長，甲再也離不開乙，而乙就變成了甲體內的細胞器：線粒體。同樣地，質體（例如，葉綠體）的誕生歷程與此相似，是與藍藻（亦稱藍細菌、藍綠細菌，是已知唯一可以進行有氧光合作用的原核生物）共生的結果。
在真核生物域的下面，植物界的上面，有一個「泛植物」的概念（Archaeplastida），包含了所有陸上植物、綠藻、紅藻和灰藻。這些生物的葉綠體，統統都是雙膜結構，因此被認為是與藍藻初級共生的結果。這個是大家早就知道的事情了。近些年來（2000年以後）的新發現是，這些質粒的很多基因可以進一步整合到宿主的核基因組當中。這類現象被稱為「共生基因傳遞」（EGT）。葉綠體不僅存在於「泛植物」當中，還存在於其他一些真核生物當中，如裸藻、囊泡藻類等。但後者的葉綠體具有三層甚至四層膜，被認為是次級共生（例如，吞掉綠藻或紅藻，得到其雙層的葉綠體後，再加一層）演變而成，這時候，發生的不僅僅有葉綠體與宿主之間的EGT，還有被吞食的綠/紅藻類核基因組與宿主之間的HGT（水平基因轉移）。這些基因轉移的後果，便是造成質體內的遺傳物質相比於藍細菌少得多，僅含不到10%的代謝基因，大多都被整合到宿主的核基因組裡。整合的好處，不僅僅使得宿主可以控制葉綠體的代謝，還增加了其基因組的複雜度，甚至進而賦予這些外源基因以新的功能。例如，關於擬南介（Arabidopsis）基因組的一項研究顯示，這種陸生植物高達18%的核基因來源於藍細菌，而其中有一半已經在行使全新的功能（在陸生植物的親兄弟——灰藻當中，這兩個數字分別是10.8%、1/6）。因此，可以想像，這種共生關係對於真核生物的進化有著相當的促進作用。
那麼，這跟海蝸牛有什麼關係麼？或者說，海蝸牛與葉綠體的共生關係有什麼特別之處嗎？這種共生關係很罕見？倒不是因為這個，共生關係很常見，但一般的細胞內共生，都是宿體自己有一層膜，然後宿主再加一層膜，層層包好，互相之間的遺傳物質不隨便摻合。假如海蝸牛也是這樣子：把吞食的囊泡藻（前面說了，這是一種次生藻類）包好，形成一種與囊泡藻的共生關係，利用葉綠體產能（注意這個時候是：葉綠體基因+囊泡藻基因→光合作用），那就沒什麼奇特之處。關鍵是，事實與此相反：海蝸牛會「吐皮兒」。即它會把吞食的囊泡藻的膜消化掉，只留下囊泡藻的葉綠體。注意，這個時候葉綠體內只有光合作用所需要的部分基因，而本來由囊泡藻提供的另外一部分基因，已經被消化掉了。按理說，光合作用就不應該能夠進行了，可是這種海蝸牛居然可以，而且能夠維持一生。那麼，這是不是意味著，海蝸牛作為一種動物，居然可以提供光合作用所需的基因呢？而這個基因是不是通過水平基因轉移（HGT），從囊泡藻中得來的呢（例如，長期食用囊泡藻的結果）？如果真的是這樣，那就非常有趣，因為已知的大多HGT都是存在於原核生物之間，原核與單細胞真核生物之間，對於兩個多細胞真核生物之間的水平基因轉移，迄今人們還知之甚少。找到這樣的例子，搞清楚它的機理，不僅僅對於進化研究有重要的意義，而且還將成為臨床中運用基因療法的理論基礎。也因為這樣，多細胞生物之間的水平基因轉移，才被《科學》雜誌（2005）列為未來25年內須被解答的125個重大科學課題之一。
這篇PNAS文章的意義也在於此，即，揭示了一種對於光合作用至關重要的基因psbO在兩種多細胞生物——囊泡藻與海蝸牛之間的水平轉移。不過，這其實也不是首例發現。在此之前，有研究已經揭示有另外三種基因：fcp, Lhcv1, Lhcv2，在這兩種生物之間也發生了類似轉移，但因為發表在影響力比較小的雜誌《共生》（Symbiosis）上（2007），不太為人所知。這兩篇文章在學術上的價值大小，我是門外漢，無從評價。下面簡要地介紹一下本篇PNAS論文的研究方法，以饗各位讀者的好奇心。
首先，科學家們把囊泡藻的葉綠體進行測序，同預計的一樣，它缺少很多光合作用必須的基因，其中就包括psbO。眾所周知，光合作用的重要一步是把水分解為氧氣與氫，而psbO所編碼的MSP蛋白被認為起到了穩定這一反應的作用，並且存在於所有已知能進行光合作用的生物當中。同時，MSP蛋白還是用量極大的耗材，隨著光合作用的進行，需要被不斷地重新合成。有鑑於此，科學家預測，海蝸牛不但擁有該psbO基因，而且還表達相應的mRNA。
為了驗證這兩點，科學家們把抓來的海蝸牛在人工海水中先餓了三個月，期間不給任何藻類食物，然後，收集它們的卵進行基因組分析。這樣做的目的，是儘量去除海蝸牛胃裡殘餘的藻類DNA的幹擾。然後，科學家們利用藻類的psbO基因片段設計引物，去藻類、成年海蝸牛、以及海蝸牛卵裡「釣」具有類似序列的DNA。不出所料，在三個地方都釣上來了類似psbO的DNA片段。而利用藻類psbO基因附近的另外一個基因設計引物，則只能在藻類裡有所收穫，無論是成年海蝸牛還是海蝸牛卵，都沒有類似的DNA片段被釣上來。這樣，就驗證了海蝸牛基因組中psbO的存在。利用Northern Blotting方法，他們還進一步驗證了海蝸牛內也有psbO的mRNA，而且比藻類psbO的mRNA還要長一些。
把海蝸牛內釣得的DNA片段翻譯成胺基酸序列後（注意：這也許與真正的MSP蛋白序列有出入），科學家們發現，它有一段三聯定向序列。在藻類的MSP蛋白中也有這段序列，其作用是為了幫助該蛋白跨越包裹在葉綠體外的內質網。而在海蝸牛當中的葉綠體，外表早就沒有了這層內質網膜，因此，這個在海蝸牛內並沒有明顯作用的三聯定向序列，進一步暗示了海蝸牛的psbO可能來自於藻類的HGT。
既然找到了海蝸牛體內可能存在這樣一個「植物基因」psbO的證據，那麼決定性的最後一步，自然是確定它在海蝸牛基因組內的確切位置。關於這點，很可惜，受當前技術和財力所限，科學家們沒有給出完美的解答。根據以往的經驗，HGT轉移而來的基因，只有兩個去向：線粒體基因組或者核基因組。科學家們僅僅對海蝸牛的線粒體基因組進行了測序（因為它比較小，只有不到15k bp，僅含37個基因），沒有發現任何不存在於其他動物線粒體內的基因。除此之外，沒有任何內含子，沒有任何異常的GC含量（以500 nt為一個區間，步長200 nt）。哪怕是與其他基因組一起構建進化樹，這段海蝸牛的線粒體也顯得相當的「正常」，即老老實實地呆在它所屬的海蝸牛當中。所以，這個基因大概會是在海蝸牛的核基因組內吧。
文章最後一句話蠻有意思的：
「根據這些發現，我們應該考慮到具有遠親關係的生物體之間（特別是具有任何體接觸的）發生天然HGT的可能性。這在轉基因生物中尤其如此。」
的確，在我們身邊遍及轉基因食物的今天，這的確有它嚴肅的現實意義。話說回來，惶恐也好，不以為然也好，都不如認認真真地對待它，用科學的態度和手段搞一個清清楚楚，明明白白。
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