科学家发现的不呼吸动物有哪些,它们不呼吸是如何生存的?
呼吸和线粒体
宏观来说,呼吸代表氧气进入机体的过程。然而,在微观细胞世界中,呼吸通常代表能量产生的过程,呼吸包括无氧呼吸和有氧呼吸。前者通常出现在酵母和一些厌氧菌中。在肌细胞缺氧的情况下,人体也可以通过无氧呼吸产生乳酸。但是这个过程中能量释放的效率并不太高。
有氧呼吸是多细胞生物不可缺少的。与无氧呼吸相比,它的效率更高,释放的能量也更多。细胞通常以葡萄糖为能源,氧气更像是辅助有氧呼吸的中介。有氧呼吸的最后一步需要氧气接收电子释放代谢产生的ATP。没有氧气,多余的电子会在细胞内逐渐积累,导致电子传递链停滞,ATP产生异常。这对多细胞生命来说是致命的。
线粒体是完成这一精确程序并确保复杂细胞生命正常运行的细胞器。线粒体仍然保留着大部分与有氧呼吸相关的DNA,这组DNA独立于核基因组而存在。科学界推测,这种独特的细胞也是一种细菌,被真核生物吞噬后,两者达到了互惠互利的状态。细菌逐渐进化成今天看到的线粒体,负责帮助将食物和氧气转化为细胞可以利用的能量。
线粒体确实是依赖有氧呼吸的多细胞生命不可或缺的伙伴。然而,生活在缺氧的环境中,它们对线粒体的需求似乎没有那么大。研究推测,这些生物体内的线粒体会逐渐转化为线粒体相关的细胞器(MRO),逐渐失去线粒体基因,最终彻底清除体内的线粒体。
寻找没有线粒体的生物
发表在《当代生物学》上的一项研究首次发现了没有线粒体的真核生物。当时,来自捷克和加拿大的合作团队从动物体内分离出一种微生物,但基因测序结果显示,这种微生物并没有编码线粒体蛋白的基因。
这种被称为Monocercomonoides的物种长期生活在低氧环境中,它们在进化树上的祖先本身就含有线粒体,这表明它们在进化过程中失去了线粒体。相反,它从细菌中获得了另一种细胞质硫动员系统来代替线粒体。
在这项研究之前,许多科学家都在寻找没有线粒体的真核生物,包括植物、动物、真菌和原生动物。当时,该研究的作者Karnkowska认为有许多没有线粒体的原生动物,就像单角毛滴虫一样。在他看来,真核生物的生命力比我们想象的要强大得多。
Karnkowska的想法没有错,因为最近发表在《美国国家科学院院刊》上的研究甚至超越了他当时的预测,首次发现了一种没有线粒体的动物。当然,这种动物并没有我们通常看到的庞大个体,而是一种依靠鱼类生存的寄生虫。它外形奇特,类似蝌蚪,头上有外星人一样的“眼睛”。
当研究人员检查寄生粘孢子虫下各种物种的有机体时,他们意外地发现了一种叫做Henneguya salminicola的物种没有线粒体基因组。因为在基因测序中没有找到它们对应的线粒体基因,这意味着它们根本没有线粒体。
在种属关系上,粘菌鲑是水母的远亲,两者都属于棘囊动物门(又称腔肠动物门)。粘菌鲑虽然在漫长的进化过程中失去了神经细胞和肌肉细胞,但仍然是一种多细胞生物。例如,两个蛰细胞看起来像外星人的眼睛,可以帮助粘菌鲑在靠近宿主时牢牢吸附。
进化决策
至于为什么粘菌鲑最终变得没有线粒体,研究推测这应该与其生活环境有关。它本身的生物行为其实和寄生虫一样,平时在水中自由漫游,而主要的生命周期分别在两个宿主体内完成。一是鱼类,尤其是三文鱼;另一种是环节动物蠕虫。
在寄生环境中,氧气成了奢侈品。于是在漫长的进化过程中,它逐渐放弃了需要氧气提供能量的线粒体。这其实是进化的必然结果。当线粒体无用时,身体不仅需要消耗额外的能量来制造它和维持它的运转,而且得不到任何好处,这对生物来说是极其不划算的,所以逐渐摆脱这种负担是最好的选择。
从进化的角度来看,生命趋向于变得更加复杂,更加多样化。然而,鲑鱼的黏菌也让我们看到,并不是所有的生命都这么认为。在这些动物眼里,复杂更像是一种负担,它们的寄生任务中不需要复杂和多样化。神经和肌肉是多余的,线粒体也变得没有必要了。就这样,三文鱼出身的黏菌逐渐变得像单细胞生物。对此,该报记者Dorothée Huchon也感到非常惊讶。他说,“黏菌几乎失去了一切,现在连呼吸能力都不需要了。”
事实上,在这项新的研究中,作者还检测到了其他有鳞粘泡虫。作为黏菌鲑的近亲,这种黏菌动物具有线粒体基因。目前,还不清楚为什么粘菌如此独特。
鲑鱼黏菌在没有线粒体的情况下是如何存活的?Huchon推测,它们可能有一个未被发现的系统和能力,可以直接从宿主那里获得ATP来满足它们的能量需求。但是他们究竟如何巧妙地完成这一过程,还有更多未知等待科学家去发现。正如Karnkowska所说,真核生物的生命力比我们想象的要强大得多。