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可以人工合成有叶绿体的动物细胞吗？

光合作用,叶绿体,蛞蝓可以人工合成有叶绿体的动物细胞吗？

发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：

可以人工合成有叶绿体的动物细胞吗？

回答于 2019-09-11 08:43:50

回答于 2019-09-11 08:43:50

应该可以。但即便是可以其实用意义将打一个大大的问号。

让动物细胞具有叶绿体是可能的

叶绿体实质上是动物所依赖的一切含能化合物的创造者。为了利用这种能量，真核细胞都具有线粒体：这些线粒体分解葡萄糖使细胞能够利用其能量。因此，叶绿体和线粒体代表了光能在地球上大多数生命中所走的路径的起点和终点。它们是完全不同的，但是它们又具有共同的、神秘的特征。叶绿体和线粒体都含有自己的DNA——这很有趣，但我们的大部分DNA却包含在细胞核（26条染色体）中。

科学家们相信叶绿体和线粒体实际上是古代单细胞生物的残余物，这些生物被古代真核细胞所吸收，随后建立了共生关系。叶绿体/线粒体的前身得益于真核细胞的移动性，狩猎能力和蛋白质/脂肪合成能力。 换句话说，几百万年前，我们的细胞为线粒体腾出了空间，谁说他们不能对叶绿体做同样的事情？或许有人就期待着把日光浴变成一种合法的生产活动，跟吃饭就餐一样。在太阳下葛优躺就能填饱肚子何乐而不为？

前不久科学家已经揭开了绿叶海蛞蝓（Elysia chlorotica）的秘密。绿叶海蛞蝓是一种看起来像一片叶子的海蛞蝓，而且跟叶子一样能够利用阳光的能量进行光合作用，但实际上它是一种动物。事实证明，绿叶海蛞蝓通过食用藻类并盗取其光合作用基因来维持其鲜艳的绿色。这是多细胞生物从另一个细胞中获取DNA的唯一已知实例。

上图：绿叶海蛞蝓。真的象一片植物叶子。

研究者称，在地球上，藻类的基因不可能在动物细胞内起作用。但，它们确实在叶绿海蛞蝓体内允许动物依靠阳光来获取营养。研究人员说，如果人类想合成可以进行光合作用的细胞，那么类似的机制可以作为直接参考。

上图：叶绿海蛞蝓获得光合遗传物质的过程。

事实证明，在生命的最小单元层面，各种生命形式并没有太大不同。生命在最基本的层面上具有惊人的融合潜能，使得某些“非凡的壮举”（例如盗取光合作用DNA的动物）成为可能。现在，通过新兴的合成生物学，我们也许能够在眨眼间重现此类事件，从而使诸如可以进行光合作用的皮肤斑块之类的“生物朋克”变得不那么科幻。

通常，当从一个生物体中获取基因并将其插入另一个生物体的细胞中时，它就不起作用了。但是一旦它能够起作用，它就可以在一夜之间带来巨大的变化。这有点象一种突发的高速进化。

尽管叶绿蛞蝓很精致，但并不是唯一从植物界偷走太阳秘密的动物。诸如豌豆蚜虫，正如《自然》杂志在2012年记录的那样，这种昆虫使用一种称为类胡萝卜素的聚光色素为它们的“太阳能背包充电”。东方大黄蜂可能会使用类似的技巧，即利用一种称为黄嘌呤的色素将光能转化为电能。但是，这些生物都不是真正地进行光合作用，因为它们缺乏将二氧化碳转化为糖的关键能力。

但是，还有其他一些动物通过共生关系真正完成了光合作用。经典的例子是珊瑚。成百上千的软体动物的群落，它们在其细胞中住着光合藻类。同样，斑火蜥在卵内发育时，会利用藻类为其胚提供太阳能。




上图：珊瑚与藻类的共生。

然而，在少数已经变绿的动物中，前面提到的“太阳能海蛞蝓”很特别。他们想出了办法分离出藻类叶绿体（豆形的光合细胞器）并沿着它们的消化道壁抹去中介者并完全自己完成光合作用。此后，这种植物—动物的混合生物可以不吃不喝只靠阳光过上几个月。但是，这种蛞蝓如何维持其偷来的太阳能工厂仍然是一个谜。

上图：斑火蜥的卵利用藻类来为卵提供能量。

我们可能会遵循自然界的榜样，将光合作用植入动物甚至是人类细胞吗？


科学家就曾经大胆地做过类似的实验，他们在斑马鱼的胚胎中注入了光合细菌。令人惊讶的是，鱼没有死亡，细菌也没有死亡。但如果注射大肠杆菌，即便是死亡的大肠杆菌，胚胎都将在一小时内死亡。但是注入光合作用细菌，鱼仍会生长。从进化的角度来看，光合作用似乎有些特殊之处。

但可能归可能，实用却没这么简单

有几种动物已成功地利用了光合作用来“喂饱”自己，不过基本上是通过从所摄入的藻类哪里窃取光合作用机制来实现的。这些动物通常很小，与人类相比，它们的能量需求也很小。严格来说，现在人类的技术已经具备了将光合作用整合到人类皮肤中的遗传技巧，但是这样做将毫无意义，因为我们没有足够的表面积和质量的比率来从中皮肤的光合作用中获得足够的能量或者食物。为了通过光合作用满足人体的基础代谢率，大概需要约10-100平方米的太阳辐射接受面积，因此我们需要有一些非常大的叶子一般的皮肤，并且我们需要在进行日光浴时将其铺开，这个场景似乎没有那么美……

包括一些水母、水螅和蚜虫在内的几种物种可以利用其体内的摄入的光合细菌来提供能量。
地衣是真菌和藻类的共生体，这意味着真菌可以利用光合作用来提供食物。


光合作用的效率实际上并不高。在最理想的情况下，理论上击中植物光合作用表面的总太阳辐射只有11％的能量可转化为化学能量。更现实的是，只有3–6％的太阳能最后被转换为生物体使用的能量，最后只有不超过2％的部分被转换为构成生物物质。


在最高点，太阳在地球表面的辐照平均功率约为1050W /m^2，而成年人的平均皮肤总表面积为1.6-1.8 m^2。

上图：在赤道附近太阳的辐射功率为1367W/m^2，如果纬度增加，则辐射功率与纬度的余弦函数成反比。

因此，假设我们在整个身体表面的每平方英寸上都能24小时不间断地获取最强的阳光，那么理论上我们每天可以收获多少能量呢？我们计算一下：

（1050 W / m ^ 2）x（1.8 m ^ 2）x（0.86 kcal / h / W）x（24小时）x 11％= 4291千卡

看起来像是足够满足人类日常平均热量需求的。但这是人体所有表面7*24小时都暴露在最强的阳光照射下理论上的最大值，也就是说就像一块被永久放在烤炉里面烘烤的面包……地球上的植物都享受不了这么好的待遇啊。

让我们看一个更现实的场景。

一个每天基础代谢率为1500千卡的成年人每年至少需要547,000 kcal的热量。

人们必须穿衣服，因此我们可以估计最多只能有50％的人体皮肤可以暴露在直射的阳光下。

我们没办法象夸父一样追着太阳跑，日夜总有交替，并且地球上最阳光的地方每年接受的太阳光不超过3800小时。

我们采用的太阳能转换的最大效率为11％…


（1050W/m^2）x（1.8m^2）x（50％曝光）x（3800阳光小时/年）x（11％效率）= 339,709 千卡 /年。

即使在地球上最阳光的地方以最高的太阳辐照度和最大的效率进行高水平的皮肤表面暴露，这也不足以满足人体每年最低的代谢需求（547,000 kcal）。

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