海洋微生物利用精密的亚细胞武器进行火力交换

本文发表在《大众科学》的前博客网络中，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点

事实证明，浮游生物不仅仅是漂浮的快乐餐点。这些海洋微生物实际上是全副武装且危险的，它们配备了能够发射细丝或粘液的武器，以击退其进化军备竞赛式海军战役中的敌人的枪炮。

这是有充分理由的：我们了解到，它们的微生物捕食者的枪炮数量众多、令人恐惧，而且比我们想象的更加复杂。

观察一下：微观的野生王国。

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在下方，白色箭头旁边，您可以看到猎物为了应对攻击而发射的弹道防御毛发。

来自加拿大、日本和德国的科学家决定更仔细地研究其中的一些武器。他们检查了被称为甲藻的捕食性海洋微生物的弹道枪炮，即您刚刚看到的那些，部分原因是它们与珊瑚和水母等刺痛动物体内的枪炮惊人地相似。

他们对自己的发现感到震惊，并于去年三月将其发表在《科学进展》杂志上。微生物的版本在复杂性上超过了动物的版本，并且似乎是独立发明的。最重要的是，甲藻似乎在理查德·加特林之前数千年就偶然发现了加特林机枪——或者非常相似的东西。

甲藻是原生生物，是含有DNA包装的细胞核和其他专门细胞机制的微观生命形式。它们有时雕刻精美的外壳带有两条推进尾巴，并且通常具有某种朋克美学。许多甲藻通过光合作用制造自己的食物。其他甲藻则捕食其他微生物，还有一些通过两者兼顾来对冲风险。原生生物必须做原生生物必须做的事情。

在这项研究中，科学家选择专注于甲藻多甲藻（Polykrikos），这是您在影片中看到的那个漫不经心地拖着猎物去吃饭的生物。它雕刻精美的外壳看起来像一卷精心挤出的糖霜。

在卷曲的褶皱中，隐藏着称为刺细胞的细胞器。这些带盖的鱼雷管包含一根针尖的电缆，当腔室被触摸触发时，它会爆炸性地刺穿猎物。

起初，科学家怀疑在甲藻中发现的刺细胞是从刺胞动物（水母所属的动物超科）的共同祖先首次创造的武器进化而来的。但实际上，甲藻和刺胞动物的亲缘关系非常遥远。因此，这似乎不太可能。

另一方面，一些光合作用的甲藻与另一种刺胞动物珊瑚的珊瑚虫共生。这种亲密的身体接触可能为刺细胞的捐赠提供了必要的氛围。

他们决定仔细观察一下。

当他们仔细检查参与构建和发射刺细胞的蛋白质时，他们发现甲藻和刺胞动物中的刺细胞并没有密切的亲缘关系（尽管水母中产生刺细胞推进剂的蛋白质似乎是从细菌“借用”来的）。刺胞动物刺细胞中的大多数基因似乎是在动物出现后独立进化的。

同样，构建甲藻刺细胞的蛋白质与构建其他捕食性海洋微生物（如纤毛虫或

隐藻）中类似武器的蛋白质没有任何相似之处。如果是这种情况，那么甲藻和所有其他刺细胞之间的惊人相似性纯粹是一个巨大的巧合——而且是趋同进化这种极其普遍现象的又一个例子。相似的进化压力似乎在这个星球上一次又一次地产生相同的解决方案。

接下来，他们决定比较设备本身。他们使用离子束扫描电子显微镜来构建多甲藻kofoidii的三维图像。

他们发现了细微但却很重要的差异。每个刺细胞都连接到一个名为类囊体（taeniocyst）的细长细胞器，这在刺胞动物的刺细胞中没有发现。您可以在上面的电子显微照片中看到它从甲藻中伸出来，并且在这里，在细胞器被解剖后位于顶部。

多甲藻的刺细胞上的盖子覆盖了一个复杂的、三环结构，这在刺胞动物中没有发现，科学家们将其称为“喷嘴”。喷嘴位于囊泡的一个子隔室中，尽管它被盖子覆盖，但本身没有开口。

在发射时，刺细胞中盘绕的长管顶端的针状物会刺穿囊泡，弹出盖子，然后——如果一切按计划进行——刺穿带有护甲的猎物。

刺胞动物的刺细胞不需要刺穿就会破裂。它们的盖子只是弹出。

令科学家们惊讶的是，与他们的预期相反，这根特殊的电缆并没有进行拖曳。它在部署后很快就会溶解。相反，它的功能似乎像箭头或子弹一样刺伤猎物。理想情况下，这会导致出血，或者可能是致命的海水涌入，从而使猎物丧失行动能力并受到致命的伤害。一个单独的系统——我认为，奇怪地位于甲藻的另一侧——发射拖曳电缆。

雪茄状的类囊体提出了一个更大的谜团。它在刺细胞之前接触猎物，并像阿波罗火箭的最后阶段一样位于刺细胞的顶部，通过一个新发现的“连接器”细胞器与它连接。

根据该团队录制的影片，类囊体本身似乎是一种弹道细胞器，会爆炸性地发射……某种东西。

科学家们提出，类囊体是三部分攻击的第一阶段。

在与猎物接触时，类囊体发射某种粘附在目标上的物质。然后，刺细胞发射，刺伤受害者，最后发射拖曳电缆，使捕食者可以方便地拖走战利品进行食用。

为了试图了解这种系统是如何进化的，科学家们决定检查另一种甲藻，这种甲藻的武器已知大不相同——甚至更加复杂。

网甲藻（Nematodinium）没有盘绕的弹道管或类囊体。相反，它拥有一个环形排列的枪支，这种枪支与多甲藻所拥有的枪支截然不同，以至于有人质疑它们是否具有相同的进化起源。“……每个刺细胞，”作者写道，“本质上是一束较小的弹道细胞器。”

这项特殊的工程壮举让人想起美国内战的众多创新致命发明之一：加特林机枪。

旋转枪的设计是为了通过在发射之间给枪管时间冷却来加快射速。

然而，在网甲藻手中，这种设计的功能不同。刺细胞的商业端不是盖子覆盖，而是被科学家们描述为“优雅的玫瑰花环”（见上图）所覆盖。它不是一个喷嘴，而是包含一个位于每个子囊泡顶部的喷嘴环——但话又说回来，只有一个刺穿针状物，就像在多甲藻中一样。底部是一个包含11-15个子囊泡枪管的环。

一旦发射，子囊泡会挤出（或者仅仅是）某种粘液状物质，其长度是以前的两倍。网甲藻的刺细胞似乎并没有像加特林机枪那样真正地旋转着发射，一次只有一个枪管处于活动状态。

甲藻的刺细胞是如何发射的？它们不使用刺胞动物使用的相同化学推进剂。我们知道这一点。它们可能拥有我们尚未发现的自己的推进剂。然而，它们的解剖结构提出了另一个有趣的可能性。多甲藻和网甲藻的囊泡都有带槽的壁。科学家们认为，囊泡壁可能含有收缩纤维。当被激活时，它们会沿着凹槽使囊泡塌陷，使其增压。

这方面存在一些证据。在显微镜下观察到的刺细胞中，脊的间隔为两个不同的间隔。较远的间隔可能是未发射状态，而另一个是已发射状态。

科学家们说，由于这两种生物都属于同一个甲藻类群，这进一步表明，尽管多甲藻和网甲藻的火炮在物理形态上存在差异，但它们实际上是从一个共同的祖先进化而来的。

这是一个假设的场景

囊泡中的脊也是刺胞动物制造的刺细胞和甲藻制造的刺细胞之间的另一个差异，总结如下，以供那些感兴趣的人参考

这种微生物武器库的复杂性暗示了海洋微生物之间进化军备竞赛的致命严肃性。诸如穿壳针状物、毒素注射小管和爆炸性推进系统等如此复杂且昂贵的工程很可能是一种反应，科学家们假设，这是对猎物进化的装甲和防御弹道学的反应。在之前的一项研究中，这些科学家在野生捕获的网甲藻体内发现了猎物甲藻——以及它们自己发射的但显然是徒劳的防御武器。

实际上，这些战斗一定在持续发生。海洋中高达 60% 的“初级生产力”——我认为主要是海洋藻类产生的生物量——被纤毛虫和甲藻消耗掉了。而不是蓝鲸。

生命显然已经创造出许多许多种方法来构建这些复杂的武器。在广阔的液态自由混战的海洋中，攻击和防御的压力一定非常大。这里比任何其他栖息地都更像是狂野西部。你绝不会在正午时分，不带枪就敢踏上大街。

参考文献

Gregory S. Gavelis et al. 微生物军备竞赛：鞭毛藻中的弹道“刺丝囊”代表了细胞器复杂性的新极端。Science Advances, 2017 DOI: 10.1126/sciadv.1602552