推翻150年的生物学知识!他是如何做到的?

造就 2017-10-31 2:02:00 互联网+, 阅读 • 来源: 自媒体圈 0

在1995年,如果你告诉托比·斯普利比尔(Toby Spribille),他日后会推翻一项在教科书上存在了150年的科学理论,他...

推翻150年的生物学知识!他是如何做到的?-自媒体圈

在1995年,如果你告诉托比·斯普利比尔(Toby Spribille),他日后会推翻一项在教科书上存在了150年的科学理论,他肯定会对你报以嗤笑。

在那个时候,他的人生似乎被限制在一条非常不同的轨道上。

斯普利比尔在位于美国蒙大拿州的一个拖车营地被抚养长大,他在家接受教育,按照他的说法,其老师是个“原教旨主义狂热信徒”。

少年时期,斯普利比尔就爱上了科学,但他没有办法去追求这份爱,他渴望摆脱自己出生的环境,并接受正规的教育。 19岁时,斯普利比尔在当地林业机构找到了一份差事。

工作几年后,他攒够了离开家的钱。然而,积蓄微薄和学历全无意味着,没有哪所美国大学会录取他,所以他把目光投向了欧洲。 得益于自己的家庭背景,斯普利比尔会说德语。他听说,德国有很多大学是不收学费的。

可没有学历仍然是一个问题,幸运的是,哥廷根大学(University of Gottingen)肯收他这种学生。“他们说,在某些特殊情况下,他们每年可以破格招收几个没有成绩单的学生。”斯普利比尔说,“那段时期是我人生中的关键瓶颈。” 念完本科和研究生之后,斯普利比尔成为一名地衣专家。

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其实在蒙大拿州的森林里工作时,他就已经注意到了这种生物。 想必很多人都见过地衣,但跟斯普利比尔不同的是,你多半会忽视它们的存在。这些生物或是生长在原木上,或是附着在树皮上,或是覆盖在石头上。乍看上去,它们乱七八糟,毫不起眼。 然而,如果更仔细地观察,你就会发现它们拥有惊人的美丽:有的像油漆剥落的碎屑,有的像珊瑚的枝丫,有的像撒开的粉末,有的像莴苣形状的复叶,有的像蜿蜒行进的蠕虫,有的像精灵啜饮的茶盏。 而且,地衣还有着极其顽强的生命力。它们可以生长于这个星球最荒凉的地方,在植物或动物无法立足之地繁荣兴旺。 地衣在生物学中有着重要的地位。

在19世纪60年代,科学家认为它们是植物,但在1868年,瑞士植物学家西蒙·施文德纳(Simon Schwendener)向世人揭示,地衣其实是一种复合生命体,由真菌以及与之共生的微型藻类构成。

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这种“双生假说”激怒了当时科学界里的一些人,因为它违背了那时候的一种学术潮流,即对各种生物进行清晰而分明的分门别类。

这种激烈反应最终偃旗息鼓,因为施文德纳和其他研究人员用精密的显微镜和灵巧的双手,成功地从地衣中分离出了这两种共生伙伴。 施文德纳误认为是真菌“奴役”着藻类,但其他人的研究证实,两者其实是合作关系。

藻类利用阳光为真菌制造养分,而真菌则为藻类提供所需的矿物质、水和庇护。

在此之前,人们还从来没有认识到生物之间的这种互利关系,甚至需要为它创造新的词汇。

感谢阿尔伯特·弗兰克(Albert Frank)和安东·德巴里(Anton de Bary)这两位德国人,创造了共生(symbiosis)这个词,它源于希腊语中的“共同”和“生活”。 

那是一个豁然开朗的时刻,我就在那一刻靠向自己的椅子。

当我们想到影响人类和动物健康的微生物,想到那些为珊瑚礁提供养分的藻类,想到为我们细胞提供能量的线粒体,想到让牛能够消化食物的肠道菌群,想到摆满超市货架的益生菌制品,所有的一切都可以追溯到“共生”这个概念的诞生。而反过来,“共生”这个概念源于对地衣的研究。

在施文德纳之后的150年里,生物学家一直试图在实验室里培植地衣,但却徒劳无功。

不管他们怎样人为地撮合真菌和藻类,这两种生物始终无法完全重现它们在大自然里的共生形态。

这些研究到底漏掉了什么?现在,斯普利比尔或许找到了答案。

他证明,自施文德纳以后的所有科学家都搞错了,地衣大家族中规模最大、种类最多的那个族群并不是两种生物的共生体;相反,它们是三种生物的共生体。

这么长时间以来,第二种类型的真菌一直藏在人们的眼皮子底下。

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“人们使用显微镜已经有140年的时间。”斯普利比尔说,“漏掉这么重要的东西,这真是令人震惊。” 斯普利比尔的发现之旅始于2011年,当时已经拿到博士学位的他又回到了蒙大拿州。

他加入了共生学专家约翰·麦卡琴(John McCutcheon)的实验室。 他俩开始研究两种当地的地衣,这些地衣在当地森林里很常见,挂在树枝上就像蓬乱的假发。

其中一种呈黄色,因为它能生成一种叫做狐衣酸(vulpinic acid)的强力毒素;另一种没有这种毒素,呈深褐色。

这两种地衣看起来明显不一样,它们在将近一个世纪里一直被分类为不同的品种。

然而,最近的研究显示,它们当中的真菌是相同的,而与之共生的藻类也是相同的。那么,它们为什么看起来不一样呢? 为了找到答案,斯普利比尔分析了两种地衣所激活的基因,但没有找到任何差异,然后,他意识到,自己搜寻的范围太狭窄了。

地衣学家都认为,处于共生中的真菌属于一个名为“子囊菌”(ascomycetes)的族群。因此,斯普利尔只搜寻了子囊菌的基因。

几乎是一时兴起,他把自己的搜寻范围扩大到了整个真菌世界,结果发现了一些奇怪的事情。

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地衣当中大量被激活的基因属于一个完全不同的真菌族群:担子菌(basidiomycetes)。

“那看起来不对劲。”麦卡琴说,“我们花了很长时间才搞清楚。” 起初,他俩觉得可能是担子菌碰巧生长在地衣上面。也许它只是一种污染物,是飘落在实验样本上的一点点微生物碎屑。

或者,它可能是一种病原体,是感染地衣导致其生病的真菌。

又或者,它可能只是错误警报。(这样的事情时有发生:遗传算法曾错误地显示,纽约的地铁上存在黑死病菌,弗吉尼亚州的番茄田里有鸭嘴兽出没,而越南的森林里还住着海豹。) 但是,在斯普利比尔从数据中移除了所有担子菌基因之后,与狐衣酸有关的一切也随之消失了。

“那是一个豁然开朗的时刻。”他说,“我就在那一刻靠向自己的椅子。”正是在那一刻,他开始怀疑担子菌实际也是地衣的组成部分——也许存在于两种类型的地衣,但在黄色有毒的那种当中特别多。 

托比多年来冒了巨大的风险,他改变了这个领域。

而且,担子菌也不仅仅是存在于这两种地衣。

在整个职业生涯中,斯普利比尔已经收集了大约45,000份地衣样本。

他开始进行一一筛查,这些来自不同大陆的地衣拥有多种不同的谱系,结果,他在几乎所有的“大型地衣”(macrolichen,这是世界上品种最丰富的生物族群)当中都发现了担子菌的基因,它们无处不在。

现在,斯普利比尔需要亲眼在地衣中看到它们。 在显微镜下,地衣看起来就像一个拖鞋面包:它们拥有一层坚硬致密的外壳,而里面则是绵软松散的内芯。藻类就嵌在那厚实的外壳当中。

生物学家熟悉的子囊菌也在那里,但它们是向内分支的,从而构建出了绵软的内芯。

那么,担子菌呢?它们位于外壳的最外层部分,包围着其他两个伙伴。“它们遍布在外层。”斯普利比尔说道。

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尽管担子菌的位置看似明显,但找到它们却花了5年左右的时间。它们被嵌入在糖分基质中,就好像被人粉刷上去一样。

为了看到它们,斯普利比尔从沃尔玛买来了洗涤剂,并用它小心翼翼地洗去那些基质。 即便担子菌已经得到充分暴露,但识别它们并不容易,因为它们看起来跟子囊菌菌丝的横断面一模一样。

除非你知道自己在寻找什么,否则你完全没有理由会认为那里存在两种而非一种真菌,这就是为什么150年来没有一个人发现里面的问题。

最后,斯普利比尔用不同的荧光分子对三种生物进行了标记,让三者分别发出红色、绿色和蓝色的荧光,这才让地衣的三位一体形态得以显现出来。 “这些研究发现推翻了双生范式。”来自牛津大学(University of Oxford)的莎拉·沃特金森(Sarah Watkinson)说,“教科书关于地衣的定义可能需要改写了。” “这让地衣显得更加引人注目。”埃克塞特大学(University of Exeter)的尼克·塔尔博特(Nick Talbot)补充道,“我们现在看到,地衣需要有两种不同的真菌和一种藻类。如果正确的组合在石头或树枝上相遇,那么地衣就会形成,继而生成我们常在树上或石头上看到的巨大复杂的植物状生物。我们对这种共生关系的形成机制一无所知,那仍然是一个真正的谜团。”

基于两种真菌的位置,担子菌可能会影响到另一种真菌的生长,诱导其构建出坚硬的外壳。

或许利用这三种生物,地衣学家将最终能够在实验室中培植出地衣。 在斯普利比尔研究的蒙大拿州地衣中,担子菌显然跟狐衣酸密切相关。

然而,担子菌是在摄入这种酸性物质,还是在制造它,抑或是解锁其他真菌制造它的能力?

如果是最后面一种,沃特金森说,“其意义就超越地衣学的范畴了。”地衣对“生物勘探者”来说是一个诱人的目标,这些人勘探大自然,寻找可能对我们有医学价值的物质。

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新发现的担子菌是一个全新的生物族群,与它们已知亲缘关系最近的亲戚分开进化已有2亿年的时间。

我们或许能够在它们的细胞内发现各种各样有用的化学物质。 “但说真的,我们不知道那些担子菌有什么用。”麦卡琴说,“而且,考虑到它们的存在,我们也不知道子囊菌有什么用了。”曾经被认为是子囊菌功劳的事情可能要归功于其他真菌,地衣学的很多基础知识将需要被重新审视,或许还要被改写。“托比多年来冒了巨大的风险。”麦卡琴说,“他改变了这个领域。” 不过,就像沃特金森指出的,斯普利比尔并不是孤身一人。

如果没有整个团队的支持——该团队组合了各成员在博物学、基因组学和显微术等领域的专业知识——那么他也不可能有此发现。

为了揭开大自然最亲密合作关系的奥秘,研究人员自己需要组成一个联盟,这个主题跟共生研究的整个历史可谓交相辉映。

翻译:何无鱼

来源:The Atlantic

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