从海盗号到好奇号:火星生命探索争论简史

    1976年7月的一天,午夜过后,在美国加州帕萨迪纳市一个闷热的房间里,海盗号火星勘测计划(Viking Mars)的团队成员围坐在一台庞大的电脑显示器旁边,紧张地等待着世界上第一台成功发射的火星勘测着陆器传来首批数据。这是有史以来第一台专门设计来探测生命的火星着陆器。接下来几个星期里,海盗号的首批生命探测实验传回了令人震惊的结果。这些数据清楚地显示,当有机化合物添加到火星土壤中时会释放出二氧化碳,而不是混合物被超高温加热的时候。这是生命存在的迹象,而且与发生在地球上的实验结果相同。当把水添加到火星土壤中时,还会释放出氧气,就像在地球上一样。这台远离地球的探测器,在头两个实验中就发现了生命可能存在的迹象。第三个实验是加热土壤,就像在烤箱里加热食物一样,实验结果有好有坏。

  随着第四个实验的矛盾数据传回,争议变得越来越大。宣称火星上存在生命将具有前所未有的意义。如果这些数据错了,相信没有一名团队成员能够接受。然而,世界上大多数人并不知道,在海盗号着陆器的4个实验中,有3个实验的结果可以被解读为阳性的微生物检测结果,与地球上被检测数千次的结果一样。研究者帕特里夏·斯特拉特(Patricia Straat)对另一位任务参与者吉尔·莱文(Gil Levin)说:“那就是生命!”

火星上是否存在微生物生命依然是一个谜火星上是否存在微生物生命依然是一个谜
 

  第四个实验采用了一台气相色谱仪——与詹姆斯·洛夫洛克(James Lovelock,英国独立科学家、环保主义者和未来学家)使用的是同类仪器——和一台质谱仪,用来精密测量分子的大小。结果发现,火星上不仅没有生命,而且完全没有发现有机物的存在。这是个令人震惊的结果,因为宇宙空间中到处都有有机物,从小行星、彗星、陨石到星际尘埃。不仅如此,该实验还指出,火星表面是有毒的,或者说能杀灭微生物。海盗号任务的科学家产生了激烈的争论,而美国航空航天局(NASA)最终决定以谨慎的方式进行解释。他们的结论是,由于火星土壤中含有的强氧化剂,使火星表面能“自我消毒”,并且使其呈现出红色。海盗号发现了一个荒凉而狂风大作的红色星球,上面布满了陨石坑,像月球一样寒冷和死寂。

  少数参与任务的科学家反对这一结论,他们认为第四个实验只是失败了而已,在地球上也经常出现这种情况。包括吉尔·莱文在内的一群活跃人士,不断写信和演讲,敦促NASA公布全部的海盗号数据。在2016年NASA庆祝该任务40周年的活动上,莱文重申了这一呼吁。他预测好奇号(Curiosity)火星车会找到更复杂的有机物,事实也确实如此。当看到好奇号探测到甲烷爆发时,莱文指出,甲烷的消失发生得太快了,不可能是紫外辐射引起,“这种消失可能是由甲烷氧化菌引起的,它们能利用甲烷,并形成一个完美的小型生态循环。”

火星地表遍布沙丘和砾石,没有稳定的液态水火星地表遍布沙丘和砾石,没有稳定的液态水
 

  其他火星探测器也给出了矛盾的结果。NASA在21世纪初开始了机遇号(Opportunity)和勇气号(Spirit)火星车任务,这两个探测器传回的报告令世界各地数以百万计的人感到兴奋。不过,两辆火星车都是由地质学家设计和建造,与生物学家无关。2008年,凤凰号(Phoenix)着陆器第一次传回了火星上有水存在的证据。该探测器的相机捕捉到了水滴在寒冷的钢制着陆脚架上凝结的清晰画面。模拟结果给出了两种可能,一是被风吹过来的高氯酸钙颗粒周围有水凝结,这种盐型矿物具有能从大气中撷取水分的特性;二是探测器登陆时搅动了火星表面下的脏冰,水冰在脚架上融化并形成水滴。参与该任务的密歇根大学科学家尼尔顿·伦诺(Nilton Renno)说,关键在于,“在地球上,有液态水存在的地方,就会有微生物生命”。地球上这样的盐水中也的确有微生物存在。

  略显矛盾的是,寻找火星生命证据最好的地方其实是地球。在冰冻的南极大陆上行走,你有时会发现一些小石头,而它们正是来自火星的陨石。事实上,每年有大约4.5千克的火星陨石落在地球上。如果有巨大的陨石撞击火星,火星的部分岩石碎块就会摆脱重力束缚,被抛向太空。作为这颗红色星球最近的邻居,地球的引力会捕获其中一些石块,而它们在荒凉并且覆盖冰雪的南极大陆最容易被发现。对这些陨石的化学分析显示,它们的冲击玻璃(冲击试验产生的熔体凝聚物)含有与火星大气层相同的气体组合——与许多火星探测器的结果一致,因此可以认定确实来自火星。

  1996年,NASA研究者戴夫·麦凯(Dave McKay)及其团队宣称,一颗在南极发现的陨石——艾伦丘陵陨石84001(缩写为ALH 84001)——上存在微生物的化石证据。这块陨石是1984年12月27日由美国南极陨石搜寻计划(Antarctic Search for Meteorites,ANSMET)小组在南极洲艾伦丘陵发现的。今天很多人觉得这不大可能,但很久以前,的确有大量的水曾流入火星的河流和海洋,这些液体的矿物质遗迹在火星表面上清晰可见——洪泛平原、冲积盆地,甚至还有很早之前就干涸的U字形河道。早在1877年,意大利天文学家乔凡尼·斯基亚帕雷利(Giovanni Schiaparelli)就通过早期望远镜观察到了火星上的巨大裂谷,并称其为“canali”,在意大利语中是“水道”的意思,不过这个词在翻译成英语时被错误翻译为“canals”,即人工开凿的运河。19世纪末到20世纪初时,美国亚利桑那州的帕西瓦尔·罗威尔(Percival Lowell)认为他观察到了火星上有随季节变化的河流和植被。实际上,这可能是许多探测器在火星峡谷中拍摄到的清晨薄雾。以罗威尔的说法为依据,“泰山”(Tarzan)系列作品的作者埃德加·赖斯·巴勒斯(Edgar Rice Burroughs)在20世纪20到30年代创作了一个怪异的科幻小说系列——《火星公主》(A Princess of Mars),点燃了几代美国青少年的冒险激情。罗威尔看到的是望远镜里的裂纹,而巴勒斯看到的,则是公众轻信火星故事所带来的巨大财富(他曾经为了一位好莱坞女演员而与妻子离婚)。

  后来的NASA探测器获得了令人感到挫败的结果。20世纪60年代的水手号探测器强烈地揭示出,火星稀薄而寒冷的大气层不允许纯液态水的存在,尽管最后一个轨道探测器清晰地拍摄到古代河床和海洋的遗迹。

  2010年,亚利桑那大学一位研究火星轨道探测器所拍摄图像的本科生发现,火星的山脊顶部会间歇性出现深色平行条纹,就像季节性流水一样。这位名为Lujendra Ojha的学生是在高分辨率成像科学设备(high-resolution imaging science experiment,缩写为HiRISE)拍摄的图像中注意到这一奇怪现象的。深色细流在几十个地点都有出现。真是令人兴奋!Ojha将HiRISE的观测结果与火星的矿物地图进行了比较。光谱仪在好几个地方都观测到了水合盐,但只有在深色条纹出现并变宽的情况下。利用轨道探测器的小型勘测成像光谱仪,Ojha和研究团队对这些条纹反射的光线进行分析,检测到其中有痕量的高氯酸钠或高氯酸镁。火星的液态水中含有天然的盐水防冻剂。

很久以前,的确有大量的水曾流入火星的河流和海洋,这些液体的矿物质遗迹在火星表面上清晰可见——洪泛平原、冲积盆地,甚至还有很早之前就干涸的U字形河道。  很久以前,的确有大量的水曾流入火星的河流和海洋,这些液体的矿物质遗迹在火星表面上清晰可见——洪泛平原、冲积盆地,甚至还有很早之前就干涸的U字形河道。
 

  想象一颗有着间歇性水流,气候干燥,同时又具有太阳系中最大型火山的行星,是不是很酷?行星上的大型湖泊含有与北冰洋相当的水量,奔腾的河流注入这些湖泊,大量的沉积物在河口形成了冲积三角洲。这就是早期的火星。再想象一颗充满了硫磺气味,被酸性海洋覆盖,同时大气层充满有毒和高温温室气体的行星,那里既没有氧气,也没有抵挡辐射的臭氧层;彗星不断轰击这颗行星,接着它又撞上另一颗与火星大小差不多的行星,大量的岩石物质被抛到太空,形成一个巨大的卫星——引力足以在行星表面掀起数百米高的潮水。欢迎来到早期的地球。

  出于这样或那样的原因,NASA研究者史蒂芬·班讷(Steven Benner)等人提出,生命起源于火星,并通过喷出物的形式被带到地球。在NASA休斯顿太空中心的图书馆里,班讷从40年前获得的海盗号资料中找到了线索。他的发现带来了“巨大的困惑”。通过对古代微生物DNA的研究,并重新获得它们的基因和蛋白质,班讷希望将地球生命的起源与太阳系中生命的存在联系起来。在一系列论文中,他指出火星具有“温暖的气温和干湿循环”,可以使组成RNA的基础成分以“我们的化学形式”凝聚起来。

  问题在于,以往许多关于火星生命或火星上存在水的说法都是错误的。但是,许多古老的微生物的确也会在地球上一些冰冷、碱性的类似环境中繁衍生息。因此,许多研究者争相前往硫磺洞穴、勘察加半岛上含钼和硼酸盐的温泉,以及黄石国家公园和南极的盐水湖。他们所发现的只有困惑。

  NASA的克里斯·麦凯(Chris McKay)和珀涅罗珀·波士顿(Penelope Boston)就是两位在地球极端环境中搜寻微生物代谢和起源证据的研究者。作为一位前新墨西哥矿业及科技学院教授和两位马戏团训练师的女儿,珀涅罗珀·波士顿一开始是在北极研究微生物,后来将搜寻方向转向了地下深洞穴。来自加利福尼亚州的埃里森·莫瑞(Alison Murray)以在南极洲搜寻极端微生物而闻名。在好奇号火星车之后,突然之间,似乎所有人都对冰层之下的湖泊或平原,或偏僻的洞穴或矿坑中存活的生命起了兴趣。珀涅罗珀·波士顿曾经估计火星上存在微生物生命的可能性约为30%,现在她认为,这一可能性正在不断提高。她指出,如果这些微小的生命形式可以存在于极端恶劣的湖泊、洞穴或矿坑环境中,那火星的亚表面就可能存在微生物生命。

  在美国新墨西哥州的国家洞穴和喀斯特研究所,珀涅罗珀·波士顿一开始担任“洞穴和喀斯特研究项目”的负责人。该项目是为了火星而提出的,她希望借此建立起火星地下环境,并将一系列讨论综合在一起,以说明生命在火星上是很有可能存在的,从而赢得来自NASA的质疑。她取得了很大的成功,以至于NASA在2016年任命她为天体生物学研究所(位于加州的莫菲特场)的主管,为她研究自己所热爱的科学领域提供了便利的条件。

  来自内华达州沙漠研究所的生物化学家埃里森·莫瑞和路易斯安那州立大学的地球物理学家彼得·多兰(Peter Doran)合作对南极洲冰层下的盐水湖进行了研究,以了解那里的微生物,并获取古代气候的信息。他们在南极维达湖(Lake Vida)钻取了冰芯,从中发现了非常多样的古菌和细菌。“它们没有多少活动——大部分时间都在休眠,”莫瑞说道,“但它们就在那里。”盐水层下方的温度有所上升,但冰芯管采集了更深处的冰。

  莫瑞等人的发现使研究者将目光投向了美国西部。加州大学伯克利分校的生物学家吉尔·班菲尔德(Jill Banfield)对科罗拉多河及加州铁山(Iron Mountain)一处废弃矿场里的水体进行了研究。仅在一处存放矿场废料的地点,她就发现了好几个新的细菌门类。关键在于,这些此前不为人知的奇特微生物需要依赖其他生物体的群落才能生存。这一结果帮助解释了为什么只有极少的细菌能在实验室中培养。在科罗拉多河附近一处较浅的含水层中,班菲尔德的团队采用了一种寻找生命的新技术,并发现了数十个新的细菌门类,从而改写了生命树。他们将789种生物划分到35个门,其中28个是新发现的,都属于细菌界。分类的依据是生物体的演化史和它们的16S rRNA基因的相似性;那些至少有75%的编码相同的生物被归为同一门。研究团队在每个季节和每个水层中都发现了差异巨大的共生物种。

  2016年秋季,班菲尔德的团队在科罗拉多河的一个含水层中发现了新的细菌群,使地球上已知细菌群的数量翻了一番。这一来自地下的发现再一次改写了生命树。班菲尔德还对婴儿肠道中的微生物群落进行了研究。她的工作,以及其他研究者对黄石公园、智利的阿塔卡马沙漠、科罗拉多州和加利福尼亚州的废弃矿场,甚至海豚口腔内的微生物研究,都汇总在《自然-微生物学》(Nature Microbiology)期刊发表的“生命树”中;过去15年中,科学家新发现了大约一千个此前未知的物种。班菲尔德的发现带来的另一个惊喜是,新细菌的多样性有将近一半来自一个以往认为只能共生的细菌群。

  紧接着,诺拉·诺夫克(Nora Noffke)又点燃了研究者寻找火星生命的热情。

  在弗吉尼亚州诺福克的炎热夏天里,老道明大学的诺拉·诺夫克对好奇号火星车拍摄的盖尔撞击坑图片展开了研究。她是“微生物诱导沉积结构”(microbially induced sedimentary structures,缩写为MISS)领域的权威,而这一术语正是她的创造,用来描述咸水浅滩中微生物席在岩石上留下的结构。许多人都很熟悉古代微生物遗留物质沉积而成叠层石,但很少有人了解潮汐性微生物席的重要性。在长达30年的职业生涯里,诺夫克走遍了5个大陆,研究并归类了超过12种典型的微生物席形状,有的卷起,有的起皱,还有的呈波状结构。形似土堆的叠层石在澳大利亚、夏威夷和加勒比地区的海边已经成为游客观赏的景观。诺夫克发现,在澳大利亚偏远的内陆地区也存在着微生物诱导沉积结构,而这些结构被视为地球最古老的生命证据之一。

  2014年夏天,NASA邀请诺夫克在一场会议上做了演讲,而该会议的主要目的是为2020年的火星车选择着陆地点。诺夫克发言称,如果早期地球和火星是相似的,那么或许火星上会保存一些微生物诱导的沉积物。与会者中就有加州理工学院的地球化学家肯·法利(Ken Farley),他的团队刚刚发表了一篇论文,描述了好奇号在火星的Sheepbed构造中发现的古老泥土结构——当时好奇号正在前往夏普山(Mount Sharp)22公里的路途中。会议之后,法利给诺夫克发送了图片,并询问了她的想法。在研究了这些拍摄于第126火星日(好奇号位于Sheepbed构造的那一天)的图片之后,诺夫克的心脏剧烈跳动起来。这些图片看着非常眼熟。她了解那种到处都能看到微生物结构的危险倾向,于是她想,“我先提交一篇假设性的文章,看看人们怎么说”。

  2015年1月,当诺夫克发表了一篇指出火星存在微生物生命迹象的论文时,好奇号团队的反应十分强烈。一位科学家称,诺夫克就好像是在看“天空中的云”。他们还建立了一个网站来反驳诺夫克的观点。

  2014年的甲烷爆发也可能只是来自好奇号的污染。不过,甲烷也是古菌等微生物所产生的标志性气体。到了2015年,火星勘测轨道飞行器(Mars Reconnaissance Orbiter)观测到盖尔撞击坑附近斜坡上存在着流动盐水,高氯酸盐的存在使其能在低于冰点的温度下保持液态。

  争议在不断升级。好奇号团队称,诺夫克的地质学认识存在错误。诺夫克回应称:“它现在是一个受侵蚀的山坡,但曾经是一个湖泊,有着完全不同的古环境。他们说那是一条辫状河,这是不准确的。这是一个由缓慢而曲折的河流系统塑造而成的山坡。在地球上,你在这样的地方就能找到微生物席!”

  唯一能解决这一争论的方法是把人送到火星上。最大的问题是携带足够的燃料,使他们能在火星表面起飞并返回地球。出于这一考虑,第一步很可能是先把人送到火星轨道上,正如行星学会(Planetary Society,目前的主席是比尔·奈)所提议的那样。再往前看,NASA正计划最早于2030年代将人类送上火星,欧洲和俄罗斯的火星探测计划“ExoMars”则计划在2020年登陆火星,将选择在一处湖床作为着陆地点。

  更多关于盖尔撞击坑盆地中有古代微生物活动的证据来自俄勒冈大学,地质学家格雷戈里·勒塔拉克(Greg Retallack)指出,该地区土壤中高含量的硫酸盐只能是厌氧细菌在缺氧环境下的产物。在发表于《地质学》(Geology)杂志的文章中,勒塔拉克写道,在好奇号拍摄的图片中看到的一些“水泡结构”,与地球微生物在雨后产生的水泡类似。对诺夫克而言,与大型科学项目打交道的经历和公众对外星生命的迷恋令她深感挫败。她的论文只是一种假说,而不是完整的论证或主张,但好奇号团队的反应让她感到吃惊。不过,好奇号团队接下来要做的,是确定一个新的行程,在相同的季节回到第一次观测到甲烷爆发的地点。这或许表明,最重要的一点是,这项研究已经有了越来越广泛的公众基础,有越来越多人开始关注。

  因此,当欧洲空间局的Schiaparelli探测器在2016年秋天到达火星轨道,准备降落在火星表面时,众多研究者和爱好者都激动不已。2016年10月19日,在轨道母单元的操纵下,Schiaparelli探测器开始向子午线高原(Meridiani Planum)区域降落。探测器的降落伞在12千米高空处弹出,挡热板在7.8千米处打开,一切都按照计划进行。接着,探测器内部出现了一个导航计算错误,1秒钟的误差导致第二个降落伞过早发射,并提早触发制动推进器,使导航认为探测器已经到达地表。最终,Schiaparelli探测器狠狠地撞在火星表面,而碰撞产生的碎片还可以在NASA的火星勘测轨道探测器拍摄的图片上看到。

  试验的结果令人苦涩,但这毕竟只是一次试验。欧洲空间局并没有因此停住脚步,他们将在2020年的第二次ExoMars任务中重返火星。

原文:http://nautil.us/issue/57/communities/life-on-mars-from-viking-to-curiosity

有关虫黄藻

珊瑚和虫黄藻的故事

今天我们要讲一个“在一起”的故事。自然界中充满了这样的故事,比如蝴蝶、蜜蜂等昆虫可以为植物传粉,植物则提供花蜜作为回报;蚜虫吸食植物的汁液,在体内转化为含糖的营养物质,吸引蚂蚁前往吸食,而蚂蚁反过来为蚜虫提供保护,使它们免受其他生物的威胁;海洋中,小丑鱼常常生活在海葵的触手之间,因而又被称为“海葵鱼”,它们获得了海葵毒刺的保护,同时自己消化后的食物残渣又能作为海葵的食物。

所有这些关系都可以称为“互利共生”,即两个物种通过相互作用都能获得利益的模式。虽然几乎所有互利共生关系都要求双方有所付出,但也存在只获取利益而不回报的角色。与人类的交易类似,不同的生物之间也能为彼此提供诸多“产品”和“服务”,这是长期演化的结果。

海洋世界中,互利共生的例子随处可见,特别是在多姿多彩的珊瑚礁生态系统中,上面提到的海葵和小丑鱼便是一例。珊瑚礁主要分布在热带和亚热带的浅海区,依赖温暖、透明度高的海水才能生长。海流虽然能为珊瑚礁提供氧气和营养物质,但总体而言,热带浅水海区的营养盐水平是相当贫瘠的。珊瑚礁生态系统之所以能成为“海洋中的热带雨林”,拥有丰富多样的生物种类,最重要的因素便是底层微生物和充足的阳光。这其中,扮演着最重要角色的便是今天要讲到的主角——虫黄藻。

虫黄藻的发现

在讲述珊瑚与虫黄藻的故事之前,我们先来了解一下虫黄藻是如何被发现的。1881年,科学家勃兰特(Brandt)发现在不同的放射虫、水螅和海葵中共生着一种单细胞藻类,而且大多数呈黄色,因此他建议将其称为“虫黄藻”。一开始,科学家将与旋涡虫和黄侧花海葵共生的硅藻和甲藻都称为虫黄藻,后来,与钵水母、海葵、珊瑚、水螅甚至砗磲外套膜里共生的单细胞藻类都被统称为虫黄藻。

20世纪40年代,日本人川口四郎提出与石珊瑚共生的单细胞藻类是一种裸甲藻。之后,科学家相继在钵水母、黄侧花海葵和另一种海葵中分离出了相同的裸甲藻,并将其命名为小亚德里亚共生藻(Symbiodinium microadriatium)。20世纪80年代以来,无论是对藻类的生物化学、形态学或行为学研究,还是染色体组型、DNA杂交和DNA序列组成的研究都表明,虫黄藻并不是单一的物种,而是包括了许多物种。

与造礁石珊瑚共生的虫黄藻大多数是裸甲藻目共生藻属种类。利用分子生物学工具,还可以将共生藻属再分为9个主要的系群。虫黄藻可以在海水中自由生活,也可以在多种生物体内存在,形成了互利共生的关系。从有孔虫到石珊瑚,从水母、海葵、软体动物,到涡虫、海绵的体内,都可以见到虫黄藻的身影。这种共生关系可以直接由宿主亲代传递给子代,但更多的是宿主从周围环境中获得虫黄藻而形成。

可以说,石珊瑚与虫黄藻之间的共生关系是珊瑚礁生态系统的基础。过去几十年来,人类活动和气候变化给珊瑚礁带来了严重的威胁。了解珊瑚与虫黄藻的共生机制,或许将帮助我们找到阻止珊瑚礁生态系统崩溃的方法。

多彩的珊瑚

第一次见到珊瑚礁的人,往往惊艳于珊瑚的绚丽色彩和复杂形态;但是你在博物馆里经常只能看到苍白的石灰质骨骼标本。海水中那“一棵棵”珊瑚,有的呈树枝状、有的如同平桌、有的形似圆球,实际上是由无数珊瑚虫组成的群体。在珊瑚虫体内,又生活着数量众多的虫黄藻。珊瑚虫在利用带刺细胞的触手捕食浮游动物的同时,还能依靠虫黄藻的光合作用获取能量。

珊瑚虫体内含有荧光色素和非荧光色素,前者最具代表性的便是绿色荧光蛋白,能够将有害的紫外线转化为绿光。夜间用紫色灯照射含有绿色荧光蛋白的珊瑚时,你会看到绿色荧光,就是这个原理。非荧光色素则能够反射一部分强光,从而保护珊瑚虫自身。虫黄藻一般呈褐色、黄绿色或茶色。有时如果光线不足,珊瑚体内的虫黄藻密度会相应增加,以增加光合作用效率,从而使颜色逐渐加深,盖过了珊瑚虫本身的色素。

珊瑚呈现出的多彩颜色,便是自身荧光与虫黄藻颜色共同作用的结果。一些珊瑚也会由于含有某种色素、矿物而呈现出特别的色彩,比如红珊瑚。在虫黄藻色素的衬托下,珊瑚外观会变得更加丰富和迷人。

在热带海区强烈的阳光下,珊瑚的荧光色素还具有防晒的功能,能保护珊瑚虫和虫黄藻免受损伤。科学家还在一些较深水层(如30~100米之间的中光度水层)中发现了能发出较强荧光的珊瑚。考虑到这一深度通常光线微弱,因此研究者推测,它们的荧光色素可能并不是用于防晒,而是能为其体内的虫黄藻带来更多的光线,促进光合作用。

如何“在一起”

珊瑚可以通过吞噬作用来“撷取”周围海水中的虫黄藻。一开始,被吞噬的虫黄藻先在珊瑚虫细胞内形成吞噬小体,再经过一系列过程形成稳定的共生体。

虫黄藻进入珊瑚内胚层细胞后,会被共生膜包裹住。共生膜具有运输各种物质进出细胞的功能,还能进行细胞间信息的传递。借助共生膜,虫黄藻便能获得珊瑚提供的二氧化碳以及含氮、磷等元素的代谢产物,作为光合作用的原料。反过来,珊瑚细胞也能通过共生膜来获得虫黄藻制造的糖类、脂质等光合作用产物。因此,对共生膜的分子组成和功能分析是研究共生机制的重要部分。

科学家还发现一个有趣的现象,那就是虫黄藻鞭毛的变化。虫黄藻属于甲藻,而甲藻又被称为双鞭毛藻。在水中自由活动时,虫黄藻通常有两条能帮助游动的鞭毛,但是当它经过吞噬作用进入珊瑚内胚层细胞后,鞭毛就消失不见了。此时的虫黄藻变成卵圆形且无法移动,在珊瑚虫体内“定居”下来。不过,如果虫黄藻离开宿主珊瑚,鞭毛还会再长出来,又变成典型的“双鞭毛藻”。

共生的学问

进入珊瑚虫体内之后,虫黄藻不仅外形会发生巨大的变化,而且其细胞分裂也受到宿主的调控。共生状态时,虫黄藻被共生膜包裹着,只有5%的个体能够进行细胞分裂,而非共生条件下的虫黄藻个体有50%能进行细胞分裂。由此可以看出,宿主珊瑚能控制体内虫黄藻的生长速率,并且通过排出正在分裂的细胞,来达到控制虫黄藻数量的目的。

珊瑚甚至还能调节藻细胞内的钙调蛋白(一种能与钙离子结合的蛋白质,普遍存在于真核生物细胞中)信号,来控制自身组织中固定碳的释放,通过这种限制营养物质供给的方法控制虫黄藻的数量。在更大的时间尺度上,珊瑚似乎还能在较冷的季节里减少虫黄藻的数量,主要依赖异养的摄食方式;而在温暖时期,它们又会促进虫黄藻数量的增加。

共生关系并不是两个合作者简单的相加,而是会带来新的代谢模式,从而提高双方的生存竞争力。因此,我们应该用整体的眼光来观察共生关系。作为一个整体,珊瑚与虫黄藻之间无论是在新陈代谢、组织结构,还是在酶的活性上,都需要进行一定的修正和调和,从而确保双方获得最佳的生存策略。

珊瑚提供了光合作用所需的无机碳、无机氮和磷酸等原料,而虫黄藻反过来将90%以上的光合作用产物分享给珊瑚,形成非常“甜蜜”的依存关系。此外,珊瑚还会分泌有机黏液,将有机物质分享给珊瑚礁生态系统中的其他成员,许多微生物、无脊椎动物,甚至一些鱼类都会以这些黏液为食。

在虫黄藻进行光合作用的同时,宿主珊瑚需要应对葡萄糖浓度、酸碱度和氧气浓度的显著变化。下午,珊瑚虫体内的气体饱和度可达250%,到了晚上则降到5%以下,珊瑚虫抵抗高氧浓度的策略之一是增加超氧化物歧化酶的活性。虫黄藻的存在还能使宿主的碳酸酐酶活性增加达29倍,并促进特异性膜运输蛋白的表达,从而为共生体提供各种离子。

为了维持良好的共生关系,珊瑚需要生活在清澈的浅水区,但这会面临强烈的阳光辐射。为了防止“晒伤”,虫黄藻会产生能吸收紫外线的化合物类菌孢素氨基酸。

虫黄藻也有“眼睛”

珊瑚礁的色彩来源于珊瑚虫体内的虫黄藻,一项研究显示,虫黄藻还有类似视觉的能力。虫黄藻会排出神秘的晶体状沉积物,其主要成分为尿酸。在昆虫和动物眼睛里的光反射结构中,尿酸是常见的物质。

之前科学家将这种物质误认为是草酸钙,即一种常见于植物体内的物质。在实验中,虫黄藻的晶体丛能强烈地反射光线,表明这可能是一个“具有真正功能的眼睛”。虫黄藻每个藻体内都含有一个光受体分子,可形成所谓的“眼点”结构。在低等生物,如水母和其他藻类中,眼点是一些对光敏感的斑块,具有感知周围环境的功能。

其他种类的甲藻具有4种不同类型的眼点,而虫黄藻的眼点与之都不相同。考虑到与珊瑚共生关系的重要性,虫黄藻可能正是利用眼点来寻找最佳的宿主。反过来,幼年珊瑚虫可能利用某种未知的“吸引机制”来诱导虫黄藻前来定居。

更有意思的是,虫黄藻只有在寻找定居的珊瑚礁时才具有眼点。一旦进入宿主体内,这些单细胞有机体就失去了感光能力。相比之下,在砗磲体内生活的共生藻还一直保留着眼点的结构。科学家推测,这可能是因为砗磲体内的藻类“希望”逃离砗磲的控制,后者“蓄养”这些藻类,并且每天晚上都要吃掉一些。

共生关系的崩溃

当我们肉眼看到珊瑚白化时,珊瑚体内的虫黄藻密度实际已经减少了70%~90%。白化意味着珊瑚得了重病,但还没有死亡。如果白化的时间过长,珊瑚的死亡便不可避免,最终只留下苍白的碳酸钙骨骼。

近一个多世纪以来,人类社会的工业发展燃烧了大量的化石燃料,使地球大气中二氧化碳的浓度不断上升,引发了全球变暖现象,海水温度也呈上升趋势。此外,过高的二氧化碳含量也会导致海水酸化的发生。这些环境变化加上日益严重的海洋污染问题,都可能导致珊瑚面临死亡威胁,许多地方的珊瑚已经出现白化现象,一些珊瑚礁生态系统面临崩溃。

珊瑚白化过程中共生体细胞间的活动非常复杂,目前的研究也非常有限。我们大致可以将白化的过程分为三个阶段:首先是活性氧类的产生;其次是细胞间的信号引发珊瑚白化;最后是虫黄藻离开珊瑚——通过胞吐作用或宿主细胞的分离,以及宿主细胞的凋亡。一些宿主细胞可能会由于抗凋亡蛋白的激活而幸存下来,未来还有重新长出珊瑚组织的机会。

科学家在实验室中证实了许多能导致珊瑚白化的因素,包括极端温度(过冷或过热)、强光照射、长时间黑暗、重金属和病原菌等。有一个假说认为,珊瑚白化实质上是宿主的一种免疫反应。对宿主珊瑚来说,虫黄藻原本是外来的入侵物质,但通过某种机制避开了珊瑚的免疫系统,从而在其体内定居。当虫黄藻受损伤时,会释放活性氧化物和氮化物,从而引发珊瑚的免疫反应,将虫黄藻驱逐出去。不过,这一假说尚未得到证实,究竟是珊瑚驱逐虫黄藻,还是虫黄藻发现环境条件不利生存而主动离开,依然是一个谜。

发表于2016第3期《大自然》

保护濒危动物意义何在?

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如果想拯救世界上所有的濒危物种,可能每年需要耗费数百亿美元,这一事业对于人类又有什么意义呢?

1981年,山地大猩猩的数量达到了最低点。随着偷猎、内战等人类活动日益加剧,山地大猩猩的栖息地不断受到侵蚀,只能局限在非洲中部的一小片山区。据估计,它们当时的数量只有254只,换句话说,它们可以全部坐进一架波音747飞机。

今天,山地大猩猩的情况看起来好了很多。2012年的一份调查报告显示,它们的数量已经达到了880只。这是一个了不起的成就,但其实也就是两架波音747飞机的容量。山地大猩猩依然处于极危(critically endangered)的状态。

在世界的其他地方,我们已经听过太多类似的故事。无论是老虎、熊猫,还是加州神鹫或珊瑚礁,世界各地的野生动物都面临着不同程度的威胁。这些故事一开始会令人感觉很糟糕,但如今大多数人已经麻木。

我们需要担心濒危动物吗?答案是肯定的。如果地球上再也没有可爱的熊猫,那将是一件多么悲伤的事情。不过,这并不意味着人类需要依赖这些动物。此外,比起花数千万或数十亿美元保护动物,解决人类的问题显然更加重要——面对现实吧,人类本身就有一大堆问题要烦。那么,野生动物的保护到底意义何在?

如果只从表面去看这个问题,可以找出许多没必要去保护濒危物种的理由,其中最明显的就是惊人的花费。

据2012年的一份研究估计,如果要保护所有受到威胁的陆地动物,每年将需要耗费760亿美元;而要拯救所有濒危的海洋物种,所需的资金将更为惊人。当许多人还在为饥饿或贫穷挣扎时,为什么要把这么多钱花在野生动物身上呢?

对于某些人来说,保护像狼这样的凶猛动物显得不可思议,这些动物无论对人还是对牲畜都是威胁。当然,我们是希望能够摆脱一些物种,但事情并没有这么简单。

无论如何,物种的灭绝一直在进行着。不仅是单个物种在不断灭绝,地球历史上还发生过五次大规模的灭绝事件,将无数的动物从生物圈中抹去。最近的一次大灭绝发生在6500万年前,恐龙家族从此消失。

如果物种灭绝是一个自然的过程——即使在没有人类的情况下——那我们为什么要中止这一过程呢?

一个答案是,目前物种灭绝的速度比以往要快得多。据近期的一项研究估计,在上个世纪中,物种的灭绝速率增加了将近一百倍,而人类似乎正是主要责任者。不过,拯救濒危物种还有一个更加简单的答案:我们想要去拯救。

自然是美丽的,这种美学价值本身就是保护自然的原因之一,就像我们保护《蒙娜丽莎》或吴哥窟这样的艺术杰作一样。关于这一论点的最大问题在于,对于那些人们 不大喜欢的动植物,这意味着它们注定要灭绝。这些动植物或者丑陋,或者味道难闻,或者就是纯粹的不显眼,如果我们没有发现它们的魅力所在,那它们就会被无情地忽略掉。

更为根本的原因是,这一论点包含了奢侈与特权。对一个西方世界的有钱人来说,想要保护老虎是很容易理解的,因为老虎的外形确实很美;但是,对于一个生活在印度农村的普通人来说,他的家人或许就生活在老虎的威胁之下,这时候谈保护就没有什么意义。

因此,有些人会发现大自然本身的美,并因此投身保护自然的事业。但这还不够。我们需要更为实用的理由来保护濒危物种。

你可能经常会听到这样的说法,即我们应该保护类似热带雨林这样的生态系统,因为其中可能具有许多有用的物质,特别是药物。最常见的说法是“如果一个灭绝的植物物种含有治疗癌症的药物呢?”

通过对自然界的探索,寻找具有商业价值的产品,这种实践被称为“生物探勘”。某些情况下,生物探勘确实会带来一些有用的新东西,但这也包含着许多问题。首先,我们可以有许多寻找新药物的方法,但并不包括穿越数千公里深入丛林,怀着微薄的希望去寻找某种神奇植物。

其次,这里还涉及知识所有权的问题。很多情况下,当地居民已经知道某些植物的药用价值,并拒绝与外来者分享。已经有这方面的合法性官司在进行之中。

此外,与之前所提到的一样,如果只关注那些有潜在药用价值的物种,那其他并没有药用价值的物种该怎么办?山地大猩猩的血液里可不大可能含有某种抗癌成分。因此,这一论点尽管有些说服力,但依然不够。

20世纪90年代,对物种保护问题的认识出现了一个大的跨越,生物学家开始论述动植物的存在本身对人类的益处。这些益处被称为“生态系统服务”,在大多数人的意识中,这些都是理所当然的。

有些生态系统服务显而易见,比如我们所吃的动植物。此外,陆地上的绿色植物以及海洋中进行光合作用的浮游植物,都为我们提供了呼吸的氧气。

除了这些直接可见的部分,生态系统服务有时会显得更为微妙,比如蜜蜂等授粉的昆虫。我们食用的许多农作物都依赖这些昆虫来产生种子。如果没有授粉昆虫,不仅农作物无法生存,依赖粮食的人类也可能走向灭亡。这也是授粉昆虫数量下降引起许多担忧的原因。

要理解人类有多么依赖生态系统服务,可以想象一个人类是唯一物种的世界——可能是远离地球的一艘宇宙飞船。那里没有植物释放氧气,你必须用工程方法自己制取。因此,你要在宇宙飞船上建立一个化学加工厂,这个工厂不仅要能制造氧气,还要能生产水。

你还要考虑吃饭问题。没有粮食,你必须人工制造食物。糖类和脂肪可以化学合成,但要做得好吃就非常困难了。即使到了2015年,我们也无法制造出让大多数人感觉可口的人造汉堡。别忘了我们肠道里面的微生物,其中有许多也是有益的。

熊蜂又称大黄蜂,在植物授粉过程中扮演着重要角色

熊蜂又称大黄蜂,在植物授粉过程中扮演着重要角色

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大自然可以为我们提供很多必要的“服务”

所有地球生命的价值几何?

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人类在不断侵入野生动物的栖息地

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野性大自然令人着迷

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山地大猩猩几乎就在灭绝的边缘

山地大猩猩几乎就在灭绝的边缘

至少在不久的将来,人类依然不会停下建设城市的步伐

至少在不久的将来,人类依然不会停下建设城市的步伐

山地大猩猩的栖息地也是其他许多物种的家园

 

问题的关键在于,即使理论上能够人工制造出氧气、水和食物等必须品,那也是极难实现的。利用现有的野生动植物显然更为容易。如果将所有的生态系统服务加在一起,你会发现其规模格外惊人。

1997年,美国生态学家罗伯特·科斯坦萨(Robert Costanza)及其同事估算了生物圈所提供服务的价值,结果约为一年33万亿美元。相比之下,他们指出当时全球一年的经济总量约为18万亿美元。

五年之后,该团队做了进一步研究,提出了另一个问题:如果我们致力于保护生物多样性的话,会获得多少收益?他们的结论是,这么做的收益可以相当于投入的成本乘以100倍。也就是说,保护自然是一笔非常、非常划算的投资。

相比之下,让物种的数量下降并使其最终灭绝就不那么明智了。2010年的一份研究称,到2050年,不受控制的物种损失将导致全球经济生产量减少18%。你或许会觉得这些关于经济和增长的论调很奇怪,而且显得冷漠无情,丝毫没有任何对大自然的热爱。没错,许多环境保护论者也是这么觉得。

环境保护记者乔治·蒙贝尔特(George Monbiot)就是一位直率的批评家。他争论称,这些估值是不可靠的,那些有权有势者可以根据自己的需要任意地修改账目。如果有人想要在一个重要的动物栖息地内建设道路,那他们只需过高地估算道路的价值,而不理会野生动物的存在。

“森林、鱼类资源、生物多样性、水力循环都被人所有,被那些企业、地主和银行所有,它们的巨大力量是最大的威胁所在”,蒙贝尔特在2013年写道。

蒙贝尔特很可能是对的,这样的估值系统很容易被滥用;而反对意见认为,即使没有这些估值系统,这样的滥用依然会发生。这也是为什么现在许多环境保护组织支持对生态系统进行价值估算的原因。

事实上,生态系统服务的概念有一个好处,即将所有方面都包括在内,这就使之前我们所说的几个论据不足的论点开始能自圆其说了。

就拿“因为自然具有美学价值我们就应该保护”的观点来说,现在我们可以把自然之美带来的愉悦感视为一种生态系统服务。自然为我们提供了美的享受。你或许会问,我们怎么为其标价呢?我们如何客观地衡量美的价值?

显然我们无法给“美的享受”标价,但这并不能阻止我们判断它的价值。在绘画、音乐以及其他形式的艺术领域,我们一直在这么做。如果我们对某种事物进行评价,并准备支付金钱去拥有它,那它就有了价值。如果要对自然进行同样的估值,我们只需要一个能够支付并体验的系统。

一个简单的例子是观赏山地大猩猩的野外旅行,这种方式被称为生态旅游。经营这些旅行项目的人显然很有动力去保护动物的安全。山地大猩猩是他们的经济来源,而且生态旅游的收入远比务农等职业高得多。

当然也会有困难存在。旅游者可能会带来当地较少见的疾病,从而对山地大猩猩造成威胁。过多的旅游者也会干扰山地大猩猩的社会生活。不过,总体而言,生态旅游提供了一种为自然之美付费的方式。

按英国伦敦大学学院保育生物学家乔治娜·梅斯(Georgina Mace)的说法,这种思路也促使我们对野生动植物保育问题的想法发生了根本性转变。

让我们回到20世纪60年代,当时的主要观点是,保护野生动物是为了它们好。梅斯将这种观点称为“为了自然本身”(nature for itself)。到了21世纪初,感谢生态系统服务概念的提出,我们谈论的是“为了人类的自然”(nature for people)。甚至即使你对“野生动植物和栖息地具有无法估量的内在价值”的说法不买账,也可以找到更为实用的理由去拯救它们。你不需要为了增加生态旅游业的价值而去照顾山地大猩猩。

乍看之下,生态系统服务的概念依然会导致一些较有选择性的保育手段。可能会有人说:“让我们保护好那些旅游者会前来观赏的东西,以及那些给庄稼授粉的昆虫,或其他有用的动物就行,剩下的就可以不管了。”然而,还可以有另一种视角。

以山地大猩猩为例。它们居住在森林茂密的山区,如果我们要保护它们,就必须保护它们生活的生态系统。有些事情显而易见,山地大猩猩需要吃植物,因此我们必须 保证有足够的植被。但是,我们还必须保证这片区域不会被无法作为食物的植物覆盖,这反过来意味着要保留其他大部分的动物,因为它们会影响植物群落的变化。

山地大猩猩属于一个更广大的物种网络,因此很难把它们分离出来。这些物种中去掉一个,可能不会有什么严重后果,但也可能会引发连锁反应,改变整个生态系统。除非你穿越到未来把某个物种杀光,否则很难预测出这一物种消失后的影响。

因此,如果我们决定拯救山地大猩猩,我们就必须保护好它们所处的独特栖息地,以及与它们共同生活的大部分物种。

到了这一步,许多人就会开始犹豫。他们会说,付钱去拯救山地大猩猩是一回事,但还要花钱去拯救一片树林、灌木和那么多昆虫吗?也许这些山地大猩猩不能算作很好的投资。

不过,还有更好的理由去保护森林,不仅因为它们支撑了山地大猩猩的生存。

山坡上的树林可以提供很多有用却总被忽视的服务,尤为重要的是,它们能确保稳定的水资源供应。所有人都知道天气变化无常。有时候雨会下很多,可能造成洪水; 有时候雨量又不足,容易导致干旱。这两种现象都很危险。山坡上的树木就能解决这一问题,它们能确保淡水的供应更为稳定。

要使这种机制真正有效,森林需要保持较为稳定的状态。如果有时因为雨量过大就导致树木突然死亡,那就没有任何意义。森林必须要有迅速恢复的能力。

生态学家们已经积累了许多证据,表明拥有的物种越多,生态系统就越稳定,恢复能力也越强;反之,物种越少的生态系统就越容易崩溃。一种微小的、不起眼的虫子可能不会对人类有什么明显的好处,但它很可能支撑着一个生态系统——而这个生态系统会为我们提供服务。

不管能否用经济学的概念来解释,科学告诉我们,生态系统为我们提供了许多不可或缺的东西,而且每个生态系统的多样性越高,它所提供的服务就越好。

因此,为了人类自己——无论是食物和水这样实用的物质需求,抑或是美感的精神需求——我们都应该保护好大自然。

当然,人类社会也是生态系统的一部分。现在的许多环境保护人士称,保护大自然的前提是确定这么做可以给人类带来怎样的好处。任何的环境保护方案都需要公众的支持。

如果不能保护好自然,我们也不可能照顾好自己,因为我们需要向自然索取太多的东西。在特殊情况下,我们可能要二选一,但总的来说我们要同时做好这两方面。

这是一个新的思考方式,我们不再是为了保护而保护,而是要明确地帮助人类。这也不完全是“为了人类的自然”,因为这不仅仅是生态系统能为人类提供直接产品的问题。相反的,我们需要把人类社会和野外的生态系统视为一个无法分割的整体。梅斯将这一理念称为“自然与人类”(nature and people)。

这并不意味着我们要保护每一个物种,即使我们想这么做也无法做到;这也不是要保持一切事物跟原来一样,因为这也不可能。这一理念真正的意义在于,我们要尽可能地保持生态系统的丰富和多样,这不仅有益于大自然,也有益于人类本身。

要保护山地大猩猩,我们就必须保护它们的栖息地

要保护山地大猩猩,我们就必须保护它们的栖息地

授粉动物具有各种各样的形态

授粉动物具有各种各样的形态

与大自然和谐共处是我们的唯一选择

与大自然和谐共处是我们的唯一选择

 

原文链接:

http://www.bbc.com/earth/story/20150715-why-save-an-endangered-species

有关全球变暖

废话少说,送上来自“信息是美丽的” information is beautiful的一张图:

公开发表的网络资料中搜集了大量的信息,将全球变暖理论怀疑者和支持者的理论放在一起加以对比。这倒是个很直观、很有创意的想法:摆事实,讲道理,信哪一边就看你自己了。当然,工作量是非常巨大的。

顺便介绍个网站:

由一些顶尖气候学者们建起来的博客,上面有非常多的气候资料。前面图上的资料大部分也来自这个网站。不过,网站内容比较学术,专业性太强,我胡乱浏览了一下,都不知道怎么用了……