本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
真菌是如何知道哪個方向是向上的呢？對於一類真菌來說，它們的方式與人類相同：構建一些大的晶體，讓它們在重力作用下下沉，然後感知它們落在容器的哪個部分。現在你就知道哪個方向是地球，哪個方向是天空了。
非凡之處在於，植物、動物和真菌這三大王國中的成員似乎都獨立地找到了相同的解決方案。而且，就毛黴目真菌而言，它們似乎是從另一個王國——細菌——那裡竊取了部分零件來構建它們的系統，而這些零件在細菌中根本不是用於這個目的的。
被盜的蛋白質是 OCTIN——八面體晶體基質蛋白——在細菌內形成短鏈。它在周質中完成此操作，周質是它們內膜和外膜之間的凝膠填充空間（在革蘭氏陰性細菌中，這裡也存在一層薄的細胞壁）。細菌用 OCTIN 做什麼——如果有的話——仍然是個謎。
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但是，根據計算出的細菌 OCTIN 的大小、重量和密度；它所處的周質液體的密度和粘度；以及它所處的狹小空間，一項新研究的作者在《PLoS Biology》雜誌上寫道，細菌似乎不太可能使用它來感知重力。布朗運動——液體中分子的隨機運動——在這個尺度上主導著重力的影響，他們發現。即使不是這樣，周質中也沒有空間讓 OCTIN 在重力作用下移動。最後，為什麼大多數細菌甚至會關心感知重力呢？
另一方面，植物和真菌會製造大型、昂貴的結構——莖、葉、蘑菇和孢子囊——這些結構只有在相對於地核正確定向時才能正常工作。植物和真菌利用它們的重力感測器向這些結構中的細胞傳送“朝這個方向生長”的訊號，以確保正確的位置（我之前在這裡寫過關於植物重力感應的文章 here）。
植物為此目的使用大型澱粉顆粒，而人類和其他脊椎動物（它們關心哪個方向向上有非常不同的原因）使用稱為耳石的碳酸鈣晶體。目前還沒有人確切知道蘑菇真菌是如何做到這一點的，但另一組被稱為毛黴目的真菌——包括常見的麵包黴匍枝根黴——在其巨大的單細胞孢子形成莖中感知重力。
該組中經過充分研究的成員——布氏犁頭黴——在稱為液泡的囊泡內使用大量的八面體 OCTIN 晶體和浮力脂肪球來判斷哪個方向向上。但這種 OCTIN 有些可疑。
布氏犁頭黴孢子囊的生長顯示在左上方；左上方的星號表示蛋白質晶體出現的區域。含有並感知它們的液泡中的 OCTIN 晶體顯示在左下方，右側顯示單個晶體的特寫鏡頭。圖片來源：Nguyen 等人，2018 年
科學家們比較了真菌 OCTIN 和細菌 OCTIN 的 DNA 序列，並認為它們可能具有共同的起源，而該起源是革蘭氏陰性細菌。由於在其他毛黴目真菌中也觀察到了類似的重力感應結構，因此整個真菌組可能在進化的早期就從細菌中獲得了 OCTIN。是的，這“不應該”發生。我們稍後會回到這一點。
因為真菌 OCTIN 還有另一個令人頭痛的方面，如果它的起源確實是細菌。布氏犁頭黴內部的 OCTIN 晶體非常巨大——大約 5 微米寬——它們比許多整個細菌都大。可能被盜取 OCTIN 的細菌的直徑為 0.3 到 0.8 微米。因此，這種蛋白質的真菌版本聚合物大約是其來源細菌的10 倍大。毛黴目真菌內部的 OCTIN 發生了一些非常瘋狂的事情。
細菌和真菌的 OCTIN 都使用二硫鍵連線成鏈，這表明真菌確實保留了細菌使用的組裝機制。形成這些短鏈的能力可能使其成為未來重力感測器的良好候選者，因為製造長鏈而不是短鏈可能不是一個困難的飛躍。但是，真菌透過某種方式催化了巨大的蛋白質晶體的製造，建立了檢測這些晶體對重力反應的感應裝置，並處理 OCTIN 蛋白質或完全組裝的 OCTIN 晶體，以便它們從其製造場所傳遞到該感測器。這是一項精巧的工作。
那麼，OCTIN 最初是如何進入真菌的呢？生物學家逐漸認識到，一定程度的基因交換在地球上是司空見慣的，即使在遠緣生物之間也是如此。這種現象被稱為水平基因轉移，並且像微生物群和表觀遺傳學的發現一樣，它已經顛覆了傳統的孟德爾遺傳學和遺傳。這並不是說我們的大多數基因不是從我們的父母那裡遺傳的，也不是說這些基因不是決定我們是什麼的最重要的因素。只是事實證明，存在相當多的星號。跨域基因盜竊是一個很大的星號。
它是如何工作的？在細菌中，外來基因可能會透過隨機攝取環境中漂浮的裸 DNA 進入新的宿主（細菌對它們 DNA 的神聖性持相對放任的態度）；透過在先前宿主中拾取並將它們沉積到新宿主基因組中的掠奪性病毒；或者透過細菌性行為，也稱為接合。
真核生物——地球上所有大型生命以及許多含有細胞核的小型生命——也可以使用前兩種方法。或者，當它們進食時，它們的一些獵物的 DNA 可能會逃脫消化，並透過插入捕食者的基因組中來獲得拯救。可能還有其他方法。
為什麼早期的毛黴目真菌會保留最初看起來毫無用處的新蛋白質呢？可能是維持它的成本非常低，因此沒有強烈的選擇來反對它，這種想法稱為中性選擇。或者，它可能在細菌和真菌中都執行某種其他有價值的酶促活動——酶促進重要的化學反應——這尚未顯而易見。
儘管如此，這種特殊的水平基因轉移例項令人驚訝。通常，水平基因轉移是一個直接的過程，其中一個生物從另一個生物那裡竊取一個有用的基因，然後幾乎用於相同的目的。常見的機會目標包括抗生素抗性基因、促進毒力的因子、有用的酶以及幫助其所有者忍受極端環境的蛋白質。這個例子似乎表明還有其他可能性：被盜的基因可以用來構建真正創新的東西。如果是這樣，它與進化如何透過通常的方法（來自父母）獲得的基因來運作沒有什麼不同。
參考文獻
Nguyen TA, Greig J, Khan A, Goh C, Jedd G (2018) 透過水平基因轉移和高階蛋白質組裝在重力感應中的進化新穎性。PLoS Biol 16(4): e2004920。