海洋微生物利用精密的亞細胞武器進行火力交換

本文發表在《大眾科學》的前部落格網路中，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點

事實證明，浮游生物不僅僅是漂浮的快樂餐點。這些海洋微生物實際上是全副武裝且危險的，它們配備了能夠發射細絲或粘液的武器，以擊退其進化軍備競賽式海軍戰役中的敵人的槍炮。

這是有充分理由的：我們瞭解到，它們的微生物捕食者的槍炮數量眾多、令人恐懼，而且比我們想象的更加複雜。

觀察一下：微觀的野生王國。

關於支援科學新聞報道

如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。

在下方，白色箭頭旁邊，您可以看到獵物為了應對攻擊而發射的彈道防禦毛髮。

來自加拿大、日本和德國的科學家決定更仔細地研究其中的一些武器。他們檢查了被稱為甲藻的捕食性海洋微生物的彈道槍炮，即您剛剛看到的那些，部分原因是它們與珊瑚和水母等刺痛動物體內的槍炮驚人地相似。

他們對自己的發現感到震驚，並於去年三月將其發表在《科學進展》雜誌上。微生物的版本在複雜性上超過了動物的版本，並且似乎是獨立發明的。最重要的是，甲藻似乎在理查德·加特林之前數千年就偶然發現了加特林機槍——或者非常相似的東西。

甲藻是原生生物，是含有DNA包裝的細胞核和其他專門細胞機制的微觀生命形式。它們有時雕刻精美的外殼帶有兩條推進尾巴，並且通常具有某種朋克美學。許多甲藻透過光合作用製造自己的食物。其他甲藻則捕食其他微生物，還有一些透過兩者兼顧來對沖風險。原生生物必須做原生生物必須做的事情。

在這項研究中，科學家選擇專注於甲藻多甲藻（Polykrikos），這是您在影片中看到的那個漫不經心地拖著獵物去吃飯的生物。它雕刻精美的外殼看起來像一卷精心擠出的糖霜。

在捲曲的褶皺中，隱藏著稱為刺細胞的細胞器。這些帶蓋的魚雷管包含一根針尖的電纜，當腔室被觸控觸發時，它會爆炸性地刺穿獵物。

起初，科學家懷疑在甲藻中發現的刺細胞是從刺胞動物（水母所屬的動物超科）的共同祖先首次創造的武器進化而來的。但實際上，甲藻和刺胞動物的親緣關係非常遙遠。因此，這似乎不太可能。

另一方面，一些光合作用的甲藻與另一種刺胞動物珊瑚的珊瑚蟲共生。這種親密的身體接觸可能為刺細胞的捐贈提供了必要的氛圍。

他們決定仔細觀察一下。

當他們仔細檢查參與構建和發射刺細胞的蛋白質時，他們發現甲藻和刺胞動物中的刺細胞並沒有密切的親緣關係（儘管水母中產生刺細胞推進劑的蛋白質似乎是從細菌“借用”來的）。刺胞動物刺細胞中的大多數基因似乎是在動物出現後獨立進化的。

同樣，構建甲藻刺細胞的蛋白質與構建其他捕食性海洋微生物（如纖毛蟲或

隱藻）中類似武器的蛋白質沒有任何相似之處。如果是這種情況，那麼甲藻和所有其他刺細胞之間的驚人相似性純粹是一個巨大的巧合——而且是趨同進化這種極其普遍現象的又一個例子。相似的進化壓力似乎在這個星球上一次又一次地產生相同的解決方案。

接下來，他們決定比較裝置本身。他們使用離子束掃描電子顯微鏡來構建多甲藻kofoidii的三維影像。

他們發現了細微但卻很重要的差異。每個刺細胞都連線到一個名為類囊體（taeniocyst）的細長細胞器，這在刺胞動物的刺細胞中沒有發現。您可以在上面的電子顯微照片中看到它從甲藻中伸出來，並且在這裡，在細胞器被解剖後位於頂部。

多甲藻的刺細胞上的蓋子覆蓋了一個複雜的、三環結構，這在刺胞動物中沒有發現，科學家們將其稱為“噴嘴”。噴嘴位於囊泡的一個子隔室中，儘管它被蓋子覆蓋，但本身沒有開口。

在發射時，刺細胞中盤繞的長管頂端的針狀物會刺穿囊泡，彈出蓋子，然後——如果一切按計劃進行——刺穿帶有護甲的獵物。

刺胞動物的刺細胞不需要刺穿就會破裂。它們的蓋子只是彈出。

令科學家們驚訝的是，與他們的預期相反，這根特殊的電纜並沒有進行拖曳。它在部署後很快就會溶解。相反，它的功能似乎像箭頭或子彈一樣刺傷獵物。理想情況下，這會導致出血，或者可能是致命的海水湧入，從而使獵物喪失行動能力並受到致命的傷害。一個單獨的系統——我認為，奇怪地位於甲藻的另一側——發射拖曳電纜。

雪茄狀的類囊體提出了一個更大的謎團。它在刺細胞之前接觸獵物，並像阿波羅火箭的最後階段一樣位於刺細胞的頂部，透過一個新發現的“聯結器”細胞器與它連線。

根據該團隊錄製的影片，類囊體本身似乎是一種彈道細胞器，會爆炸性地發射……某種東西。

科學家們提出，類囊體是三部分攻擊的第一階段。

在與獵物接觸時，類囊體發射某種粘附在目標上的物質。然後，刺細胞發射，刺傷受害者，最後發射拖曳電纜，使捕食者可以方便地拖走戰利品進行食用。

為了試圖瞭解這種系統是如何進化的，科學家們決定檢查另一種甲藻，這種甲藻的武器已知大不相同——甚至更加複雜。

網甲藻（Nematodinium）沒有盤繞的彈道管或類囊體。相反，它擁有一個環形排列的槍支，這種槍支與多甲藻所擁有的槍支截然不同，以至於有人質疑它們是否具有相同的進化起源。“……每個刺細胞，”作者寫道，“本質上是一束較小的彈道細胞器。”

這項特殊的工程壯舉讓人想起美國內戰的眾多創新致命發明之一：加特林機槍。

旋轉槍的設計是為了透過在發射之間給槍管時間冷卻來加快射速。

然而，在網甲藻手中，這種設計的功能不同。刺細胞的商業端不是蓋子覆蓋，而是被科學家們描述為“優雅的玫瑰花環”（見上圖）所覆蓋。它不是一個噴嘴，而是包含一個位於每個子囊泡頂部的噴嘴環——但話又說回來，只有一個刺穿針狀物，就像在多甲藻中一樣。底部是一個包含11-15個子囊泡槍管的環。

一旦發射，子囊泡會擠出（或者僅僅是）某種粘液狀物質，其長度是以前的兩倍。網甲藻的刺細胞似乎並沒有像加特林機槍那樣真正地旋轉著發射，一次只有一個槍管處於活動狀態。

甲藻的刺細胞是如何發射的？它們不使用刺胞動物使用的相同化學推進劑。我們知道這一點。它們可能擁有我們尚未發現的自己的推進劑。然而，它們的解剖結構提出了另一個有趣的可能性。多甲藻和網甲藻的囊泡都有帶槽的壁。科學家們認為，囊泡壁可能含有收縮纖維。當被啟用時，它們會沿著凹槽使囊泡塌陷，使其增壓。

這方面存在一些證據。在顯微鏡下觀察到的刺細胞中，脊的間隔為兩個不同的間隔。較遠的間隔可能是未發射狀態，而另一個是已發射狀態。

科學家們說，由於這兩種生物都屬於同一個甲藻類群，這進一步表明，儘管多甲藻和網甲藻的火炮在物理形態上存在差異，但它們實際上是從一個共同的祖先進化而來的。

這是一個假設的場景

囊泡中的脊也是刺胞動物製造的刺細胞和甲藻製造的刺細胞之間的另一個差異，總結如下，以供那些感興趣的人參考

這種微生物武器庫的複雜性暗示了海洋微生物之間進化軍備競賽的致命嚴肅性。諸如穿殼針狀物、毒素注射小管和爆炸性推進系統等如此複雜且昂貴的工程很可能是一種反應，科學家們假設，這是對獵物進化的裝甲和防禦彈道學的反應。在之前的一項研究中，這些科學家在野生捕獲的網甲藻體內發現了獵物甲藻——以及它們自己發射的但顯然是徒勞的防禦武器。

實際上，這些戰鬥一定在持續發生。海洋中高達 60% 的“初級生產力”——我認為主要是海洋藻類產生的生物量——被纖毛蟲和甲藻消耗掉了。而不是藍鯨。

生命顯然已經創造出許多許多種方法來構建這些複雜的武器。在廣闊的液態自由混戰的海洋中，攻擊和防禦的壓力一定非常大。這裡比任何其他棲息地都更像是狂野西部。你絕不會在正午時分，不帶槍就敢踏上大街。

參考文獻

Gregory S. Gavelis et al. 微生物軍備競賽：鞭毛藻中的彈道“刺絲囊”代表了細胞器複雜性的新極端。Science Advances, 2017 DOI: 10.1126/sciadv.1602552