鼠鼠我啊，都能自己光合作用啦……｜一周趣科学vol.40

仓鼠细胞能利用叶绿体制造养料

自从小学学习了自然开始，课代表就一直有一个想法：“植物利用叶绿体进行光合作用合成养料，然后动物再吃植物里的养料，那动物为什么不直接长出叶绿体呢？这样只需要晒太阳就可以了，也省得吃饭了。”

课代表进一步学习了生物之后发现，确实有一些体内含有叶绿体的动物，例如眼虫，有得吃就吃，没得吃就自己晒太阳造吃的，可以自由切换。

然而眼虫毕竟是单细胞生物，人们一直没有发现多细胞动物也能利用叶绿体合成养料。学界认为，叶绿体根本不可能在多细胞动物中工作，这就像给猫头鹰移植一颗猫头一样完全没可能实现。

然而，日本的一项新研究表明，将藻类中的叶绿体植入仓鼠细胞后，叶绿体没有立即死掉，仓鼠细胞也没有死掉，反而是利用这些叶绿体进行了光合作用。

论文的作者为日本东京大学的松永幸弘，他的研究团队将藻类叶绿体移植入仓鼠细胞后，本以为在数小时之内就会发生叶绿体被细胞消化的现象，然而这些叶绿体在仓鼠细胞中存活了至少两天。

研究人员通过共聚焦显微镜、超分辨率显微镜和电子显微镜等多种成像技术检查了细胞内叶绿体的结构，确认了仓鼠细胞并没有像预想的那样主动“进攻”这些叶绿体。

那么，这些在仓鼠细胞体内的叶绿体，是还有生物活性，还是已经变成了没有功能的“僵尸”呢？研究人员利用光脉冲测量，确认了叶绿体中仍然有电子传递现象。

电子传递是光合作用中的一个重要步骤，这一现象的确认表明，这些被移植在仓鼠体内的叶绿体仍然在进行光合作用。

最后，团队比较了被植入叶绿体和没有植入叶绿体的仓鼠细胞，发现两天之后，植入叶绿体的细胞要长得更大一些。这也直接证明了叶绿体的光合作用确实制造了养料，这些养料使细胞能够生长得更快。

该团队正在继续研究如何让叶绿体在动物细胞里活得更久，以便创造“平面动物”细胞，为动物提供植物的有益特性。

植入叶绿体（红色）的仓鼠细胞

（图片来源：参考文献）

课代表总结：大半夜饿了，打开灯在床上躺了一会，就饱了。

参考文献：

Ryota AOKI, Yayoi INUI, Yoji OKABE, Mayuko SATO, Noriko TAKEDA-KAMIYA, Kiminori TOYOOKA, Koki SAWADA, Hayato MORITA, Baptiste GENOT, Shinichiro MARUYAMA, Tatsuya TOMO, Kintake SONOIKE, Sachihiro MATSUNAGA, Incorporation of photosynthetically active algal chloroplasts in cultured mammalian cells towards photosynthesis in animals, Proceedings of the Japan Academy, Series B, Article ID pjab.100.035, https://doi.org/10.2183/pjab.100.035

互换肝脏活体捐献拯救更多肝衰竭患者

美国梅奥诊所（Mayo clinic）的外科医生最近完成了首例互换活体肝脏捐赠，这是扩大肝衰竭患者救命移植选择的重要里程碑。

肝移植是大多数晚期肝病患者的唯一治疗选择。但遗憾的是，没有足够的捐赠肝脏供所有需要的人使用。这就是活体肝脏捐赠如此重要的原因。

在全世界，有大约上千万人等待肝脏移植，但是大多数移植的供体都来自遗体捐赠，所以大多数人会在等待移植的过程中死去。

但是，肝脏活体捐献在理论上要比肾脏活体捐献更容易，因为肝脏有很强的再生能力，即便捐出一半肝脏，也可以在一个月内自我再生。

所以，捐掉一个肾会使人的生活质量下降很多，但是捐献肝脏大概率不会造成终生负担。

但是，与捐献造血干细胞不同的是，捐献肝脏确实是一项大手术，所以人们不会轻易尝试向陌生人捐献肝脏。

人们想要为自己的亲人和朋友捐献肝脏，却很难配型成功；另一方面，又有许多病人需要肝脏移植。

于是，梅奥诊所开启了一项互换活体肝脏捐赠计划，这项计划的工作模式是：假设A是需要肝脏移植的病人，他的家人a想要给他捐献肝脏，但配型失败；另一方面，B也是需要肝移植的病人，但他的家人b也与他配型失败。

如果a能与B配型成功，b能与A配型成功，那么诊所将帮助他们签订协议，双方进行互换肝移植，也就是a本来想捐献给A，但最终他的肝脏被移植给B；另一面，b的肝脏则被移植给A。

于是双方都捐献了肝脏，也都获得了移植，这样一来就避免了家人之间配型不成功，但人们又不肯移植给陌生人的问题。

有读者问了，怎么可能两组病人之间这么巧地互相配对成功呢？其实只要登记参与的捐献者和病人足够多，就可以形成a移植给B，b移植给C，c移植给D……最后z移植给A的“肝脏链”。

来自美国明尼苏达州的Michael Broeker 就开启了这样一条肝脏链，他愿意将自己的肝脏移植给一位陌生人，而这位陌生人的家属则签字同意在配型成功时，向别的病人捐献肝脏。

配对肝移植手术于8月进行，捐献者和接受者都恢复良好。

图2 梅奥诊所的外科医生正在启动美国首条“肝脏链” 

（图片来源：梅奥诊所）

课代表总结：致敬伟大的利他主义者！

换个角度，观察水分子中的氢键

水分子很简单，只有一个氧原子连着两个氢原子。氧原子会长期霸占氢原子的电子，从而带负电荷，而被霸占了电子的氢原子就带正电荷。

于是，水中就存在着大量的正电和负电，所以水分子会紧密地吸在一起，这种吸引力被称为氢键。

我们常说水是生命之源，但其实这些氢键才是关键所在。这些微小的相互作用决定了水的独特性质。

水的表面张力、水优良的溶解性、冰比水轻、水能够储存大量的热等性质，都与氢键有关。但是，水分子在形成氢键时的行为非常难以观测。

一般而言，想要研究分子的行为，现行的方法是测量由分子振动引起的激光散射，但并不是所有水分子都在参与氢键形成。这有点像在吵闹的人群中试图听到某一个人的声音。

因此，迄今为止，人们仅通过理论模拟才能理解此类分子互作网络现象。

在瑞士洛桑联邦理工学院工作的Roke博士团队引入了一种称为相关振动光谱 (CVS) 的技术。他们采用了一个巧妙的办法：改变探测器的角度。

以往，实验会将光谱探测器与入射激光束呈90度角放置。但研究者发现，只需改变探测器位置，使用某些偏振光组合记录光谱，就可以仅探测参与了氢键的分子。

通过这种方式，可以为非相互作用分子和相互作用分子分别创建单独的光谱。

研究团队尝试向溶液中添加额外的氢离子或者氢氧根离子，通过改变氢键形成时水溶液的环境来探索分子在形成氢键时的行为变化。

结果表明，增加氢氧根离子会向水分子形成的氢键网络中提供8%的额外电荷，而氢离子则会吸走氢键网络中4%的电荷，首次实现了氢键网络的精确测量。

许多生物过程都依赖于这些相互作用。例如，DNA的结构和蛋白质的行为都受到氢键的影响。因此，直接量化氢键强度是一种强大的方法，可用于阐明任何溶液的分子水平细节，例如含有电解质、糖、氨基酸、DNA或蛋白质的溶液。

图3 CVS技术可以区分水分子是否参与了氢键 

（图片来源：https://phys.org/）

课代表总结：创新机会总是留给能换个角度看问题的人。

人工脂质自发聚集成原始细胞膜结构

生命是从地球的原始成分中诞生的。生命之所以能成为生命，是因为它能够利用某种物质形成分界膜，从而将自己和环境区隔开，让有用的物质留在体内，而不是随波逐流。

现今我们知道，所有的生物细胞都是用脂类来制作细胞膜的，这些膜围住细胞，提供保护，控制物质和信息的进出。

那么，生命是如何学会用脂类做自己的结界的呢？

《自然·化学》杂志今日发表的一项研究提供了一种新方法，来解释短脂质如何产生第一批细胞膜，为理解原始细胞的出现开辟了一条新途径。

现今的细胞在构建细胞膜时，用的都是磷脂分子，但磷脂分子又大又复杂，在早期的地球上根本不可能存在。

实验室模拟表明，在早期地球形成生命的阶段，含有10个或更多碳原子的脂肪酸是很罕见的。但是，实验又表明，短于10个碳原子的脂肪酸分子是很难形成膜的。

为了解决这个悖论，美国加州大学圣地亚哥分校的Niel Devaraj认为，也许可以通过添加其他物质的办法能让短链脂肪酸形成膜。

那么，在当时的地球上，还有哪些物质可能存在呢？名单上的物质种类并不多。

经过多次尝试之后，研究人员发现，一种名为半胱氨酸的氨基酸能够与两条含有8个碳原子的脂肪酸结合，从而形成一个具有两条脂肪酸尾巴的分子，而这种分子是能够自我组装成膜的。

它们不光能组装成膜，还能组装成小球，外观与细胞无异，只是没有像细胞一样的内容物。

更重要的是，这些双尾脂肪分子能够通过尾巴之间的互相作用而形成双层分子，这与如今细胞中磷脂双分子层的结构是完全一样的。

也就是说，这次实验中制作的脂肪小球，怎么看怎么像一个细胞。不但外观相似，它们还能在特定的钙离子和镁离子浓度下维持稳定，这些离子是RNA发挥功能的关键，RNA也是在生命起源早期非常重要的分子。

研究者表示，为了确定这些脂质是否能与细胞膜相媲美，还需要确定它们是否能够分裂、生长，甚至进行代谢反应。如果他们能在这些东西内部进行代谢循环，这将是一项更令人印象深刻的成就。

图4 实验中制作的脂质小泡，看起来特别像细胞 

（图片来源：Neal K. Devaraj）

课代表总结：题外话，Nature网站崩溃了，课代表被迫在Science网站上看Nature有什么新鲜事……

癌症发病率最高的生物，居然不是人类

尽管癌症无处不在，人们也对它进行了大量的研究，但癌症在某种程度上仍然是一个谜。为什么有些动物的癌症发病率高于其他动物？

大型动物由于细胞数量众多，在统计学上比小型动物更容易出现和积累导致癌症的基因突变，也就是所谓“香蕉大，香蕉皮也大”的原理。但事实上它们并没有患上癌症。

一些大型动物，包括鲸鱼和大象，患癌症的几率比同等体型和细胞数量的动物要低得多。这就是皮托悖论的核心问题。

美国加州大学圣巴巴拉分校人类学家Amy Boddy和她的同事正在努力深入了解这一癌症谜团。

经过十年的努力，他们完成了292种脊椎动物（包括两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物）癌症患病率的汇编。

这项对癌症患病率的广泛研究是同类研究中规模最大的一项，它可以让研究人员有机会找到具有卓越抗癌能力的物种。

调查发现，最不可能患上癌症的物种是江豚和南非企鹅。而最有可能患上癌症的物种是雪貂和负鼠。这些都是最极端的情况。

研究者称，有一件事变得非常清楚，那就是所有动物都会得癌症，这是多细胞生物的特点。

多细胞为生命的复杂性打开了大门，不同类型的细胞共存并相互交流。但这种复杂性也带来了一些脆弱性，即基因突变，这些突变累积起来会导致不受控制的组织生长，这是癌症的标志。

数据表明，妊娠期较长的动物患癌症的几率较低。研究人员推测，妊娠期较长的脊椎动物也会投入更多资源来避免突变。因为体型更大、寿命更长的物种必须找到抗癌的办法，才能长得更大、活得更长。从进化的角度来看，这并不是什么悖论。

这一推测已经有一些研究佐证。例如，人体中有一个名为P53的基因，它能抑制癌症，许多癌症患者体内都发现了P53基因突变失效。

与人类形成对比的是，大象体内的P53基因足足有20份，即便其中一个发生了突变，还有其它副本可以正常工作，从而抑制癌症。

团队的下一步是研究不同物种的特定癌症类型。毕竟，每一类癌症都是一种不同的疾病。他们将观察灵长类家族的其他成员是否会患上与人类相同类型的癌症。

图5 雪貂（左）患癌概率最高，而南非企鹅（右）癌症发病率最低 （图片来源：ucsb.edu）

课代表总结：是不是很多寿命短的动物还没来得及活到得癌症的年纪就死了？

参考文献：

Zachary T. Compton, Walker Mellon, Valerie K. Harris, Shawn Rupp, Diego Mallo, Stefania E. Kapsetaki, Mallory Wilmot, Ryan Kennington, Kathleen Noble, Cristina Baciu, Lucia N. Ramirez, Ashley Peraza, Brian Martins, Sushil Sudhakar, Selin Aksoy, Gabriela Furukawa, Orsolya Vincze, Mathieu Giraudeau, Elizabeth G. Duke, Simon Spiro, Edmund Flach, Hannah Davidson, Christopher I. Li, Ashley Zehnder, Trevor A. Graham, Brigid V. Troan, Tara M. Harrison, Marc Tollis, Joshua D. Schiffman, C. Athena Aktipis, Lisa M. Abegglen, Carlo C. Maley, Amy M. Boddy. Cancer Prevalence across Vertebrates. Cancer Discovery, 2024; OF1 DOI: 10.1158/2159-8290.CD-24-0573