巨型蛤蜊如何利用藻类生长的阳光作为食物来源

2020-01-06 315藻类

巨型蛤蜊如何利用藻类生长的阳光作为食物来源?在极端环境下的进化产生了具有惊人能力和特征的生命形式。在海浪下面,许多生物都在炫耀着自己的彩虹结构,这与科学家们在实验室里所能制造的材料不相上下。

巨型蛤蜊如何利用藻类生长的阳光作为食物来源

宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)和加州大学圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)的一组研究人员现在已经展示了巨型蛤蜊如何利用这些结构来茁壮成长,它们作为极其高效的活温室,以共生藻类为食物来源。

巨型蛤蜊如何利用藻类生长的阳光作为食物来源,这一认识可能会对替代能源研究产生影响,为新型太阳能电池板或生长生物燃料的改良反应堆铺平道路。

这项研究由宾夕法尼亚大学艺术与科学学院物理与天文系助理教授Alison Sweeney和UCSB分子、细胞与发育生物学名誉教授、海洋生物技术中心主任Daniel Morse领导。该研究小组还包括该研究的第一作者Amanda Holt,她是一名博士后研究员,曾在加州大学圣迭戈分校工作,现在在宾夕法尼亚大学,还有美国宇航局艾姆斯研究中心的Sanaz Vahidinia和杜克大学的Yakir Luc Gagnon。

该研究结果发表在《英国皇家学会界面杂志》上。

虹彩结构的真正用途

“许多软体动物,像乌贼、章鱼、蜗牛和墨鱼,”Sweeney说,“都有闪光的结构,但几乎所有的都用它们来伪装或发出交配信号。”我们知道巨型蛤不会做这两件事,所以我们想知道它们用它们做什么。”

虽然这些被称为“虹彩细胞”的虹彩结构的真正用途还不清楚,但研究小组有一个强有力的假设。像邻近的珊瑚一样,巨型蛤蜊是共生藻类的家园,这些藻类生长在它们的肉里。这些藻类将蛤蜊赤道附近丰富的阳光转化为营养来源,但在热带珊瑚礁的强烈阳光下,它们的效率不是特别高;在这些蛤蜊生活的纬度,阳光是如此强烈,以至于可以破坏藻类的光合作用,自相矛盾的是,降低了它们产生能量的能力。

研究假设

研究小组成员开始他们的研究假设,这些蛤的虹彩细胞被用来最大化地利用到达它们体内藻类的光线。他们最初被这些彩虹结构和单细胞植物之间的关系搞糊涂了,直到他们意识到他们对自己的几何结构有一个不完整的认识。当他们对蛤蜊进行更精确的横断面测量时,他们发现这些藻类被组织成柱状,顶部有一层虹彩细胞。

“当我们看到完整的图片时,我们明白了,如果你想捕捉阳光,柱子的方向是完全错误的,”Sweeney说。“这就是虹膜细胞发挥作用的地方。”

这个团队依靠Amanda Holt和Sanaz Vahidinia来精确模拟光线通过虹膜细胞后发生的变化;这些细胞内部的紊乱程度与NASA的Vahidinia研究的结构相似:土星环的尘埃。

他们的分析表明,虹彩细胞会散射许多波长的光,呈锥形分布,指向河蚌深处。红色和蓝色的波长对藻类最有用,传播范围最广,影响了单细胞植物堆积的柱子的侧面。

为了测试这个模型,研究小组构建了具有单个藻类大小的球形尖端的光纤探头。这个球形探针穿过一片蛤蜊肉,旁边是原生藻类,它能够探测到由虹彩细胞散射的有角度的光,而一个只能探测到直射光的扁头探针,什么也探测不到。

Sweeney说:“我们发现,在蛤组织的任何垂直位置,光都是以最快的速度进入,而这些藻类可以最有效地利用光子。”“整个系统都是按比例放大的,所以藻类吸收光线的速度正好是它们最开心的时候。”

Morse说:“这为由数百万共生藻类组成的垂直支柱提供了柔和、均匀的照明,这些藻类通过光合作用为动物宿主提供营养。”“阳光的深层渗透的综合效应,达到更多的藻类生长密集三维体积的组织——“降压”减少光强度——阻止光合作用的抑制过度照射,使主机能够支持一个更大的人口比没有反光细胞活性藻类生产粮食。”

研究意义

模仿蛤蜊的虹膜细胞和藻柱中的微米级结构,可能会带来提高光伏电池效率的新方法,而不必在纳米尺度上精确地设计结构。其他替代能源策略可能会以更直接的方式吸取蛤蜊的教训:目前的生物反应器效率低下,因为它们必须不断搅动藻类,让它们在生长过程中暴露在阳光下,并占据越来越多的空间。在蛤类中采用虹彩系和藻柱的几何结构将是绕过这个问题的一种方法。

Sweeney说:“当涉及到效率的时候,蛤蜊必须让每一平方英寸都有价值。”“同样地,当涉及到表面积时,我们所有的替代方案都非常昂贵,所以用进化的方式来解决这个问题是有意义的。”

引用

University of Pennsylvania. "How giant clams harness the sun by growing algae as a source of food." ScienceDaily. ScienceDaily, 2 October 2014.
www.sciencedaily.com/releases/2014/10/141002123728.htm.

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