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1970年代末,美國西北部蒙大拿州,有一個小孩叫托比·斯普利比勒。他家里很窮,沒有房子,全家就住在一個停在停車場的房車里。父母信奉原教旨主義基督教,認為《圣經》上每一個字都是真實準確的。學校教育會說《圣經》有錯誤,所以小托比的父母就沒有讓他去學校上學,而是在家里自己教他。

少年時,小托比就愛上了科學,但是沒有辦法接受正規教育。到1995年,托比19歲了,就去打工了,沒有上大學。打了幾年工以后,他攢了一點錢,還是想上大學,但是美國的大學要求提供高中成績單,而且學費很高。托比根本沒有讀過高中,哪來的成績單?手頭的錢也不夠。于是他就想去德國留學,因為德國很多大學不收學費

德國大學也是要看高中成績單的。還好哥廷根大學有規定,每年可以破格招一點不能提供高中成績的人,這才給了托比入學機會。

托比是在蒙大拿州人煙稀少的山區長大的,從小對山區里一種叫地衣的生物感興趣。到哥廷根大學以后,托比一直認真研究地衣,碩士畢業后,成了一個地衣專家。今天這篇文章要介紹的重大發現,就是托比做出來的。

地衣這種生物,一般貼在木頭、樹干和石頭表面長,會把底下的東西完成覆蓋住。遠看,你會覺得地衣臟兮兮的,不值得關注。近看,你會覺得其實地衣非常美麗。地衣的形態和顏色多種多樣,有的像卷起來的彩漆皮,有的像珊瑚枝杈,有的像粉末,有的像蕨類的葉子,還有的像身體蠕動的小蟲子。地衣不僅外表美麗,生命力還特別強。地球上有些角落,任何動植物都無法生存,地衣卻可以生存。

一種像蕨類的地衣

地衣不僅是生命力強,它在整個生物學的發展史上也有重要意義,因為“共生”(symbiosis)這個概念,就是從地衣上發現的。在大概1860年的時候,當時的科學家還以為地衣是植物的一種。1868年,瑞士植物學家西蒙·施文德納提出,地衣根本不是一種植物,而是真菌和藻類的復合體。當時整個科學界對“共生”這種現象還不了解,因此有很多科學家反對施文德納的提法。但施文德納和其他一些支持他的科學家借助高倍望遠鏡成功將地衣中的真菌和藻類分開了,左邊擺著真菌,右邊擺著藻類,這樣反對施文德納的科學家就都信服了。

施文德納做出的發現功勞很大,但是他有一個地方搞錯了:他認為是真菌俘獲了藻類,真菌和藻類兩者之間是奴隸主和奴隸的關系。經過進一步研究,其他一些科學家證明,兩者之間是互助合作關系:藻類進行光合作用可以給真菌提供一些營養物質,而真菌可以給海藻提供一些礦物質、水,還可以給藻類提供“房子”。在此之前,整個生物學界都沒有見過這種兩種生物互相合作著生活的情況。這是一種全新的現象,需要一個全新的名字。兩位德國科學家想出來一個新名詞——“共生”。

瑞士植物學家西蒙·施文德納

在此之后,科學家們發現生物界存在很多種共生關系。比如,人/動物及其體內的多種細菌,就是一種共生關系。一些藻類和珊瑚之間,也是。不過最開始還是 從地衣上發現的。

后來,生物學的教科書就這樣寫了:地衣是藻類和真菌的復合體。150多年來,都是這樣寫的。但是這個定義也一直有一個問題,就是科學家們始終不能在實驗室“養”出地衣來。本來,如果我們知道某種地衣是某種藻類和某種真菌的復合體,那我們在實驗室里,把該種藻類和該種真菌放在一起,就應該能用人工方法養出該種地衣來啊。可是這么簡單的一件事始終辦不到,那究竟是為什么呢?

有科學家懷疑,是不是少了一樣東西呢?這共生不是藻類和真菌兩樣東西的共生,而是三樣東西的共生?但是大家只是這樣想,并沒有找到。從小沒有上過正規學校的托比·斯普利比勒,發現了這第三樣東西。

托比證明,幾乎所有“大地衣”(體積最大、所含細分小種最多的一大類地衣),都是藻類加一種真菌再加一種真菌三樣東西的共生。

托比2011年在德國獲得博士學位后,回到家鄉美國蒙大拿州繼續研究地衣。他加入了另一位科學家主持的實驗室,專門研究共生現象。這位科學家叫約翰·麥卡欽,他建議托比借鑒一些現代遺傳學方面的知識。

蒙大拿州山區的樹林中有兩種地衣,都是掛在樹枝上的。兩者的外觀差不多,都像亂糟糟梳不齊的假發。不同的是,第一種叫Bryoria tortuosa ,呈黃色,含一種名叫“普爾文酸甲酯”(vulpinic acid)的劇毒物;另一種叫B. fremontii,呈深褐色,不含“普爾文酸甲酯”。這兩種地衣被發現已經將近100年了,科學家一直把它們當成是兩個不同的種,但是最近的研究發現兩種地衣所含的真菌是同一種,所含的藻類也是同一種,那按照“地衣由一種真菌和一種藻類構成”的理論,這兩種地衣就應該是同一種地衣啊,那為什么它們顏色不一樣,而且還一個有毒,一個沒有毒呢?

上為B·fremontii,下為Bryoria tortuosa,綠色發光小點代表顯微鏡下觀測到的擔子菌基因

為了搞清楚這個問題,托比就看了一下兩種地衣是不是包含什么不同的基因(根據基因看兩種地衣是不是包含什么不同的真菌),結果沒有找到。然后他發現自己可能犯了一個錯誤。按照以前的發現,所有地衣里所含的真菌都屬于“子囊菌”(英文為ascomycete,子囊菌只是真菌下面一個綱再下面一個門),所以托比受到這個先入之見的影響,也只注意比較了這兩種地衣是不是包含不同的子囊菌。后來托比想,那萬一這兩種地衣包含其他真菌呢?于是,托比開始注意利用基因技術比較這兩種地衣是不是包含不同的其他真菌。這下,馬上就發現,這兩種地衣包含兩種不同的“擔子菌”(英文名為basidiomycete,擔子菌是真菌下面另一個綱另一個門)。

但是還有一些其他可能。比如只是地衣沾上了一點擔子菌,或者是地衣感染上了這種真菌,總之可能擔子菌是后來長到這兩種地衣上去的,可能擔子菌并不是這兩種地衣的必要構成部分。

為了排除這些可能,托比就把這兩種地衣上的擔子菌都去掉,然后發現本來含有“普爾文酸甲酯”的那第一種地衣就不含了。而含有“普爾文酸甲酯”是第一種地衣的基本特征,這就說明擔子菌是該種地衣的必要構成成分了。這就是讓托比茅塞頓開的一刻。后來,經過深入研究,托比發現,這兩種地衣都含有擔子菌,含擔子菌量小的,就呈深褐色,無毒;含擔子菌量大的,就呈黃色,有毒。

托比在自己整個職業生涯曾經搜集了45000個地衣樣本,于是他就仔細在所有這些樣品中找,看有沒有擔子菌,結果發現,在幾乎所有“大地衣”都含有擔子菌。

一種像蘑菇的地衣

說起來有點讓人吃驚,140年前,顯微鏡就發明了,人們就可以看到很小的東西了。但是居然到最近才發現地衣里面有第三樣東西。這是為什么呢?

因為第三樣東西很像第二樣東西。在顯微鏡下,地衣看起來像一塊外皮堅硬,內里多孔松軟的“法棍”面包。藻類和子囊菌都鑲嵌在堅硬的外皮里,子囊菌的菌絲向內分出枝丫,而外皮最表面那部分,就是擔子菌。因為擔子菌在顯微鏡下很像子囊菌的橫截面,所以這么多年來無數科學家其實都用顯微鏡看到過擔子菌,但還都以為到自己看到的是子囊菌。

托比在觀測的時候用了一個小技巧:每當在顯微鏡下看到了藻類就用發紅光的分子(熒光物)給它貼一個標簽,每當看到了擔子菌就用發綠光的分子給它貼一個標簽,每當看到了子囊菌,就用發藍光的分子給它貼一個標簽。這樣一下就能直觀地看到,幾乎所有地衣樣本都同時發三種顏色的光。這就說明,確實幾乎所有地衣都是三樣東西的共生,而不是兩樣東西的共生。

一位牛津大學的生物學家認為,托比·斯普利比勒的這個發現確實推翻了教科書中地衣的定義。下一步科學家要搞清楚藻類和兩種真菌之間的共生關系具體是怎樣的,三樣東西各自扮演什么樣的角色,還要試試是不是在實驗室湊夠了這三樣東西就可以人工養出地衣來。

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