船蛆困扰着古希腊海军、导致克里斯托弗·哥伦布沉船、助长西班牙无敌舰队沉没、导致旧金山湾码头倒塌入海,但直到现在,科学家们还无法确切指出船蛆(一种软体动物)是如何造成如此大破坏的。由马萨诸塞大学阿默斯特分校和普利茅斯大学联合领导的一支研究小组,与缅因大学和马萨诸塞大学陈医学院的合作者一起,发现一群共生微生物生活在一种被忽视的肠道亚器官“typhlosole”中,它们能够分泌消化木质素(木材最坚硬的部分)所需的酶。
“船蛆是一种非常重要的动物,”最近在《国际生物劣化与生物降解》上发表的研究报告的共同通讯作者、马萨诸塞大学阿默斯特分校博士后研究员 Reuben Shipway 说道。“它们遍布全球海洋,不仅改变了历史,还是生态系统工程师,在水生环境中的碳循环中发挥着重要作用。令人难以置信的是,我们竟然还没有完全了解它们是如何做到这一点的。”
木材是一种神奇的物质:柔韧而有韧性,其纤维状但营养丰富,可以做成一顿美餐 - 但只有那些既能消化木材又能穿透木质素层的生物才能做到。木质素是一种坚韧的、像盔甲一样的物质,包裹着纤维素,就像你最爱的零食被包装起来一样。微生物学家早就知道,能够消化木质素的动物 - 比如白蚁 - 的肠道中寄生着专门的共生微生物群落,这些微生物会为它们分解木质素。“但是,”主要作者、马萨诸塞大学阿默斯特分校微生物学教授兼缅因大学名誉教授巴里·古德尔 (Barry Goodell ) 说,“人们一直认为船蛆的消化道几乎是无菌的。”
那么船蛆是如何做到这些的呢?
古德尔和希普韦在过去十年的大部分时间里一直在尝试解答这个问题,测试了各种创新假设,但都没有揭示船蛆的秘密。
古德尔说:“我们决定再次仔细观察船蛆的肠道,以防过去一百年的研究人员错过了什么。”
事实上,情况似乎确实如此。
事实证明,船蛆有一种奇怪的亚器官,叫做 typhlosole——“它看起来像萨尔瓦多达利的倒置胡子,”Shipway 说——它嵌入软体动物的消化道中。之前的研究人员曾认为它是一种混合结构,但是,当 Goodell 和 Shipway 进行一些精确的培养工作,然后借助阿贡国家实验室的宏基因组分析设施以及马萨诸塞大学阿默斯特分校应用生命科学研究所先进的基因探针显微镜技术时,他们发现了几代研究人员忽视的东西:隐藏的细菌共生体群,能够产生木质素消化酶。
这项研究不仅有助于解决一个长期存在的谜团,而且这些发现还可能具有重要的实际应用。生物技术公司正在寻找能够比当前生物工业过程更有效地消化难降解底物的新酶,而能够打开生物质残留物结构的新酶源对于发展这一领域非常重要。此外,以前的船蛆共生体已被证明是天然产物的宝库——例如新型抗寄生虫抗生素——可能对人类健康产生重大影响。
在气候变化方面,此类研究有助于完善预测二氧化碳和其他温室气体如何释放到环境中的模型,特别是考虑到陆地上大量的木质碎片最终流入海洋,而其中大部分会经过船蛆的肠道。
最后,其他动物物种,包括其他软体动物、普通蚯蚓,甚至青蛙的蝌蚪阶段,也拥有一种此前尚未被彻底研究过的肠蛆。如果在这些动物身上发现与船蛆相似的共生体,这可能会改变我们对这些动物如何在世界上生存的理解。“这非常令人满意,”古德尔在谈到这项研究时说。“多年来,我们一直在努力破解这个谜团,终于发现了船蛆隐藏的细菌共生体的秘密。”