【文献】shanhu到底为什么辣么美腻的非主流假说：灯塔假说

王火火

老文，来自我的我的知乎专栏

在我还没博士入学的时候，我跟我老板讨论博士到底做哪个方向，那时候我一腔热血脑子里第一个想到的就是，咱们做shanhu荧光蛋白吧，我的确很想知道shanhu为什么要产生荧光蛋白这种东西。后来讨论来讨论去好像没有比较好的切入点去做这个事情，后来我老板的师兄来中国的时候说起这事也跟我说别做这个方向比较好，这是个“death trap”。反正也就放弃了，依然投入了气候变化的研究中。最近看到PNAS（Proceedings of the National Academy of the United States of America,美国国家科学院院刊，IF:9.5 最近被中科院分区分到二区去了，听说又分回一区了，不知道什么情况，Top期刊）上发了一篇日本学者的文章，里面用一些实验验证了一个很不被人关注我之前居然都没听说过的一种关于荧光蛋白功能的假说[1]。

关于荧光蛋白，很多人可能并不了解，但是其实在生物学界，荧光蛋白其实已经成为生物学家研究基因功能等很多研究方向极其重要的工具，也因为这个原因荧光蛋白的研究08年获得了诺贝尔奖，其中包括钱学森的堂侄钱永健。但是话说回来，刺细胞动物门的动物包括水母、shanhu为什么会产生这么多种类的荧光蛋白呢，这一定对shanhu有某种很重要的功能。

目前最主流的假说是所谓的光保护假说[2]，shanhu很多生活在热带的浅海，射入的光线非常强，有时会强到产生灼伤或者产生过量过氧自由基（ROS，Reactive Oxygen Species）等伤害，荧光作为一种光致发光的现象，会被射入的较短波长的光线激发然后发射出较长波长的光线，一部分能量转化成热能，从而达到保护shanhu的目的。

还有一个假说就是生产力假说[3]，就是对生活在相对较深水域的shanhu来说，到达那里的光线基本都只剩下了蓝光，荧光蛋白将蓝光转化成其他适合光合作用的波长，提高光合作用的效率。

当然目前这几个假说都有不少的证据支持和反驳，当然还有一些比较少人关注的假说比如抗氧化剂假说等，但是今天说的这个假说就真的很少有人关注，所以好像连反驳的研究都没有。

1999年，Horiguchi等[4]测试了四种非共生的营自由生活的虫黄藻，发现这些虫黄藻对特定波长的光线有趋光性。

2004年，Hollingsworth等[5]在研究石芝shanhuFungia scutaria幼体的时候发现，shanhu的卵在受精3-5天发育成幼体后绿色荧光蛋白的表达量会增加，主要集中在口部的周围，Hollingsworth认为这可能起到了吸引虫黄藻的作用，从而提出了“灯塔假说”（Beacon hypothesis）。

也就是说因为新生的shanhu幼体是没有虫黄藻的，需要从外界接种虫黄藻，而荧光蛋白发出的绿光在一片蓝光的背景光里面就像灯塔一样在向虫黄藻招手，快来啊，这里舒服。

2005年，Hollingsworth等[6]将白光分散成不同颜色的光谱后照在纯培养的虫黄藻的培养容器上，15分钟后，虫黄藻都聚集在了绿色光的那一块，初步验证了自己的假说。

中间那坨灰灰的就是聚集的虫黄藻

然后的研究表明。。。。。。然后就没有然后的研究了，这之后似乎好像可能一直就没有学者关注这个假说，直到最近。

Yusuke等[1]对前人的假说做了进一步验证

（我刚看文章的时候还以为他们新提出的假说，一下醍醐灌顶：果然好的idea才是研究的根本！看看人家的文章，没有高端的仪器，没有组学大数据，但是！跟别人不一样的思路果然能碰撞出不一样的火花！这就是我学习的榜样！这篇文章一定是投的science被拒稿才投的PNAS，毕竟PNAS一直被戏称为Papers Not Accept by Science嘛，science真是眼瞎，这么好的idea居然不收。然后。。。。我仔细看文章发现其实假说别人早就提出过了，他们只是做的进一步工作而已。真是浪费感情。。。。。）

首先他们将纯培养的虫黄藻放入一端黑色覆盖一端有光源吸引的容器中，并计算趋光性系数。

从Fig 1C的图来看，越红的地方趋光性系数越高，也就是说虫黄藻最喜欢往中等光强下的绿光游动。从Fig 1B来看，虫黄藻在光照12h后，也就是快要天黑的时候就不太具有趋光性了，这是因为虫黄藻在夜间是不太运动的[7]。而且虫黄藻在夜间不运动这点与这个假说能够非常好的契合，如果没有没有荧光作为指引虫黄藻就不知道往哪游了，干脆就不游了。

咳咳，然后重点来了。

作者分别使用有绿色荧光的活shanhu（死亡的shanhu骨作为对照）和涂有绿色荧光蛋白的塑料块（没涂绿色荧光蛋白的塑料块作为对照）放入有纯培养虫黄藻的水中，可以看Fig 2D和Fig 3B,无论是有绿色荧光的活shanhu还是涂有绿色荧光蛋白的塑料块都比对照吸引了多得多的虫黄藻，而且只有在蓝光下（Fig 2E和Fig 3C）这种差别才明显。

为了进一步验证这个现象不是只在实验室里才有，作者还把涂了荧光蛋白的塑料做成虫黄藻陷阱扔到了海里，结果是同样的，涂有荧光蛋白的陷阱捕集了更多的虫黄藻。

也就是说，从这些研究来看，游离的共生虫黄藻寻找shanhu宿主的方式可能并不只有我们传统的认知里的仅仅靠化学信号，这其中可能有更多复杂的机制，就等着我们探索了。

但是必须说明的是这个假说也面临了很多问题无法解释，比如第一，成体的shanhu不太需要从环境中获得虫黄藻，那为什么需要一直表达大量的荧光蛋白。第二，很多绿色荧光蛋白也并非表达在口部周围，如何解释这一点。第三，很多shanhu的荧光也并非是绿色的，而红色、黄色等等。第四，如何解释非共生的虫黄藻也会对特定波长的光有趋光性。第五，很多shanhu也没有虫黄藻。

可能最终，我们会发现，荧光蛋白的作用是多种多样的吧。

参考文献：

[1] Yusuke Aihara, Shinichiro Maruyama, Andrew H. Baird, Akira Iguchi, Shunichi Takahashi, Jun Minagawa. Green fluorescence from cnidarian hosts attracts symbiotic algae[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2019

[2] Salih A , Larkum A , Cox G , et al. Fluorescent Pigments in Corals are Photoprotective[J]. Nature, 2001, 408(6814):850-853.

[3] Kawaguti S. Effect of the green fluorescent pigment on the productivity of the reef corals. Micronesica, 1969, 5:121.

[4] Horiguchi T , Kawai H , Kubota M , et al. Phototactic responses of four marine dinoflagellates with different types of eyespot and chloroplast[J]. Phycological Research, 1999, 47(2):101-107.

[5] Hollingsworth LL, Krupp DA, Lewis TD, Leong JC. Early onset and expression of green fluorescent proteins (GFPs) in the larvae of the mushroom coral, Fungia scutaria[C]. In: Proceedings of the 10th international coral reef symposium, 2004.

[6] Hollingsworth L L , Kinzie R A , Lewis T D , et al. Phototaxis of motile zooxanthellae to green light may facilitate symbiont capture by coral larvae[J]. Coral Reefs, 2005, 24(4):523-523.

[7] Fitt W K , Trench R K . THE RELATION OF DIEL PATTERNS OF CELL DIVISION TO DIEL PATTERNS OF MOTILITY IN THE SYMBIOTIC DINOFLAGELLATE SYMBIODINIUM MICROADRIA TICUM FREUDENTHAL IN CULTURE[J]. New Phytologist, 2010, 94(3):421-432.

饕餮小牛

这种文章居然没有人顶，我顶顶顶顶顶

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四一居士

好看就可以

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阡陌之觊觎

好文章

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后浪

茅塞顿开

隔夜茶不凉

领导，你这篇文章我看了几遍，我觉得思路可以换个方向，以人体为例，乱七八糟表述如下：
1.荧光蛋白极大可能性不会只有一种作用，就像人长嘴一样，能吃能喝能呼吸能咬人能亲嘴能嗨歌……他作用是多样化的。
2.人嘴和荧光蛋白本质上是相同的，都可以看做是本体的一种器官或功能组织。都是经过长期适应演化，依据本体需求形成的最后的功能。
3.所以可以给荧光蛋白定一个性质，他对于shanhu，与人体对于手腿胃肠等一样，都是生存生长的工具。
4.以上是为了解释科学界对荧光蛋白作用的不同推断，大概率如你文章后所说，功能很多。
5.然后来看虫黄藻，这玩意儿如何定性？我觉得虫黄藻可以定性为shanhu虫的奴隶，需要招一批，好吃好喝供养，子子孙孙无穷尽，不需要赶走一批，奴隶抢粮食就杀一批。
6.然后回到最初的问题，荧光蛋白和虫黄藻到底什么关系，我觉得你可以把荧光蛋白定性为管理奴隶即虫黄藻的工具，需要的时候引过来，不需要的时候赶出去，奴隶造反直接宰掉……这些过程中荧光蛋白都起着重要的作用。
7.最后的问题：荧光蛋白何德何能承担这么繁重的任务？这又回到你的介绍，荧光蛋白有许多种，能转化出不同的光线，这些光线对虫黄藻有着不同的作用，个人推测配合其他shanhu组织能吸引、喂养、兴奋、抑制、驱逐、杀死虫黄藻，所以可以推测说，荧光蛋白功能之一是shanhu虫奴役虫黄藻的工具。
8.其中证据之一：荧光蛋白结构极其相似，只有极少不同决定光色，这证明很可能shanhu虫可以随心改变自己的荧光蛋白，至于鱼缸中观察不到，可以推测是改变周期大于鱼缸养殖周期，这也是shanhu虫适应环境的一种本能。
9.荧光蛋白能变化为何不能帮助shanhu抵御变暖？我觉得荧光蛋白作用主要在光照和营养上，对于温度控制力太弱，结合水温升高shanhu脱藻的情况，真正受伤害的是寄生虫黄藻（而这可能是shanhu给奴隶的枷锁，是个小课题），而不是shanhu虫本身，shanhu虫死因很可能是营养不良。（营养不良可以通过对照实验验证下：同样高温濒死shanhu，一组加大喂食一组维持原状）。
如果上面的问题搞清楚，那气温升高shanhu死亡可能通过引导虫黄藻适应新的温度然后播撒到海洋中替代原有的就能解决。
10.这很可能是低等动物的一种典型的奴役行为，如果推测成立我觉得各方面价值都很高，你那里条件好，还有很多言听计从的学生，可以搞一搞。若成真的话：估计诺奖没问题，最少混个提名吧

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隔夜茶不凉

隔夜茶不凉 发表于 2020-08-19 20:31
领导，你这篇文章我看了几遍，我觉得思路可以换个方向，以人体为例，乱七八糟表述如下：
1.荧光蛋白极大可能性不会只有一种作用，就像人长嘴一样，能吃能喝能呼吸能咬人能亲嘴能嗨歌……他作用是多样化的。
2.人嘴和荧光蛋白本质上是相同的，都可以看做是本体的一种器官或功能组织。都是经过长期适应演化，依据本体需求形成的最后的功能。
3.所以可以给荧光蛋白定一个性质，他对于shanhu，与人体对于手腿胃肠等一样，都是生存生长的工具。
4.以上是为了解释科学界对荧光蛋白作用的不同推断，大概率如你文章后所说，功能很多。
5.然后来看虫黄藻，这玩意儿如何定性？我觉得虫黄藻可以定性为shanhu虫的奴隶，需要招一批，好吃好喝供养，子子孙孙无穷尽，不需要赶走一批，奴隶抢粮食就杀一批。
6.然后回到最初的问题，荧光蛋白和虫黄藻到底什么关系，我觉得你可以把荧光蛋白定性为管理奴隶即虫黄藻的工具，需要的时候引过来，不需要的时候赶出去，奴隶造反直接宰掉……这些过程中荧光蛋白都起着重要的作用。
7.最后的问题：荧光蛋白何德何能承担这么繁重的任务？这又回到你的介绍，荧光蛋白有许多种，能转化出不同的光线，这些光线对虫黄藻有着不同的作用，个人推测配合其他shanhu组织能吸引、喂养、兴奋、抑制、驱逐、杀死虫黄藻，所以可以推测说，荧光蛋白功能之一是shanhu虫奴役虫黄藻的工具。
8.其中证据之一：荧光蛋白结构极其相似，只有极少不同决定光色，这证明很可能shanhu虫可以随心改变自己的荧光蛋白，至于鱼缸中观察不到，可以推测是改变周期大于鱼缸养殖周期，这也是shanhu虫适应环境的一种本能。
9.荧光蛋白能变化为何不能帮助shanhu抵御变暖？我觉得荧光蛋白作用主要在光照和营养上，对于温度控制力太弱，结合水温升高shanhu脱藻的情况，真正受伤害的是寄生虫黄藻（而这可能是shanhu给奴隶的枷锁，是个小课题），而不是shanhu虫本身，shanhu虫死因很可能是营养不良。（营养不良可以通过对照实验验证下：同样高温濒死shanhu，一组加大喂食一组维持原状）。
如果上面的问题搞清楚，那气温升高shanhu死亡可能通过引导虫黄藻适应新的温度然后播撒到海洋中替代原有的就能解决。
10.这很可能是低等动物的一种典型的奴役行为，如果推测成立我觉得各方面价值都很高，你那里条件好，还有很多言听计从的学生，可以搞一搞。若成真的话：估计诺奖没问题，最少混个提名吧

关于上面第8点，为什么荧光蛋白不能短时间内进行改变，我推测主要原因是shanhu在蜉蝣期结束后，基本上是在固定环境下生活，这个环境几乎是长期不变的，所以shanhu没必要具备短期内改变荧光蛋白的能力。
至于某些相同品种的shanhu，为何具备不同色彩，而且一些色彩的很多，一些色彩的稀少，这可以理解为移民，同品种shanhu虫有些在蜉蝣期运动到不适宜他生活的区域，又碰巧变异产生了适宜这个地区的荧光蛋白，俘获了该地区的虫黄藻，最终生存下来，所以才稀少，毕竟上面推测荧光蛋白的主动改变需要时间，而它们恰恰缺少时间。可能的证据是：此类“移民shanhu”的存在，1.数量要远小于同基因原种群；2.生存环境有大的变化；3.依靠无性繁殖的类别的扩展速度要远大于依靠有幸繁殖的类别；4.越稀少越必定趋向于成小聚集区群落分布。

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kyd_lee

顶顶顶

海缸有毒

加大绿色灯珠光照强度会不会对shanhu更好些？