光合作用中光反应的机制和由来（8）

朱钦士 （美国南加州大学医学院）

（上接2019年第8 期第13 页）

16 光系统Ⅰ和光系统Ⅱ在不同细菌门类中分布的“乱象”

在原核生物中细菌的24 个门中，只有6 个门的细菌能进行光合作用。在这6 个门中，有的只具有光系统Ⅰ，例如绿菌门（Chlorob）、酸杆菌门（Acidobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）中的一些细菌。有的原核生物只有光系统Ⅱ，例如变形菌门（Proteobacteria）和绿弯曲菌门（Chloroflexi）中的一些细菌。只有蓝细菌门（Cyanobacteria）中的细菌同时具有光系统Ⅰ和光系统Ⅱ。既然同时拥有2 种光系统比只拥有其中1 种有较大的优越性，为什么还有许多细菌仍然只拥有其中1 种？蓝细菌拥有2种光系统的状况又是如何形成的？

回答这个问题的一种方法是看这些光系统在细菌演化树上的分布情形。细菌演化树是细菌从共同祖先逐渐分化而形成各种细菌的图谱。由于细菌的分化类似于树的分支，这样画出来的细菌分化图看上去就像一株反复分支的大树，总树干就是最初的祖先，大树干就是最初的分支，大树干再反复分支，就产生门、纲、目、科、属、种。如果光系统Ⅰ只出现在某个大分支上，在其他大分支不出现；光系统Ⅱ只出现在另一个大分支上，在其他大分支上不出现，就可以追踪到2 类光系统在细菌中出现和传承的情形。

这样的演化树可以用细菌的各种特征，例如细胞构造、染色效果、代谢特点等建造。在分子生物学出现之后，特别是在大量细菌的全部DNA 序列被测定之后，基因（DNA 序列或者氨基酸序列）的比较就成为建造细菌演化树的重要方法。基因中的DNA 序列是会随着时间逐渐变化的。分支越早、关系越远的生物，彼此之间基因的DNA 序列差异越大、相似性越低；而分支越晚的生物之间，它们的基因序列就越相似。根据这种差异性的大小，即可推断不同生物之间的亲缘关系。

在建造细菌演化树时最常用的一个基因就是核糖体小亚基上的一种核糖核酸，称为16S rRNA（ribosome RNA）。用其建造细菌的演化树是因其有许多优点：16S rRNA 存在于所有细菌的细胞中，所以能应用于每一种细菌；它在不同的细菌中功能完全相同，即都与蛋白质的合成直接有关，所以比较的是不变的生理功能下序列的变化，而不像有些基因功能有所变化；它的功能要求严格的空间结构，所以对空间结构重要的序列变化较慢，可用于研究分支较早的生物之间的关系，而对空间结构不那么重要的序列变化则比较快，可用于研究分支较晚的生物之间的关系。

不过在这样得到的细菌演化树上，2 类光系统的分布情形却使人感到困惑。例如在1993年用1 260 种细菌的16S rRNA 序列建造的细菌演化树上，每种光系统的分布并不按照树干分支的情形，而好像是混乱的：同一种光系统可以出现在不同的分支上，而同一大分支的次分支上又可以有不同的光系统。例如含有光系统Ⅰ的绿菌门（Chlorobi）、酸杆菌门（Acidobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）中的螺杆菌（heliobacteria）就分属不同的大枝；含有光系统Ⅱ的变形菌门（Proteobacteria）和绿弯曲菌门（Chloroflexi）也分属不同的大枝；而属于同一大枝的细菌又含有光系统Ⅰ（绿菌门）或光系统Ⅱ（变形菌门）。根据这样建造的演化树，绿菌门中的绿色硫细菌是最早出现的光合细菌。

另一种追溯细菌演化路线的方法是利用蛋白分子中氨基酸残基的特征性插入或删除。具有同样插入或删除的细菌可以被认为是来自同一演化路线的，而新的插入或删除又可以用于确定新的分支情形。在这个思想支配下，科学家使用了2 种广泛存在的蛋白，即热休克蛋白 （heat shock protein，简称Hsp）Hsp60 和Hsp70。用这种方法得出的光合细菌的演化路线中，厚壁菌门中的螺杆菌（含光系统Ⅰ）是最早的光合细菌，然后依次演变为绿弯曲菌（含光系统Ⅱ）—蓝细菌（同时含有光系统Ⅰ和光系统Ⅱ）—绿细菌 （含光系统Ⅰ）—变形菌（含光系统Ⅱ）。在这个演化序列中，光系统Ⅰ最早出现，但是随后就和光系统Ⅱ几乎总是交替出现，好像在变为新的细菌时，光系统的类型也要变一次，这种现象是很难解释的。

再一种方法是直接使用与光合作用有关的基因，包括合成叶绿素的基因、捕光复合物蛋白的基因、光合作用中电子传递链的基因等。这样做的结果显示变形菌中的紫细菌是最早拥有光合作用功能（含光系统Ⅱ）的细菌，与用Hsp60／Hsp70 得出的结论正好相反。而且由于不进行光合作用的细菌并不具有这些基因，所以这些光合细菌在整个细菌演化中的情形也无法得出。

除了单光系统分布情况造成的困惑，2 种光系统都有的蓝细菌（Cyanobacteria）是如何出现的，以及它与只有一种光系统的细菌之间的关系也不清楚。现在对蓝细菌中2 种光系统的起源主要有2 种学说。一种是融合说，认为每种细菌早先只含有1 种光系统，是后来2 种光系统的融合产生了蓝细菌中的双光系统。另一种是选择性失去说，认为最早的光合生物就含有2 种光系统，只是在细菌分化过程中，有些细菌选择性地失去其中1 种，造成只含有1 种光系统的现象。蓝细菌没有失去其中任何1 种，所以仍然拥有2 种系统。

但在用任何方法建造的细菌演化树中，蓝细菌都不是最先出现的门类，所以很难得出其他细菌的光系统都是从蓝细菌而来的结论。而且选择性失去其中1 种光系统也不合逻辑，最有效的光合系统就是2 个光系统串联起来的结构，能同时解决能源和氢原子的供给问题。蓝细菌“好不容易”拥有2 个系统，看不出其他细菌有什么理由会选择性地失掉其中一个，因为这样只会使自己的竞争力变弱。蓝细菌的双光系统来自拥有光系统Ⅰ和光系统Ⅱ的光合细菌之间的融合也难以成立，因为对蓝细菌基因的检测看不出有这种融合的痕迹。

之所以会出现以上的困难，是因为演化树的建造是基于基因只纵向遗传（vertical inheritance）这一假设的，即基因只能通过细胞分裂从上一代传给下一代。但是在实际上，基因的横向传输（horizontal gene transfer，简称HGT），即基因在非亲缘关系的细菌之间的传递，在细菌中是很常见的现象。所以细菌的演化路线并不完全像树干分支，而是网状的，不同的枝干之间也可以交换基因。这就可以解释上面所列的2 种光系统在细菌门类中看似混乱的分布情形，即一种细菌所拥有的光系统类型并不完全来自基因的纵向传输，也可来自基因的横向传输。

这种横向基因传输的一个后果就是，与光合作用有关的基因的演化过程不必与进行光合作用的细菌的演化过程一致。前者只是一组基因的演化，其间有可能经由横向基因传输进入不同的原核生物种系；而后者是整个有机体的演化，涉及生物的全部基因，可以由基本上没有横向传输现象的基因（例如16S rRNA）建造演化树。这样建造的演化树中，光合基因的演化过程由于有横向传输而看上去是混乱和随机的。

基因的横向传输可通过多种方式实现。质粒（plasmid）是一种环状DNA，携带有对细菌有利的基因（例如抗拒抗生素作用的基因），可通过细菌联合（bacterial conjugation，即在细菌细胞间建立临时的DNA 通道）在细菌中传播。

另一个能在细菌间传播基因的物质就是病毒（virus），感染细菌的病毒也被称为“噬菌体”（bacteriophage）。病毒在细胞内繁殖并且离开细胞时，常会携带一些细菌的基因。如果这些基因对病毒的繁殖有利，例如暂时促进被感染细胞的生长，这些基因就会被长期存留在病毒的遗传物质内。著名的例子就是感染人和动物的病毒常携带有致癌基因（oncogene），例如v-myc、v-fos、v-ras等（其中的v 表示virus，细胞自己的致癌基因则以c 开头，表示cellular，如c-myc、c-fos、c-ras）。这些致癌基因原本就是存在于动物细胞内的，在受到病毒感染时被病毒带出，成为病毒遗传物质的一部分。当病毒再感染细胞时，这些病毒携带的致癌基因就能够促使细胞的生长，对病毒的繁殖有利。

病毒携带的基因也不一定是致癌基因，携带有功能的光系统的基因也有可能暂时促使被感染的细菌生长，对病毒的繁殖也是有利的。如果这些基因对病毒没有“好处”，它们是不会长期携带这些“累赘”的。而且与光合作用有关的基因常聚集在一起成簇，而不是散乱分布，这也便于病毒将它们整体携带。

例如2004年，科学家在能感染蓝细菌的病毒（Myoviridae 和Podoviridae）中发现了为光系统Ⅱ中的核心蛋白D1 和D2，以及传播电子给光系统Ⅰ的质体蓝素（plastocyanin）编码的基因。这些基因为蛋白编码的区段完整，是可以表达蛋白的基因。它们有可能将光系统Ⅱ带入蓝细菌。

2009年，又有文章报道在感染蓝细菌的噬菌体（cyanophage）中，发现了为光系统Ⅰ的蛋白编码的几乎全部基因，包括PsaA、PsaB、PsaC，以及其他5个小亚基编码的基因（D、E、K、J、F），其中为亚基PsaJ 和PsaF 编码的基因是以融合基因的形式出现的。这些病毒就可将光系统Ⅰ的基因从别的细菌带给蓝细菌。

17 同时具有光系统Ⅰ和光系统Ⅱ的蓝细菌是如何产生的

根据以上分析，可以提出蓝细菌中2 个光系统出现的可能途径。

光系统Ⅱ中的光反应中心可能最早出现在某种细菌中，这是因为光反应中心的核心蛋白（例如D1和D2）的构造和功能最接近它们的前体分子——细胞色素b，即二者都含有2 个由卟啉环组成的辅基，分别位于靠近膜内侧和外侧，它们都在靠近膜内侧的地方有一个醌分子的结合点，结合在这个位点上的醌分子都是被同一蛋白上的卟啉环辅基所还原的。只需将细胞色素b中的血红素辅基换成叶绿素辅基，就可以变成类似D1 和D2 那样的蛋白。这种光反应中心可以通过与细胞色素bc1复合物组成的环状电子回路产生跨膜氢离子梯度，不消耗氢原子。这样形成的氢醌氧化还原电位太高，不能还原NADP+，所以有机合成所需要的氢原子必须来自还原性分子。它也不能氧化水，从水中获得氢原子，释放出氧气。

光反应中心Ⅱ蛋白的基因通过横向传输进入其他细菌中。在其中一些这样的细菌中，D1 和D2发生了一些变化，使得射出电子的叶绿素氧化还原电位更低，结合的醌分子也变为叶绿醌，以便形成氧化还原电位更低的叶绿氢醌。这个还原性强的叶绿氢醌就可通过铁硫中心还原NADP+，为生物的有机合成提供氢原子。在这个过程中，D1 和D2 这样的蛋白与光系统Ⅱ的“内部天线”CP43 和CP47 融合，形成有11 个跨膜区段，同时具有光反应中心功能和天线功能的PsaA 和PsaB 那样的蛋白，第Ⅱ型光反应中心也就在这些细菌中演变为第Ⅰ型光反应中心。但是氢原子的最初来源仍然需要外来还原性分子。

光系统Ⅰ的有关的基因由病毒携带，进入已经拥有光系统Ⅱ的细菌，造成有2 种光系统的状况。2个光系统的同时存在使得Ⅱ型光反应中心射出的电子有了“出路”，成为Ⅰ型光反应中心的电子供体。既然有了电子输出途径，电子输入途径也应运而生，这就是从水中获得氢原子。释氧光合作用由此诞生，生物不再依靠外来的还原性分子，而成为真正的自养生物，而这只在细菌中的蓝细菌中发生。

由于这些横向传输开始发生的时间非常早，后来的细菌门类还没有完全形成，现在已经很难追溯当初具体的传输过程了。

也有人认为蓝细菌一开始就具有2 种光反应中心，再由基因横向传输传播给其他种类的细菌，但是每次只能传输其中一种光反应中心，造成现在所有其他的光合细菌要么只含有I 型光反应中心，要么只含有Ⅱ型光反应中心，而不再有蓝细菌中那种含有2 个光反应中心的情形。由于年代太过久远，目前还不能对这些可能性作出明确的结论，而要等待更多的数据和新的分析方法。但是无论如何，双光系统的释氧光合作用总算是诞生了，这才有了后来地球上生物欣欣向荣的景象，包括人类的出现。这都要感谢能建立跨膜氢离子梯度的醌分子，以及能在光照下射出电子的叶绿素分子。

（待续）