楚人有鬻盾與矛者，譽之曰：“吾盾之堅 ，物莫能陷也。”又譽其矛曰：“吾矛之利，于物無不陷也。”或曰：“以子之矛，陷子之盾，何如？”其人弗能應(yīng)也 。夫不可陷之盾與無不陷之矛，不可同世而立。

　　——韓非《韓非子難一》

　　矛與盾，不可同世而立。物理學(xué)上認(rèn)為在量子力學(xué)理論下才可以存在陷與不陷兩種狀態(tài)共存的現(xiàn)象。實際上在生物界，有對“矛與盾”早已相互廝殺數(shù)億個歲月，永不停息地進行著無聲的戰(zhàn)斗。

　　這幅盾牌具有自動修復(fù)功能，那只長矛有著持續(xù)再生能力。更要命的是兩者都在不斷進化。意味著一旦我的盾被攻陷，就會進化出更堅硬的盾牌；為了刺穿更堅硬的盾牌，你就要進化出更鋒利的長矛。

　　誰是大自然的矛與盾？

　　這幅盾牌的主人叫植物，這只長矛的主人叫微生物。它們都是大自然母親的孩子，相愛相殺的伙伴。

　　植物的盾牌

　　1665 年偉大的博物學(xué)家羅伯特·胡克利用自制顯微鏡第一次看到了像矩形小房間似的植物細(xì)胞，而這些房間的四壁自然就被稱作細(xì)胞壁。

　　細(xì)胞壁是植物細(xì)胞區(qū)別于動物細(xì)胞的顯著特征之一，不同物種、不同部位、不同生長階段細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和組成都有所改變。一般我們習(xí)慣將植物細(xì)胞壁由內(nèi)向外分為，次生壁、初生壁、中膠層。

　　細(xì)胞通過分裂完成增殖，這個過程就像房間里的雙胞胎兄弟要分家，從房子中間壘起兩堵新墻，細(xì)胞一分為二，同時形成新的細(xì)胞壁，即初生壁。

　　初生壁主要由纖維素和半纖維素組成。纖維素，就像混凝土建筑中的鋼筋，看一眼它的構(gòu)造，任何一名人類工程師都會自嘆不如。

植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)模型 （圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　由兩個葡萄糖反應(yīng)生成的纖維二糖是纖維素鏈的基本單元，若干纖二糖分子利用共價鍵手拉手形成一條糖鏈（a），糖鏈間通過氫鍵形成糖片（b），大小不一的糖片被壓縮成六棱糖柱（c），糖柱又以不同排列方向捆綁在一起才構(gòu)成了不規(guī)則的纖維素網(wǎng)狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)（d）。

微纖絲多層次結(jié)構(gòu)模型（圖片來源：Ding et al.,2006）

　　次生壁，一些植物細(xì)胞在停止成長后，在初生壁的基礎(chǔ)上繼續(xù)向內(nèi)形成一層壁。我們把這一過程比作室內(nèi)裝潢，由于在刷墻的時候摻入了木質(zhì)素，這層內(nèi)墻變得堅不可摧。木質(zhì)素比纖維素復(fù)雜得多，其填充在纖維素結(jié)晶網(wǎng)格中，創(chuàng)造了一堵密不透風(fēng)的墻。

　　中膠層位于細(xì)胞最外側(cè)，用來粘連細(xì)胞并緩沖壓力。這樣一來無數(shù)個小室堆積在一起，就形成了小到一粒種子，大到一棵雪曼將軍樹。

　　微生物為何磨刀霍霍向破爛（plant）?

　　微生物以游牧民族的持久戰(zhàn)精神，千萬年來不斷侵?jǐn)_這座固若金湯的普蘭古城，還不是為了有口飯吃？

　　糖類物質(zhì)按干重計占植物的 85%-90%，這簡直就是用糖塊兒堆起的大廈啊。巧克力奶油建造的小屋，難道不是我們小時候的夢中美餐嗎？

　　這些微生物中有真菌也有細(xì)菌，其中屬熱纖梭菌民風(fēng)最為彪悍。

　　看熱纖梭菌如何練就“萬劍歸宗”

　　熱纖梭菌可以穿越層層壁壘，將植物細(xì)胞壁中的糖劫掠一空。強大的戰(zhàn)斗力來源于其自身一根磨礪了億年的長矛——纖維小體。梭菌 vs 植物之戰(zhàn)的畫面是這樣的：

　　熱纖梭菌游蕩在對它們來說如宇宙般廣袤的空間，多日沒有進食的他此刻如狼似虎。剎那間，一顆纖維二糖分子像流星般劃過，敏銳的信號傳導(dǎo)系統(tǒng)以更快的速度捕捉到這一信號——前方× ×處存在糖類物質(zhì)，并傳導(dǎo)至熱纖梭菌“中樞”。

　　小熱立即著手生產(chǎn)各種挖墻腳的工具——不同種類的酶、支架蛋白、多功能模塊。在細(xì)胞表面通過支架蛋白將不同種類的酶組裝在一起，建造了若干只纖維小體。

　　小熱拋出的纖維素結(jié)合模塊像鉤子一樣牢牢地將自己固定在植物細(xì)胞壁表面，纖維小體上的各種纖維素酶像剪刀似的一頓狂剪，一顆顆纖維二糖就脫落下來。

　　聰明的小熱還會根據(jù)不同的地形，調(diào)整纖維小體酶的組成和比例，不同酶之間的協(xié)同分工大大提高了采糖的效率。

纖維小體降解纖維素模型（圖片來源：Hong et al.,2014）

　　利用寡糖轉(zhuǎn)運蛋白，小熱將戰(zhàn)利品轉(zhuǎn)入胞內(nèi)。當(dāng)胞內(nèi)的糖足夠生命活動所需時，小熱會縮減纖維小體的合成以節(jié)約能量和資源。

　　眼前的纖維素被開采殆盡，此時小熱也已經(jīng)變成了老熱。烈士暮年壯心不已的老熱向空中拋出一根根長矛，纖維小體離開細(xì)胞表面到遠(yuǎn)方開疆拓土。纖維小體降解纖維素形成的糖梯度，引領(lǐng)熱纖梭菌部落向糖類更加豐富的地方靠攏。

　　人類打破了“矛盾”的平衡

　　植物由水環(huán)境登陸的過程中逐漸形成了以木質(zhì)纖維素為主的支持和保護屏障，能夠抵抗微生物和酶的降解。億萬年來植物與微生物共同進化，矛與盾的競賽一刻不曾停歇，最終二者達(dá)到自然平衡。

　　然而，這一平衡被打破了。

　　人類和微生物一樣，急需開采這座自然界的糖礦，在這一點上二者達(dá)成了協(xié)議——人類將打造超級菌類，報酬則是源源不斷的糖。

　　實驗室里、工廠里，植物的天然抗降解屏障被統(tǒng)統(tǒng)打破，改造后的真菌、細(xì)菌像機器一樣高效運轉(zhuǎn)，把一罐罐的新生糖液注入人類工業(yè)的血管。

　　最近中科院青島生物能源研究所在正式提出了 CBS（吃霸女士）概念，目標(biāo)即吃掉一切木質(zhì)纖維素，實現(xiàn)低成本高效率的木質(zhì)纖維素糖化。

　　代謝物組學(xué)研究組致力于熱纖梭菌及其纖維小體的遺傳改造、作用機制及代謝工程研究，近年來通過整合預(yù)處理、遺傳改造、糖化發(fā)酵，全線打通熱纖梭菌木質(zhì)纖維糖化工藝。

　　未來矛盾寓言

　　2069 年的亞馬遜河畔，一位老人彎腰撿起一小段枯枝熟練地裝入樣品袋中。他舉目四望，雖然正值當(dāng)?shù)氐拇禾欤瑑砂秴s依舊是灰蒙一片。

　　十年前的某生化實驗室泄露事件——一種超級細(xì)菌逃逸，迄今已對地球的生態(tài)平衡造成了致命的打擊。

　　看著眼前的景象，老人不禁又想起韓非子的那則“矛與盾”的寓言。“真是矛盾啊！”他喃喃道。

　　他帶領(lǐng)考察隊繼續(xù)向枯樹林深處走去，他沒有注意到的是在剛剛拾起的枯枝下，一顆嫩綠色的小芽破土而出，在料峭的春風(fēng)中顯得弱小而又倔強。

　　來源：中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的植物与微生物：大自然的矛与盾的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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