为什么地球上没有进化出光合作用的动物？

病理医师

为什么地球上没有进化出光合作用的动物？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/278935307

继续前进

其实，我们能想到的，大自然都已经尝试过了。
光合作用的动物大自然一直都在尝试，现在我们都能在大自然中找到许多同时包含异养（觅食）和自养（光合作用）两种营养方式的生物，只是这种“杂牌”生物确实没有太多的进化优势，所以没有普及而已。
关于动物利用阳光的自养行为，主要有几种尝试：


第一种就是通过进化寻找到类似光合作用的方法，自行完成太阳能的利用，这种方式的例子是一些蚜虫。
蚜虫是农业害虫，但它们却一直都是遗传学家的朋友，这些小东西有太多独特之处了，有研究表明，一些豌豆蚜虫利用一种被称为类胡萝卜素的色素来收集太阳能并制造ATP。
据信，这些蚜虫是从真菌那里窃取到制造这些色素的基因[1]，自然界已知具有相似情况的动物还有一些。
不过这些动物都不是真的光合作用，它们不涉及将二氧化碳转化为糖，而是直接生产ATP。
第二种，通过共生关系进行光合作用。这种自养方式的动物非常常见，其中珊瑚就是最典型的例子。



​©Toby Hudson

珊瑚是成百上千种类似海葵的软体动物的集合，生活在它们自己建造的巨大岩礁中。
它们依赖于被称为甲藻的微小藻类，这些藻类生活在细胞内的特殊隔室中，它们可以进行光合作用，并为珊瑚提供营养。
这种方式在海洋中很常见，海葵、蛤、海绵和蠕虫等等都有相应的例子，另外还至少有一种脊椎动物也在这么做，那就是斑点蝾螈。



斑点蝾螈已知唯一内共生的脊椎动物©D. Gordon E. Robertson

你可能会问，既然可以共生，那为什么不直接利用这些共生体生产能量的部分——叶绿体，而抛弃那些消耗能量的部分呢？
恭喜你，你想到了生物第三种自养行为——直接获取叶绿体。
已知有一种动物可以直接获取叶绿体作为己用，那就是艾丽西亚海蛞蝓。这些动物以绿色藻类为食，然后直接剥夺了食物中的叶绿体，并储存在自己的消化道内，让这些叶绿体继续为自己工作，从而让自己可以像植物一样生存。



艾丽西亚海蛞蝓©Karen N. Pelletreau

不过，新生的艾丽西亚海蛞蝓并没有叶绿体，它们需要吃藻类来获取，那么更有趣问题是，为什么不进一步优化这种共生关系，直接将叶绿体跟随自己的细胞自我复制呢？
好吧，你现在想到了真核生物起源的一个重要假说——内共生理论，这种理论认为真核植物叶绿体的获取很可能就是早期较大的异养原核生物吞噬了最早的光合作用原核生物——蓝细菌，并把蓝细菌“训练”成了自我复制的叶绿体。



图：叶绿体和蓝细菌对比，两者有很多相似之处

（ps：内共生理论是目前接受度还算广的理论，该理论可不止认为真核生物的叶绿体是这么来的，连我们的线粒体也是这么来的，还有其它一些重要细胞器可能都是如此。）
有证据表明，把叶绿体训练成细胞内自我复制个体的情况，自然界独立经历过好几次，不过许多都不是利用蓝细菌，而是原核生物直接吞噬了包含有叶绿体的真核细胞，然后获取了对方的叶绿体，并随着时间推移完全占为己用。
既然，异养生物——包括真正的高级动物都能做到自养行为，或者直接利用，那为什么真正光合作用的动物不存在呢？
现在，我们可以回过头来回答这个问题了。
首先，从进化动力学角度来看，我觉得自养和异养是两种完全对立的适应，“杂牌”或者同时拥有自养和异养的中间态没什么生存优势。
异养生物需要想方设法捕捉到猎物，它们需要更快、更有力量，生理结构需要朝着这方面优化，而且这种生活方式指向的是高消耗。
光合作用其实是一种低效的生存方式，它只能提供非常少的能量，所以它适合低消耗的植物，而且植物为此需要做出很大的生理优化——比如尽量的将叶绿体平铺加大光合作用。
如果动物想要得到光合作用，它大概率也要为此付出相应的生理结构，而这种改变会牺牲掉它作为动物的优势。


比如艾丽西亚海蛞蝓，它算是目前最好的中间态样本了，它为了能够更好的光合作用，其实是把身体演化成了类似叶子一样平铺开来。
这种身体结构可能让它们牺牲了许多进食方面的便携，它们需要在进食方面投入更多的能量，只是它们可以通过光合作用补充。
可以说，虽然艾丽西亚海蛞蝓获得光合作用能力在能量获取方面有优势，但是它在摄食方面投入更多能量，如果不是特殊的环境，这很可能是得不偿失的选择。
之所以它们依然可以选择这种方式生存，很大一部分原因其实是它们把自己变成了绿色，可以很好的隐藏自己，降低被捕食的风险。


其次，你会发现越简单的动物才有机会和光合作用的生物共生，而那些能够做到让叶绿体自我复制完全占为己用的生物，其实都是最简单的单细胞原核生物。
这方面做得最好的复杂动物——艾丽西亚海蛞蝓，目前尚不清楚它们如何让叶绿体为自己服务，但可以肯定的是对于复杂动物而言，这涉及的基因很多，很难通过进化完成。
不过，我这边有看到，那些获得叶绿体的单细胞生物，最后基本都是演化到完全依赖光合内共生体，并失去了觅食的能力。
只能说躺平谁都想，但是动物在异养这条路上走得足够远了，复杂一点的很难改变自己，也很难适应自养生活方式。
简单的动物可能还有戏，只是这些生物不会太常见，因为确实没多少优势。
参考：
[1].https://www.science.org/doi/10.1126/science.1187113

队长是我

至少有一类海兔，已经能够将摄食的藻类中的叶绿体储存于消化道的细胞中，并利用其叶绿体进行光合作用，时间随物种从几天到大半年不等。（如下图这些）




现在这类海兔细胞内的叶绿体应该还不能传代，只能不断摄取，但以后会不会能够传代了呢？一切皆有可能。
除了这种海兔，不少其他动物（例如珊瑚、砗磲等）体内都有共生的藻类，继续进化下去也可能形成类似叶绿体的结构。
在植物界（也不知称为植物界是否合理）中，内共生形成载色体本身也是多次独立发生的事件（至少发生了三次），形成了红藻黄藻等具有不同层数膜的载色体，因此，一切皆有可能。

检验医师

转载自“生物吧”
【穆恩告诉你】 为什么多细胞动物没有叶绿体
关于这一话题，无论是高中教材还是网络上都有过广泛的讨论。然而，这一讨论缺乏在理论上的必要性。本文将从多方面阐述为何叶绿体在多细胞动物中没有出现。本人才疏学浅，如有不甚科学之处，望多加指正

一，多细胞动物个体（Homo sapiens为例）的能量供求 整个生物圈中都存在着不间断地能量流动，生物圈中的任意成分也不例外，而一切地表生态系统的能量来源均为太阳能。太阳每分钟辐射到地面的能量约为0.38cal/cm*min ,而植物的光能利用率约为2%。如果智人体表上皮含有叶绿体，而且光合效率达到植物的水平，则[以人类身高2.26m(对，我在黑姚明)，宽0.6m，两面受光计算。这几乎已经是极限水平。] 体表受光面积为2.26*0.6*2=2.712m*m，以每日日照时间13H计算，日固定能量约为：2.712*10000*0.38*2%*1/1000=173.13408Kcal。而一个成年人的每日能量需求约2500kcal ，则净能量流动为+173.13408-2500=-2326.86592 kcal。即仅凭光合作用，人类个体每天甚至不能获取8%的所需能量，更不用说积累干物质以储备能量。（而且你能成天不穿衣服站着晒太阳？）况且合成叶绿体本身就会造成一笔不小的能量开支，人的表皮细胞更新周期为28d，即平均每28天就需要完全更新体表细胞，其能量开支完全是得不偿失的 ，人类根本没有必要为了不到8%的能量供应去消耗远多于此的能量在寿命有限的体表细胞中合成叶绿体。
二，个体内部的物质流动 众所周知，光合作用的途径有三类：C3，C4，CAM，C3植物利用rubisco将二氧化碳固定为PGA，C4植物是通过HCO3-与PEP反应形成草酰乙酸，再经由转氨作用或还原作用形成天冬氨酸或苹果酸（C4化合物），进入维管束鞘细胞后脱羧产生二氧化碳并在其中进行calvin循环以固定二氧化碳；CAM则于白天合成苹果酸，夜晚脱羧进行calvin循环。然而无论是哪一种植物都进化出了高效率的气体交换机制以维持暗反应的有效进行，然而人类体内却缺乏能够直接，快速的进行气体交换的机制，也没有能使表皮细胞富集二氧化碳的能力。因此叶绿体就算在表皮细胞中存在也难以有效的进行光合作用。同时，光反应（水的光解）会消耗大量体内自由水（合成5g干物质需要消耗约2kg水），这对异养生物来说会增加需水量，会造成对陆地生活的适应性低下（如两栖动物）。这会明显的影响分布范围，而与脱离水环境的进化趋势背道而驰。
三，个体功能与结构的适应 植物进化出巨大的体表面积以适应光合自养生活，而巨大的体表面积对于需要维持适当体温以进行正常生命活动的动物（对恒温，变温动物均是如此）只会凭空增加体温调控的难度。同时，植物发展出了庞大的根系以获取足够的无机物和代谢需水，叶底产生气孔以促进气体交换。而动物为了适应陆地运动的异养生活，发展出了血管-肺换气和表皮角质层以在减少水分消耗的情况下高效的进行气体交换。若动物可以在体表进行光合作用，则体表必然需要发展出极其丰富的毛细血管网，这对保持恒温来说是一个巨大的挑战。显然，光合作用对于需要高效运动和减少失水的多细胞动物来说是不必要的。
四，进化的选择 这就是标题中标明“多细胞动物”的原因。叶绿体并非从未在动物细胞中出现。原生动物门鞭毛虫纲 植鞭亚纲就是例子。它们拥有运动能力和植物性营养（光合自养）。这就是说，并非动物在进化上从未进行过自养生活的尝试，而至今没有多细胞自养动物的出现明显的表明了自养生活是不能在多细胞动物中有效进行的。并且动植物的进化趋势自从腔肠/藻类开始就走向了不同的道路：动物去适应运动，异养生活，而植物去适应固着，自养生活。所以，“分裂性选择”中的“中间性状”是显然难以适应环境的。
总结
无论是在能量，分子，个体还是进化的角度，多细胞动物产生叶绿体都是得不偿失的，而大自然绝对不会保存一种没有竞争力的物种。所以，试图在目前的多细胞动物的细胞中引入叶绿体以试图自养的想法是完全没有意义的。
发布于 2017-11-23著作权归作者所有

大力水手

因为运动能耗大，肌肉能耗大，神经系统能耗大。只靠光合作用支撑不起。只能是依靠吃，也就是掠夺其他生物的光合作用成果才能做到。整个地表碳基-太阳能生物圈的食物链本质上就是一个多级太阳能传递体系。越往高级走，单个个体的太阳能就越富集，也就能支持更高级的生化反应过程，譬如说我们的大脑。
定性分析如上，定量分析这个真太复杂了，实在是没时间做。

队长是我

因为会光合作用就不用动啊。。。皮了一下。。。不过基本上道理就是如此，动物的进化分支本身就是以异体同化为基础的。。并不是不可能进化出，而是从自然选择来看没必要有这样的生物出现。