植物與微生物：大自然的矛與盾

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,於物無不陷也。」或曰：「以子之矛，陷子之盾，何如？」其人弗能應也 。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。物理學上認為在量子力學理論下才可以存在陷與不陷兩種狀態共存的現象。實際上在生物界，有對「矛與盾」早已相互廝殺數億個歲月，永不停息地進行著無聲的戰鬥。

這幅盾牌具有自動修復功能，那隻長矛有著持續再生能力。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，這隻長矛的主人叫微生物。它們都是大自然母親的孩子，相愛相殺的夥伴。

植物的盾牌

1665年偉大的博物學家羅伯特?胡克利用自製顯微鏡第一次看到了像矩形小房間似的植物細胞，而這些房間的四壁自然就被稱作細胞壁。

細胞壁是植物細胞區別於動物細胞的顯著特徵之一，不同物種、不同部位、不同生長階段細胞壁的結構和組成都有所改變。一般我們習慣將植物細胞壁由內向外分為，次生壁、初生壁、中膠層。

細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牆，細胞一分為二，同時形成新的細胞壁，即初生壁。

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

植物細胞壁結構模型（圖片來自網路）

由兩個葡萄糖反應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成了不規則的纖維素網狀結晶結構（d）。

微纖絲多層次結構模型（圖片來源：Ding et al.,2006）

次生壁，一些植物細胞在停止成長後，在初生壁的基礎上繼續向內形成一層壁。我們把這一過程比作室內裝潢，由於在刷牆的時候摻入了木質素，這層內牆變得堅不可摧。木質素比纖維素複雜得多，其填充在纖維素結晶網格中，創造了一堵密不透風的牆。

中膠層位於細胞最外側，用來粘連細胞並緩衝壓力。這樣一來無數個小室堆積在一起，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精神，千萬年來不斷侵擾這座固若金湯的普蘭古城，還不是為了有口飯吃？

糖類物質按乾重計占植物的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菌，其中屬熱纖梭菌民風最為彪悍。

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，將植物細胞壁中的糖劫掠一空。強大的戰鬥力來源於其自身一根磨礪了億年的長矛——纖維小體。梭菌vs植物之戰的畫面是這樣的：

熱纖梭菌遊盪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划過，敏銳的信號傳導系統以更快的速度捕捉到這一信號——前方× ×處存在糖類物質，並傳導至熱纖梭菌「中樞」。

小熱立即著手生產各種挖牆腳的工具——不同種類的酶、支架蛋白、多功能模塊。在細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合模塊像鉤子一樣牢牢地將自己固定在植物細胞壁表面，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不同的地形，調整纖維小體酶的組成和比例，不同酶之間的協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）

利用寡糖轉運蛋白，小熱將戰利品轉入胞內。當胞內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約能量和資源。

眼前的纖維素被開採殆盡，此時小熱也已經變成了老熱。烈士暮年壯心不已的老熱向空中拋出一根根長矛，纖維小體離開細胞表面到遠方開疆拓土。纖維小體降解纖維素形成的糖梯度，引領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

植物由水環境登陸的過程中逐漸形成了以木質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，急需開採這座自然界的糖礦，在這一點上二者達成了協議——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統打破，改造後的真菌、細菌像機器一樣高效運轉，把一罐罐的新生糖液注入人類工業的血管。

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，目標即吃掉一切木質纖維素，實現低成本高效率的木質纖維素糖化。

代謝物組學研究組致力於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，近年來通過整合預處理、遺傳改造、糖化發酵，全線打通熱纖梭菌木質纖維糖化工藝。

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，雖然正值當地的春天，兩岸卻依舊是灰濛一片。

十年前的某生化實驗室泄露事件——一種超級細菌逃逸，迄今已對地球的生態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。

他帶領考察隊繼續向枯樹林深處走去，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，在料峭的春風中顯得弱小而又倔強。

來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所

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