共生關係

共生關係

共生又叫互利共生,是兩種生物彼此互利地生存在一起,缺此失彼都不能生存的一類種間關係,是生物之間相互關係的高度發展。共生的生物在生理上相互分工,互換生命活動的產物,在組織上形成了新的結構。地衣是眾所周知的共生實例,它是藻類和菌類的共生體。除了地衣以外,在生物界的很多門類可以舉出許多共生的例子來。昆蟲綱等翅目的昆蟲和其腸道中的鞭毛蟲或細菌之間的關係就是共生關係。

概述

小丑魚和海葵之間存在互利的共生關係小丑魚和海葵之間存在互利的共生關係

共生關係是指兩種不同生物之間所形成的緊密互利關係。動物植物菌類以及三者中任意兩者之間都存在“共生”。在共生關係中,一方為另一方提供有利於生存的幫助,同時也獲得對方的幫助。有的共生生物緊密纏繞在一起,讓人們很難將二者區分開來。在植物和動物共生的例子中,我們往往很難判斷這些生物究竟是植物,還是動物。

共生生物可不是一起生活、一起工作、和諧共處的卡通角色。大部分共生生物並不知道自己正在幫助另一種生物,它們只是選擇了對自身最有利的生存方式,這是物種自然選擇的本能行為。

人類其實也是共生生物。沒有共生現象,地球上可能就不會存在生命。也許正是共生關係推動了多細胞生物的進化。有的科學家認為整個地球就是個巨大的共生有機體。但共生關係有時看起來很奇怪。

形式

共生關係的形式有許多種。有的共生生物需要藉助共生關係來維繫生命,這屬於專性共生關係。有的共生關係只是提高了共生生物的生存幾率,但並不是必須的,這叫做兼性共生關係。共生關係有時是不對稱的,在共生關係中很可能出現一種生物是專性共生而另一種生物是兼性共生的現象。

傳統定義中的“密切接觸”也值得仔細推敲。大多數情況下,這種關係很簡單——一個生物直接長在另一生物之上或另一生物體內。但生物學家認為兩種生物如果存在某種生物化學關係,比如產生並分享酶蛋白質氣體或其他化合物,那么它們也可以被視為共生生物。
共生關係還分為內共生關係和外共生關係。內共生關係是指一種生物長在另一生物體內,生物學家所說的“體內”是指生物體的細胞之間或身體組織裡面(比如鞭毛蟲的例子)。外共生是關係指一種生物長在另一種生物之外。(某種生物長在另一種生物的消化道內應該屬於外共生,因為這種情況顯然不符合生物學家對於內共生關係的定義。

進化

阿茲特克蟻會保護它們賴以生存的蟻棲樹阿茲特克蟻會保護它們賴以生存的蟻棲樹

進化本身是不可思議的。生物的適應現象多種多樣,有時這種現象似乎有違邏輯,生物共生現象尤其如此。自然選擇是解釋共生生物進化過程的關鍵。在某生物種群中,有些個體具有比其他個體更利於生存繁衍的共生特徵,它們更有可能將這種特徵傳給後代,而其他不具有這種有利特徵的個體則很有可能在進行繁殖之前死去。這樣經過一代又一代的傳遞,有利於生存的優越特徵會在該種群中表現得越來越明顯。

決定共生特徵能否得以傳承的關鍵因素是種群壓力——種群壓力是指對某種群的個體來說比較艱難的生存環境。在進化的過程中,生物的共生特性和它們的逃脫天敵以及捕獲獵物特性同樣重要。許多共生關係最開始也許只是兼性共生,在經歷了長期進化之後,這些生物會變得越來越依賴共生關係,因為共生特徵在優勝劣汰的自然選擇中具有優勢。最終,共生雙方將完全依靠共生關係獲取食物、居所、酶等生存資料。

生物共生關係就好像是生物進化的“工具箱”。比如,樹木需要土壤深處的養分,為此它們會進化出有利於吸收養分的根系——事實上,許多樹木都有發達的根系。但是,這種進化需要漫長的時間(通常需要上萬年甚至更長的時間),而且有些樹木可能無法完成這樣的進化。而土壤中的真菌恰好具有從土壤深處汲取養分的能力。當樹木與真菌比鄰而生時,就會彼此形成共生關係,因為樹木進化成與真菌共生的生物顯然要比樹木的單獨進化快得多。

有的生物學家提出了一個叫做“共生起源”的理論,這一理論已經被普遍接受。該理論認為共生是地球上複雜生物起源的關鍵。在物種的進化過程中,日益多樣的微生物逐漸形成了一系列共生關係,不同的微生物在共生關係中發揮不同的作用,以維持生存。這些共生關係逐漸發展成一個關係緊密的互利網絡,每種微生物都好像是機器上的一個齒輪。最終,它們進化成了帶有一層保護膜的整體,也就是人們說的細胞,而其中的微生物都成了細胞的一部分:線粒體、細胞核和核糖體。

實例

黃嘴牛椋鳥以非洲水牛身上的寄生蟲為食,但它們本身也是寄生生物,會啄食水牛傷口處的結痂,不讓它們的傷口癒合。黃嘴牛椋鳥以非洲水牛身上的寄生蟲為食,但它們本身也是寄生生物,會啄食水牛傷口處的結痂,不讓它們的傷口癒合。

植物

豆科植物和根瘤菌是又一個共生的的實例。根瘤菌存在於土壤中,是有鞭毛的桿菌。根瘤菌與豆科植物之間有一定的寄主特異性,但不十分嚴格,例如豌豆根瘤菌能與豌豆共生,也能與蠶豆共生,但不能與大豆共生。在整個共生階段,根瘤菌被包圍在寄主質膜所形成的侵入線中,在寄主內合成固氮酶。豆血紅蛋白則系共生作用產物,具體講,植物產生球蛋白,而血紅素則由細菌合成。豆血紅蛋白存在於植物細胞的液泡中,對氧具有很強的親和力,因此對創造固氮作用所必須的厭氧條件是有利的。就這樣細菌開始固氮。在植物體內細菌有賴於植物提供能量,而類菌體只能固氮而不能利用所固定的氮。所以豆科植物供給根瘤菌碳水化合物,根瘤菌供給植物氮素養料,從而形成互利共生關係。

動物

動物與微生物之間共生現象的例子也很多。牛、羊等反芻動物與瘤胃微生物共生就是其中的一個例子。反芻動物的瘤胃的溫度恆定、pH保持在5.8—6.8之間,瘤胃中的CO2、CH44等氣體造成無氧環境,大量的草料經過口腔後與唾液混合進入瘤胃中,為其中的微生物提供了豐富的營養物質。瘤胃微生物分解纖維素,為反芻動物提供糖類胺基酸維生素等營養。兩者相互依賴,互惠共生。

人類

生長在印度洋科科斯群島的蝠鱝與鮣魚生長在印度洋科科斯群島的蝠鱝與鮣魚

人和人體腸道的正常菌群之間也是共生關係。人體腸道的正常菌群在一般情況下,它們的巨大數量足以排阻和抑制外來腸道致病菌的入侵,還為人提供維生素B1、B2、B12、K、葉酸等營養物質。而人體腸道為這些微生物提供良好的棲息場所。當人長期服用廣譜抗生素致使腸道中正常菌群失調後,就會出現維生素缺乏症。

海洋生物

海洋生物群落中共生現象也十分普遍,如小丑魚海葵之間;某些小蝦和海葵之間;珊瑚鱒和隆頭魚之類擔任“清潔工作”的魚之間的關係。太平洋中有一種大珊瑚──石芝,呈美麗的翠綠色,非常漂亮,這是因為其組織中共生著一種微小的海藻的緣故。

清潔魚有很多種,它們會幫助其他魚類清理身上或口中的細菌和真菌。舟鰤、清潔工隆頭魚和加州尖隆頭魚均以其他魚類身上的寄生生物為食。如果沒有這些清潔魚,其他魚類就會受到寄生蟲的困擾。因此,當清潔魚靠近時,其他魚類一般不會採取任何攻擊行動,這讓清潔魚可以放心完成清潔工作。此外,其他魚類有時還會主動去找清潔魚來幫助自己清除細菌。

生態作用

共生關係有非常重要的生態作用,據估計根瘤菌固定的氮約占生物固氮的40%。具有能夠固定氮的塊根的木本樹種,通常是最先占領貧瘠的土壤。例如在阿拉斯加赤楊由於塊根中有共生固氮菌,故能很快占滿整個冰磧土。

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