蝗虫等小型植食动物是如何消化食物的？ 第1页

蝗虫口器将食物粉碎到一定程度后送进消化道，用自身制造的消化酶和共生菌制造的消化酶对食物进行分解。蝗虫消化道里的共生微生物可以有效分解吃下去的纤维素之类植物成分并和蝗虫分享^[1]。那些微生物处理纤维素的能力远超哺乳动物瘤胃里实现类似功能的微生物，后者的上限之低早已引起人类的注意^[2]。

不限于蝗虫，昆虫有四种分解纤维素的方式：

• 借助消化道里共生的单细胞真核生物，
• 借助消化道里共生的细菌，
• 使用从食物中获得的真菌纤维素酶，
• 自行制造纤维素酶。

通常，共生菌的性能可以好到不需要自行制造纤维素酶。跟哺乳动物吃草后的表现比起来，蚱蜢都能谈谈当生物反应器的潜力了^[3]。这可以归因于共生菌的物种差异、消化道内的酸碱度等。

蛀木水虱的消化道在正常情况下是无菌的，自己分泌纤维素酶。能自己分泌纤维素酶的节肢动物、线虫、蜗牛、蚯蚓看起来还有很多，白蚁也有一些物种产生内源性纤维素酶^[4]。

蛀木水虱 Limnoria quadripunctata 可以分泌真菌常见的 GH7 糖苷酶的改进版本^[5]，分解纤维素的效果比真菌 GH7 更强且环境稳定性好，可以在盐度比海水高七倍的恶劣环境里继续运作。而且，蛀木水虱的血青蛋白可以参与分解纤维素。

• 英国科学家研究发现，蛀木水虱先把木头嚼成很小的碎片，再利用血青蛋白的氧化能力破坏纤维素的化学键，最后用 GH7 糖苷酶分解纤维素释放出葡萄糖。这样处理木材释放的糖是木质分解真菌从木材里释放的两倍以上，与目前在工业预处理中使用热化学方法释放的糖量相当，而热化学法是个耗能大户。

• 约克大学生物学系西蒙·麦奎因-梅森教授说：“蛀木水虱是已知唯一具有无菌消化系统的动物，所以研究它如何消化木材，比研究其他生物容易些。就说白蚁吧，它们依靠成千上万的肠道微生物来消化木材，研究的难度就大了。”

蛀木水虱 GH7 已经被人类分析，合成它的基因可以转入工业微生物体内。进一步研究也在蛀木水虱体内找到了 GH5、GH9 等微生物经常使用的纤维素酶，都是它自己分泌的。

参考

1. ^ Su LJ, Liu H, Li Y, Zhang HF, Chen M, Gao XH, Wang FQ, Song AD. Cellulolytic activity and structure of symbiotic bacteria in locust guts. Genet Mol Res. 2014 Sep 29;13(3):7926-36. doi: 10.4238/2014.September.29.6. PMID: 25299108.
2. ^ Weimer PJ. Why don't ruminal bacteria digest cellulose faster? J Dairy Sci. 1996 Aug;79(8):1496-502. doi: 10.3168/jds.S0022-0302(96)76509-8. PMID: 8880475.
3. ^ Wang JM, Bai J, Zheng FY, Ling Y, Li X, Wang J, Zhi YC, Li XJ. Diversity of the gut microbiome in three grasshopper species using 16S rRNA and determination of cellulose digestibility. PeerJ. 2020 Nov 5;8:e10194. doi: 10.7717/peerj.10194. PMID: 33194406; PMCID: PMC7649011.
4. ^ Watanabe, H., Noda, H., Tokuda, G. et al. A cellulase gene of termite origin. Nature 394, 330–331 (1998). https://doi.org/10.1038/28527
5. ^ 这是人类首次发现动物基因组编码GH7。白蚁的共生微生物也是用这类酶的。