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2020-09-15 20:00
吃多了,会长手?

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者: 糖兽,题图来自:电影《阿丽塔:战斗天使》



小时候的儿童书籍里,经常有类似“一只青蛙一张嘴,两只眼睛四条腿”一类的顺口溜。这样简单的一句话,描述了动物的肢体自出生后就是固定的,它背后隐藏了这样一层意思,猫咪和小狗是有四条腿的动物,人是有两条腿的动物,蜘蛛是有八字腿的动物……


通常来说,几乎所有动物的肢体数量都是不可改变的,这类体型特征是由基因决定的。然而,一篇于近期发表在《自然-通讯》杂志上的文章却报道了一种“神奇”的动物,这种动物的肢体数量不由基因决定,而是由它们吃了多少食物决定。假如人类也是如此,那就意味着我们吃得越多,胳膊和腿的数量也就会越多。


拥有这项宛若科幻电影中的神奇超能力的物种名为星状海葵(Nematostella vectensis),是一种对环境有着极强适应能力的水生刺胞动物。


 星状海葵(Nematostella vectensis),图片来源:Wikipedia



一直以来,科学家都知道如海葵、珊瑚虫、水螅虫等刺胞动物都具有持续发育的能力。它们就像植物能不断长出分枝一样,一生中都能产生新的器官和身体轴。


星状海葵就是这样一种小小的、像花朵一样的无脊椎刺胞动物。它们的最初生命形态是一些可以移动的小幼虫,这些幼虫在发育过程中,会在细腻的泥中挖洞,渐渐长成成虫。它们的顶端长有嘴,以小型的软体动物和甲壳类动物为食。帮助它们捕食的是布满了毒液的触手,这些触手会将食物拖曳进嘴中。


一直以来,研究这种动物的科学家都好奇于,为何有的星状海葵的触手只有4条,而有的则多达24条。究竟是什么控制了这些动物的发育机制?


星状海葵的触手数量并不固定,图中左边所示的星状海葵有4个触手,右边所示的有16个触手。图片来源:A. Ikmi et. Al. / Nature


为了找到这个问题的答案,在一项新的研究中,一组生物学家在实验室中培养了1000多个正在成长的星状海葵,并在喂养的过程中,注意到一个有趣的现象。他们发现,星状海葵的触手数目的增加,与食物的摄入之间存在依赖关系——给星状海葵喂养更多食物,它们的触手出现得越快,有的可以在几天之内就长出新的成对的触手;但当喂养速度减慢时,触手的生长就会随之减缓。



那么是什么驱动了触手的生长呢?


研究人员发现,星状海葵有4根最初的、最基本的触手,在这4根触手长成之后,额外的触手的生长直接受食物供应的影响。在正常情况下,星状海葵大约需要5天的时间能发出“新芽”,再经过约5天时间,“新芽”就会长成发育完全的触手。


 在四个基本触手之外,星状海葵还会成对地长出新的触手。图片来源:A. Ikmi et. Al. / Nature


他们还发现,星状海葵拥有一种细胞信号通路,这种信号通路可以将摄入的营养与发育过程联系起来;当研究人员在实验中将这种信号通路阻断时,星状海葵就不再能长出新的芽和新的触手,即便它们并没有停止进食。


然而,这并不是故事的全部。在这项研究中,生物学家发现,要让星状海葵能长出新的触手,还有另一个至关重要的因素。


在观察星状海葵的触手的发育过程中,研究人员注意到,星状海葵的成虫阶段的触手的发育过程,是有别于最初的四个触手的。于是,他们从肌肉细胞中识别出了负责最初的4个触手生长的基因。接着,他们将这种基因移除,创造出了缺乏该种基因的星状海葵。他们发现,被移除了关键基因的星状海葵,只能完好地长出前4个触手,但是却无法再长出更多的触手,无论吃得再好。


 星状海葵的发育过程。图片来源:Anniek Stokkermans/Embl


这也就是说,一旦没有了这个关键基因,星状海葵根本就长不出新的触手。而且他们还发现,这种基因越是活跃的肌肉细胞,越可能成为下一波长出触手的地方。这种生长也会影响邻近的肌肉细胞激活它们之中的这种基因,于是在星状海葵身上产生连带式的触手生长。



到目前为止,星状海葵是已知的第一种以这种机制生长触手的物种。在此之前,也有研究曾发现过一种被称为垃圾葵(Aiptasia)的小型棕色海葵的触手发育与摄入的营养之间存在依赖关系,但具体的依赖机制仍然悬而未决。


对于从事发育生物学的研究人员来说,这是非常令人兴奋的发现。在海葵的生命周期中,它们需要不断地调整自己的身体以适应不断变化的环境条件。而新的研究证实了,其实这些海葵的触手的不断生长,也是需要利用复杂的基因过程才能做到的。


现在,关于海葵还存有一些未解的问题,例如它们究竟是如何调整自身的生物学特性的。接下来,研究人员将会探索进食依赖过程是否也与再生有关,并进一步确定肌肉在决定新触手的形成位置方面所具有的具体作用。


参考来源:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18133-0

https://www.sciencemag.org/news/2020/09/more-they-eat-more-tentacles-these-sea-anemones-sprout

https://www.newscientist.com/article/2253436-sea-anemones-grow-more-tentacles-when-they-have-plenty-of-food-to-eat/?utm_campaign=RSS%7CNSNS&utm_source=NSNS&utm_medium=RSS&utm_content=home


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者: 糖兽                

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