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2021-10-09 11:10

扁虫的金属

A planarian flatworm splits in three, and each piece regenerates into a new worm.

当涡虫想要繁殖时,有些会有性行为。其他人,更直接地,把自己撕成两半。

后一种选择是快速而激烈的。涡虫最初是一种小而扁平的蛞蝓状生物,有一个铲子形的头和两只大眼睛。经过几分钟的拉伸和撕裂,它分成两半——头和尾。几天后,头长出一条尾巴。更神奇的是,尾巴又长出了头。“这太令人兴奋了,”斯沃斯莫尔学院(Swarthmore College)研究这些动物的伊娃-玛丽亚·柯林斯(Eva-Maria Collins)告诉我。繁殖它们是轻而易举的事:给它们足够的食物,真涡虫会通过将自己减半来重复地使自己翻倍。如果柯林斯需要更多的动物,她可以用手术刀就像蠕虫用自己的肌肉一样。正如博物学家约翰·格雷厄姆·戴利尔(John Graham Dalyell)在1814年所写的那样,真涡虫“在刀尖下几乎可以说是永生的”。

真涡虫有数千种,它们都与我们更熟悉的蚯蚓非常不同。它们的身体是由肌肉和结缔组织组成的篮状结构,内部没有充满软器官的空洞。嘴位于底部的中间,并兼作肛门。它们通过背部的毛孔释放液体废物。它们通过扩散获得氧气,缺少肺、鳃、心脏和血管。它们确实有不同的大脑——在头部有两组神经元。这就形成了一个由两条神经索组成的阶梯状神经系统,这些神经索沿着身体向下延伸,并由横向的梯级连接。

这种不寻常的解剖结构更奇怪,因为它可以忍受等分。这一壮举至少从9世纪开始就引起了人们的兴趣,但很难观察到。真涡虫每个月只自我分裂一次,而且这个过程在几分钟内就结束了。它们也喜欢在黑暗中分裂,如果受到打扰就会停止。为了研究它们,柯林斯和她的团队连续几个月拍摄了一个物种,日本杜氏藻(Dugesia japonica)。他们看到这个生物开始自我解剖,把腹部收缩成腰部,把雪茄的形状变成沙漏。然后,它将头部和尾部固定在实验室的培养皿中,但通常是在野外的水下岩石中,收缩中间的肌肉,反复拉伸腰部的肌肉,直到它破裂。(这一过程因物种而异;在地中海施米德,虫子越大,它就能从尾巴上撕下越多的肉块。)

蠕虫一旦分裂,碎片就不会闲着。1822年,博物学家詹姆斯·罗林斯·约翰逊(James Rawlins Johnson)写道,一旦它们彼此分离,它们似乎“就具备了完美动物的特性,可以像分离以前那样在水中游动”。两个世纪后,柯林斯证明了这种自主性比任何人想象的都要深刻。她的团队(包括本科生迪伦·勒(Dylan Le)和齐亚德·萨布里(Ziad Sabry)以及高中生阿拉夫·钱德拉(Aarav Chandra))证明,完整的涡虫在被刺激头部时会转动,被刺激中部会伸展,被刺激尾部会收缩。但如果把那只涡虫切成头部、躯干和尾部三部分,那么每一部分的行为就像整个生物一样。躯干的前端会像头一样转动,后端会像尾巴一样收缩。

柯林斯认为,控制这些行为的神经回路在涡虫的全身上下都在重复,所以身体的每个部分都能像头、躯干或尾巴一样活动。通常情况下,真正的头的存在会阻止下游区域发挥类似的作用。但在被斩首后,剩下的涡虫的最前面部分可以承担现在失踪的头的职责。柯林斯将这种极端的适应能力视为一种生存策略。这意味着每一块碎片都能逃离危险,给了它足够的时间让它非凡的再生能力发挥作用。


并不是所有的真涡虫都能再生,但有些真涡虫往往在这方面非常出色。当食物匮乏时,它们可以通过破坏自身细胞来“退化”,但当环境改善时,它们又会长大。他们通过定期更换旧的组织和器官来抵抗衰老过程。他们几乎可以从任何身体伤害中恢复(尽管有些比较棘手;两眼之间的切口可以促使涡虫再生两个头)。生物学家托马斯·亨特·摩根(Thomas Hunt Morgan)曾估计,一只完整的真虫可以从它身体的279分之1处再生。宾夕法尼亚西切斯特大学(West Chester University)的Oné Pagán写道:“没有多少动物能让自己的神经系统再生,我也不知道还有什么动物能让大脑再生。”Oné Pagán是《第一大脑:真虫的神经科学》(The First brain: The Neuroscience of Planarians)的作者。

读:不应该痊愈的大脑

当真虫自然分裂时,头部碎片通常更大,包含大脑、眼睛、嗅觉和味觉传感器以及嘴巴。柯林斯告诉我:“头部部件只需要愈合伤口,然后继续工作。”与此同时,尾巴必须再生其他一切。没有嘴,它就无法获取营养。相反,它的一些细胞会自我毁灭,以提供制造新肉的原料。斯托尔斯研究所(Stowers Institute)的真涡虫专家亚历杭德罗Sánchez阿尔瓦拉多(Alejandro Sánchez Alvarado)告诉我,慢慢地,被分离出来的尾巴会经历“大规模的重塑”,“最终得到的是原始动物的一个微小版本。”柯林斯补充说,尾部碎片的死亡几率是头部碎片的10倍左右,但仍然有八分之七的碎片能存活下来。

这种能力依赖于一种叫做新生细胞的特殊细胞,这种细胞只在真涡虫身上发现过。它们分布在这种生物的全身,约占其细胞的25%至30%。2014年,麻省理工学院(MIT)彼得·雷迪恩(Peter Reddien)领导的一个团队用致命剂量的辐射轰炸了一只涡虫,并从另一个个体身上移植了一个新细胞到这只注定要死亡的动物的尾巴上。当接受者从头部向下死亡时,移植的新细胞开始从尾部向上产生新组织。新的细胞最终取代了所有垂死的细胞,就好像供体涡虫通过一个细胞接管了受者的尸体,使其恢复了活力。两周后,一只完整健康的动物——忒修斯的涡虫——爬走了。

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当然,大多数动物都是从一个受精卵发育而来的。但当卵子变成胚胎时,其中的细胞就会变得更加固定。皮肤细胞不会变成神经元。干细胞更为灵活,但在成年动物身上,即使是干细胞也有其局限性:血液干细胞不能制造肝细胞或心脏细胞。成年涡虫的新母细胞没有这样的限制。它们是不受限制的可能性,能够产生任何组织或器官。

新生细胞不会孤立地工作。瑞迪恩移植的那个没有开始造眼睛或大脑;它创建了适合其位置的组织。这是因为某些分子的浓度沿着涡虫的长度变化,从前到后,从上到下。这就创造了一种坐标系统,告诉每个部分的细胞在整个身体平面中的位置。它们可以在再生过程中利用这些信息再生所需的东西。正面可以再生反面,而不是额外的正面(尽管可能会出现错误)。反面做正面。树干长出头和尾。不管它们的起源是什么,这些新动物似乎都记得它们过去的存在。


在20世纪50年代和60年代,生物学家詹姆斯·v·麦康奈尔(James V. McConnell)证明,被迫再生大脑的无头真涡虫仍能记住它们在被斩首前学会的行为。他甚至发表了一些研究结果,表明未经训练的真涡虫可以表现出经过训练的真涡虫已经学会的行为,如果前者吃掉后者的碎肉的话。怀疑论者批评这些实验,认为麦康奈尔只是看到了他想看到的行为。但几十年后,塔夫茨大学(Tufts University)的迈克·莱文(Mike Levin)和塔尔·肖姆拉特(Tal Shomrat)开发了一种机器,可以在没有任何人为干扰或偏见的情况下自动训练和跟踪真涡虫。他们发现,经过训练后能够识别粗糙培养皿纹理的蠕虫在被斩首并长出新头后仍然能够识别。

阅读:一种通过融合分享记忆的无脑黏液

莱文认为,至少这表明记忆确实可以存储在大脑之外。这也加强了他的感觉,课本上关于记忆的观点是错误的——记忆是由不同神经元之间突触连接的强度编码的。相反,莱文怀疑神经系统可能已经进化到解释记忆而不是编码它们;它们储存在其他地方,在我们细胞的某些方面,还没有人确定。明确地说,这是高度推测性的。莱文告诉我:“我们只有一项研究,它远没有定论。”“但这只是表明我们根本不了解记忆的众多数据之一。”

真涡虫也使其他看似简单的概念复杂化。想想莱文和他的同事在2016年提出的一个问题:一个被一分为二的涡虫再生成两个新的动物后,从头部生长的涡虫会把从尾部生长的涡虫视为它的双胞胎、兄弟姐妹、孩子还是它自己?答案并不明显,因为这些词是由人类定义的,而人类是一个不能通过分裂来繁殖的物种。莱文告诉我:“奇怪的事情正是你需要注意的事情。”“他们会告诉你,你的世界模型在一些重要方面是不完整的。你必须珍惜例外。”

阅读:人类再生的解决方案可能存在于一个长期被忽视的科学分支中

真涡虫当然是例外,但它们的才能并非独一无二。许多其他动物,包括蝾螈、蜥蜴和海星,都能使身体失去的部分再生。有几种可以一分为二繁殖,包括海葵和有触须的水螅。许多科学家研究这些生物,希望找到医学上的突破,恢复受损的器官和失去的肢体。但更直接的奖赏是认识到我们对自然的理解是多么不完整,我们的语言和概念是多么受到我们自己不灵活、不可分割的身体的限制。

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