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从窃取基因到再生肢体 不服输的生命

媒体:《中国科学报》  作者:唐一尘
发布:日月峡科技 2018/3/15 12:11:52

大自然教给了人们很多东西。近日,《科学》杂志探讨了动物、植物和细菌在面对稀缺资源、捕食者和其他挑战时,如何使用不同的弹性策略生存下去。

▲再生魔咒

人类应该嫉妒蝾螈。人体的再生能力是有限的:骨折、伤口愈合,大部分肝脏可以再生,但仅此而已。但是,一种被称为“墨西哥行走鱼”的大型蝾螈,看起来像一条20厘米长的有腿鳗鱼,能够再生全部肢体,甚至是尾巴,这意味着它能重新生长脊髓、脊骨和肌肉。

大约有30个研究小组正在探索蝾螈是如何做到这些的。

研究人员发现,蝾螈不同的组织能合作探测肢体损失和协调再生。在这个过程中,这种动物能激活那些在胚胎发育期间形成结构的基因通路,导致干细胞分化。

在动物王国中,蝾螈只是具有再生能力的动物之一。真涡虫有更强的恢复能力——在失去90%的身体后依然能恢复。这种2厘米长的水生生物的一小部分就可以再生出大脑、皮肤、肠道和其他所有功能器官。

同样,干细胞是关键,而在真涡虫肌肉中活跃的一组特殊基因会告诉这些干细胞做什么,并在正确的时间激活正确的细胞生长和分化。因此,真涡虫几乎可以“白手起家”开始重生,而蝾螈只有当主体保持完整时才可以重生。

今年,研究人员测序了这两种物种的基因组,进一步研究了其再生能力背后的分子。最终希望:有一天,受伤的人类能进行同样的修复。

▲偷基因求生

想象一下,一名住院的癌症患者肺部严重感染。当一种强大的抗生素源源不断进入病人体内时,肺炎杆菌似乎是注定要失败的。但它可以部署一种经过了数十亿年的恢复策略:从另一个细胞中借用一个基因,使病原体得以存活。

当环境改变时,生物体要么适应要么死亡。肺炎杆菌和其他细菌通过从其他地方获取基因,加速了适应过程。这种水平的基因转移使这些细菌获得了新特性——从在奶酪中茁壮成长到抗生素抗药性。

研究人员认为肺炎杆菌从另一种尚未被确认的细菌中获得了它的抗生素破坏基因blaKPC。带有这种基因的肺炎杆菌会产生一种能分解几种抗生素的酶。

就像自然界的许多恢复策略一样,窃取基因也有代价。有时微生物会吸收有害基因而不是有益基因。就像篮球团队刚吸纳一名新队员一样,从获得的基因中产生的蛋白质可能与细胞其他蛋白质不相吻合。但不幸的是,对病人来说,肺炎杆菌的策略效果很好:这些细菌杀死了40%到70%的感染人群。

▲松鼠的应急储备

在美国南达科他州大草原上四处奔走,地松鼠会用狂吃的方式迎接冬天的来临。当一只松鼠在冬眠时,体重将会飙升40%,这要归功于额外的脂肪。

在干旱、迁徙、寒冷的冬天以及其他挑战中,生物常常面临资源匮乏困境。为了解决这一问题,松鼠和其他许多生物一样,储存以后要使用的资源。一天之内,它能在种子、蚱蜢和其他美味佳肴中获得超过2%的体重。

但这种策略也有缺点。一只矮胖的啮齿动物更容易成为鹰或土狼的猎物。而且,这些应急储备也会提前耗尽。因此,一旦一只松鼠长到足够胖,它就会进入冬眠,把能量消耗降低90%。这时,它的体温降至略高于冰点,心率降至每分钟5次,低于通常的350到400次。

脂肪的堆积需要代谢和行为的调整。但是,松鼠在某种程度上回避了困扰肥胖人群的健康问题。虽然它发展出了2型糖尿病的一些代谢缺陷,但并没有生病。到了春天,松鼠会又瘦又结实,准备重新开始这个循环。

▲植物也能打斗

不像人们有双腿,植物不能逃避它们不喜欢的东西——但它们在受到攻击时却表现出非凡的恢复力。野生烟草植物是北美地区一种1米高的植物,它能保护自己不受饥饿昆虫的侵袭。

这种植物能感知到毛毛虫唾液中的氨基酸化合物,并发出警报信号——即通过其茎和叶发出的液压或电脉冲。几分钟之内,植物细胞就会加速产生尼古丁,这种毒素会干扰动物的肌肉功能。

当被攻击时,野生烟草的一个叶片就可以产生相当于半盒香烟的尼古丁。但是一些毛毛虫,比如天蛾,已经进化出了一种让毒素通过肠道但不吸收它的方式,这就迫使野生烟草采取新对策。这些植物能产生阻碍消化和使毛虫呆滞的化合物,以及损坏攻击者口器的磨蚀物质。

与此同时,该植物还能通过发出一种气味吸引毛毛虫捕食者,然后发出化学信号引导这些捕食者捕捉已经迟钝的猎物。此外,被围困的植物还能重定向其资源,推迟开花和生长,直到毛毛虫消失。令人惊奇的是,所有这些都不是由植物的中央大脑决定的,而是由散布在整个植物中的决策细胞决定的。

▲鱼能切换性别

鱼是繁殖恢复力的主人。在一生中,大约有450个鱼类物种能改变性别,以使它们的后代数量最大化。

鱼通过荷尔蒙的变化使它们的器官从一种性别转变为另一种。性别转换的模式因物种而异。大雌鱼产的卵比小雌鱼要多,因此对于某些物种,比如小丑鱼,最好是在生命的早期阶段当雄鱼,然后再变成雌鱼。但是,对于某些鱼而言,雄性为了争夺雌性或领地而互相争斗——比如石斑鱼、海鲷以及棘鬣鱼,雄鱼体型过小就意味着没有后代。因此,这些鱼在幼年以雌鱼为好。

现在,这种古老的策略允许海鲷等鱼适应现代的挑战,这种挑战也扰乱了性别平衡:过度捕捞。渔民喜欢捕捞个头较大的鱼。因为一种性别通常比另一种性别体型更大,所以更容易被捕捞。但研究人员发现,海鲷已经准备好了。

为了使雄鱼体型不要过大,一些雌鱼会更早出现性别变化,因此两性的平衡被保留下来。尽管如此,研究人员表示,这只是一种短期策略,而非长期解决方案。这一趋势也意味着海鲷后代数量的减少。

无论如何,这种恢复力策略使鱼类能够繁衍后代,但它们不能完全靠自己拯救自己。(唐一尘编译)

 

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