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科学家求助于低等生物,欲解开再生之谜

来源:网易探索
摘要:这样的一幕本该出现在科幻电影《侏罗纪公园》的续集中:生物学家亚历山德拉#12539。别雷(AlexandraBely)凝视着显微镜下蠕动的微小蠕虫,见证了自然界数百万年以来从未发生过的场景:这个小生物居然长出了第二个脑袋。但是,这种生物标本是一种在很久之前曾经一度失去了这种非凡再生能力的生物。但根据别雷和同事的研究表......

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        这样的一幕本该出现在科幻电影《侏罗纪公园》的续集中:生物学家亚历山德拉・别雷(Alexandra  Bely)凝视着显微镜下蠕动的微小蠕虫,见证了自然界数百万年以来从未发生过的场景:这个小生物居然长出了第二个脑袋。



  实际上,在美国马里兰大学学院公园中别雷的实验室中,双头蠕虫属于常见现象。但是,这种生物标本是一种在很久之前曾经一度失去了这种非凡再生能力的生物。



  这种物种称为沿岸拟仙女虫(Paranais  litoralis),属于一种名为贫毛类(naidids)古老蠕虫家族的一部分,通常栖息在溪流池塘边沿的松软沉积物中。一般情况下,如果在水流过急或者遭到饥饿掠食者的攻击时,这种贫毛类蠕虫会丢掉它的头,但很快长出一个新的头部。但根据别雷和同事的研究表明,包括沿岸拟仙女虫在内的一些蠕虫如今已经丧失了这一再生能力。因此别雷获得下面这一发现时感到非常惊讶,在正确的时机条件下,该生物可以恢复它潜在的头部再生能力。



  别雷说:“这一结果激动人心,因为它表明生物的再生能力依然存在,只在它处于潜伏状态。有可能在数百万年间这种能力没有表现出来。”



  别雷的发现与最近的其他研究成果促使研究人员想要弄清以下问题,为何有些动物能够再造它们的部分身体,而其他动物却没有这种能力。大部分生物都有再造身体某个部位的能力,不过这种能力在各物种间的差异极大。例如,人类可以更新皮肤和骨骼,但火蜥蜴却能够重新再生出整个肢体部位、尾巴或者被截断的其他部位。在这方面,像海星、扁形虫和海绵动物都是再生能力超强的生物。即便是分裂为细小的碎片,这些动物也能再造出它们身体中的每一个部位。



  由于再生能力可以让失去或者受伤的人体组织获得新生,医疗界对此有着浓厚的兴趣,所以科学家们长期以来都在对推动再生能力发展的分子信号给予高度关注。如今,无数生物的再生能力都有所受限或已经彻底丧失,而该研究却可以赋予动物强大的能力。近些年来,科学家已经开始探索多种生物的再生过程,以便更深层地理解这种能力起初是如何进化而来的,以及不是所有生物都具备这一能力的原因。



  这一发现向科学家们引出了一个非常困扰的问题:再生能力到底是一种什么样的能力?它是那种能让蠕虫长出新的头部、火蜥蜴再生出肢体和修复人体皮肤诸如此类的能力吗?有些科学家认为再生能力非常古老,源自很久很久之前;而另外一些科学家则认为,再生能力是在各种各样的生物体不断进化的过程中获得的。



  别雷认为所有动物的再生能力是否具有相同起源这个问题,答案对于再生生物学来说是显而易见的。她说:“再生过程在整个动物界中是否具有一致性,这个问题会深远地影响到我们如何阐释人类已知各物种的再生知识。”



  过去,研究学者们对于各种各样的再生能力只有一种解释。有些动物已经显示出潜在的再生能力,有些科学家据此认为,在进化过程中,复杂生物往往会推动再生能力,而一些低等生物则会保留下这种能力。最近有些涉及到再生能力的基因与信号转导通路研究表明,再生能力的存在与丢失是由多种因素导致的。别雷及其同事凯文・尼伯格(Kevin  Nyberg)在《生态学与进化趋势》杂志发表的一篇论文中对此进行了详细介绍。



  为了确定所有再生能力是否拥有相同的起源,科学家们必须在不同的生物群体中辨认出分子机制。在一月份于西雅图举办的整合与比较生物学学会会议上,别雷和同事对再生能力的各方面进化问题都进行了讨论,同时还讨论了生态和生理因素。



  盐湖城犹他大学的神经生物学者亚历杭德罗・桑切斯・阿尔瓦拉多(Alejandro  Sánchez  Alvarado)在该次会议上的一次专题讨论会中发言说:“如果各位观察一下到目前为止的多细胞动物和类群生物,就会发现这些生物体具有着十分优秀的再生能力。对我来说这意味着这样一种可能性,再生能力并不是每一种动物出于自身的目的而发明出来的能力,实际上它或许是我们的祖先在很久很久之前在进化过程中遗留下来的一种属性。”



  远古时期的博弈



  通过化石记录,有迹象表明动物的再生能力是不集中的。杨伯翰大学的地质学家弗里斯森・岗恩(ForestGahn)在爱达荷州雷克斯伯格镇发现了一种海百合(一种类似于现代的海星和海胆一类海洋生物)的化石,认为这些动物的首批化石可追溯至4亿9千万年以前,这些化石表明海百合具有肢体再生能力。



  海百合是形状像花朵一样的生物,生长在扎根于海底的根茎之上。像海星一样,海百合也有五条或者更多条长腕,还有一个由钙化层整齐排列在一起的外壳。有些外壳很容易脱落下来,因此海百合是一种很容易被掠食者捕捉的生物,它的腕也经常丢掉。



  岗恩和安阿伯市密歇根大学的同事托马斯・鲍米勒(Tomasz  Baumiller)仔细观察过化石之后,将其外壳脱落与再生能力联系在了一起,认为海百合受到了不断增加的进化压力,以抵抗掠食者的攻击。因为当代的海百合通常会丢掉它们的长腕,然后进行再造,结果招致了鱼类和其他海洋生物的攻击,科学家据此推理认为,化石中腕部再生过程或许可以表明了过去年代里的捕食者猎物相互作用。



  岗恩和鲍米勒二人检测了2500多种海百合化石中的腕部再生证据,二人主要集中检测那些2亿9千万年至4亿9千万年前的化石。在2004年,有科学家报道3亿8千年前的海百合化石中其具有腕部再生证据的数量是其他年代化石的三倍,而那正是贝壳类掠食者大量增加的时期。



  来自那个时期的海百全的再生能力并不是全部都有所增强。在这个物种中,最高的海百合再生能力很强,而在这些海百合中,体积大于普通体型的海百合再生能力最强、再生次数最为频繁。岗恩认为这些发现与有人称之为“植物可见性理论”(plant  apparency  theory)的解释相一致。这一理论认为最容易被看到的植物最有可能受到捕食者的攻击。而这些植物种类也是最有可能进化为最具抵抗能力的物种。



  岗恩表示,可见性理论似乎对于解释化石群落极为有用。贝壳类生物的大批出现正好与其他保护能力的出现相一致,例如外壳变厚和腕部分支的变化,目的都是为了将腕部损失降低至最小程度。



  但是,岗恩解释说,在捕食者与猎物双方发生变化的证据并不能证明其中存在着因果关系。科学家们正在进行实验,以确定在现存的海百合体内其再生能力是否会选择对它有利的举动。一月份,岗恩和鲍米勒二人到西太平洋密克罗尼西亚群岛旅行,去研究暗礁处海百合的捕食者猎物相互作用,以理解其组织丢失的类型与频率如何帮助增强受捕食者促进的再生能力。



  重要进展



  再生能力实质上就是无脊椎动物的一种繁殖能力。例如海星、海蛇尾和水螅这些生物都是通过将身体分裂为两个部分进行无性繁殖。有些像贫毛类这样的蠕虫利用其再生技术可以繁殖出第二个生物体。



  贫毛类蠕虫属于环节动物门中,还包括普通的蛔虫、水蛭和蚯蚓这些生物。大部分贫毛类蠕虫是通过芽殖这种方式进行繁殖:新个体在母体慢慢成长,直到逐渐分裂成另外一个个体。但也有一些贫毛类蠕虫会使用分裂生殖法的方式。为了繁衍后代,这种蠕虫会在自己身体内部形成一个自行繁殖区,从这个区域开始,蠕虫会慢慢长出一个新的头部和尾部,它们都是前后相连的。这种附属在一起头尾相连的蠕虫会慢慢分裂成两个蠕虫。



  在这些采用分裂生殖法的蠕虫之中,别雷发现了一些独特之处:这些蠕虫可以再造出失去的尾部,但却不能恢复丢失或者受伤的头部。然而,在12月4日发行《美国国家科学院院刊》在线版的一篇文章中,别雷及其同事报道在有些蠕虫的体内可以恢复头部再生能力。



  这些研究者发现:如果在分裂生殖过程期间的初期阶段丢失了头部,这种生物能够再长出一个新的头部。通过一系列的实验,这些科学家表明,如果他们在蠕虫分裂为两个之前,切断了正在生长的新头部组织,这种蠕虫可以恢复使头部再生的能力。



  别雷说:“新鲜的组织比旧有组织能为再生能力的恢复提供更为有效的支持,这种模式在人类身体上也有所体现。例如,有报道认为年纪小的孩子如果手指被切断的话,是有可能重新长出来的。小儿科医生在早期妊娠期间的胎儿动过手术后,出生后的婴儿身体完好,根本看不到伤口,因此也可以证明这种神奇的再生能力。”



  别雷认为这种能力表明人类可以利用适当的机制,有可能对病人动过手术不留下疤痕,甚至有可能重新生长出组织或肢体。不过对于人类而言,这种能力仍然处于潜伏状态。因为在进化中,人采用了快速治愈伤口的方法,而弥补了整个身体的缓慢再生能力。



  别雷和她的团队目前正在研究如何激活沿岸拟仙女虫体内潜伏着的再生能力。她认为这样的研究可能会对研究者指向以前未曾研究过的基因或者形成过程。如果对于人类而言,或许通过更改人体内的基因增强再生能力。



  通用机制



  扁形虫(又称真涡虫)由于具有超强的再生能力,可以视为一条宝贵的科学线索。当你切下扁形虫的头时,它会长出一个新的头。切下它的尾部,它会长出一个新的尾部。如果把它切成279个部分,它就会长成279个全新的扁形虫。



  在过去的十年中,犹他大学的桑切斯・阿尔瓦拉多和同事克隆并测试了数千个扁形虫基因,以确定它们在再生能力中所起的作用。研究发现它们用来进行再生的基因在其他许多生命体都是共有的,其中包括许多植物、线虫以及人类都具有这种基因。除此以外,这种基因还可以保存起来,基本上永远不会发生变化。



  桑切斯・阿尔瓦拉多说:“许多研究之前都假定可能是因为基因丢失才造成了再生能力的差别。由于失去了某些基因,所以动物们就不具备了再生能力。但是我们通过研究发现,这个观点是错误的。”他还提到,生物体之间的基因基本相同,不同的只是在使用方式上稍微有所差别而已。



  他的团队使用了一种名为RNA干扰的过程,一个接一个让基因失去作用。通过这一过程,这个团队展示了一种细胞信号导转通路(即一个细胞内的一系列分子事件)在进行胚胎发育时,如何在再生过程中起到作用的。在这项研究中,通路会基于伤口位置,告知扁形虫是否再生出一个头部或一个尾部。



  桑切斯・阿尔瓦拉多打开细胞信号导转通路(他将它称之Wnt)时,在扁形虫在头部位置会生成尾部。当他关闭细胞信号导转通路时,扁形虫则会生成头部。



  在十二月,他的团队在《科学》杂志公布了进一步的研究成果。这篇论文中,他们把另外一种古老的、在进化过程中生存下来的分子信号通路――刺猬当作一个主开关,用来调节再生过程期间的Wnt通路。桑切斯・阿尔瓦拉多认为这种古老的细胞信号导转通路可以在形成过程在关闭胚胎的行动模式。然而,由于在形成初期两种通路是以不同的方式运行的,这给他的研究带来了一个惊喜。



  在胚胎形成过程中,Wnt通路和刺猬通路是作为一个整体工作的,建立了一个相互依赖的反馈回路,以确定胚胎的行动模式。桑切斯・阿尔瓦拉多认为这项最新研究成果建立了一种信号事件的等级关系,这将再生能力研究引到了一个新的方向。在这个实验中,意味着确定是生成头部还是生成尾部。



  他说:“这说明在两种通路中存在着某种独特的调节作用,从而产生了再生过程。但问题在于,我们能否重新利用这些工具,并且当我们将这些工具用于再生过程时,应该如何使用它?”



  尽管再生过程和胚胎形成都取决于相同的分子通路,但是两者的过程根本上是不同的。例如在再生一个肢体时,身体必须及时恢复,以便在其他事件发生之前的初期重新生成身体器官。他说有些局部线索可以表明,组织是如何恰当作出反应,并且如何将附近的组织组合在一起。



  不同意见



  虽然大多数用于再生过程的分子机制在多细胞动物中有其共性,但有一些机制是不同的。因此有些科学认为再生过程并不是源自很久之前的一种古老过程,而是在不同的有机体中通过一次又一次的进化发展而成的。



  英国伦敦大学学院的杰里米・布罗克斯(Jeremy  Brockes)认为,就像一支管弦乐队一样,虽然主旋律基本相同,但是各种乐器是以不同的方式演奏出来的。他对火蜥蜴长达十年的研究使他确信,优秀的再生能力是在各种动物种类中独立进化而来的。



  通过对火蜥蜴蛋白质Prod  1(火蜥蜴和蝾螈细胞再生的重要标志)的研究,使他更加确认了这一点。



  涉及再生过程的大部分蛋白质和基因在其他动物体内也出现了与Prod1相对应的产物。目前仅在火蜥蜴体内发现了Prod  1蛋白质。布罗克斯说,更为重要的是,有一种“三指蛋白质”可以视为“局部进化的关键性例子”。例如,在蛇的体内有一种不同的三指蛋白质在毒液器官的进化过程中起到了重要作用。



  尽管这样的进化事件相当普通,布罗克斯说这并非是大多数研究者所认为的再生过程方式。



  他说:“我们把再生过程看作为一种统一的机制,提出的问题往往是‘为何我们已经失去了再生能力?’但这并没有将局部性进化事件考虑进去。这就好只需要一个指挥,整个交响乐队就能演奏一首完全不一样的曲子。”



  布罗克斯认为,认识到其中真正存在的问题非常重要,特别是在再生医学领域。



  他说:“我们应该询问的是,我们是真的‘失去’了这种再生能力,还是火蜥蜴在进化过程中具备了这样的新奇能力?”



  他和同事正在寻找用于再生过程的其他蛋白质,并且努力弄清像Prod1这样的蛋白质引起再生反应的方式。



  下一步需要进行的研究的问题,是测试各种具有再生能力的生物其再生机共通性究竟有多大?只有到了那个时候,科学家才能知道人类和其他非再生能力生物是否已经失去了数百万年以前我们祖先所拥有的那种神奇再生能力。



  桑切斯・阿尔瓦拉多说:“这是一个漫长的过程,我认为这是一件逐步发展、缓步前进的事情。这的确只是一个时间问题。”
作者: 2010-2-12
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