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头被砍掉还能再生,这种动物是“不死”的

全身可再生,不止是科幻电影里的场景。

撰文 | 栗子

审校 | clefable

图片来源:Wallpaperup

古希腊神话里,有一种刀枪不入、巨毒无比的怪兽,名叫“海德拉”(Hydra)。按照大部分典籍的记载,这怪兽有九颗头,所以人们也叫它“九头蛇”。除此之外,海德拉还有一项令人胆寒的技能,它每次被砍掉一颗头,便会立刻生出两颗新的头,很难被打败。

在现实世界中,也有一些动物的头部可以再生,比如水螅(Hydra)。于是,它们顺理成章地继承了邪恶怪兽海德拉的名号。相比之下,蚯蚓被截成两段,有头的一段可以再生出其他部分,没有头的一段却无法变成一条完整的蚯蚓了。

而水螅包含头部在内的所有部位基本都能再生,这代表它们在生物学上是不死的。除非通过饿死等等其他方式杀掉水螅,不然它们几乎可以无限制地自我更新。因此,许多科学家为之着迷,好奇水螅头部再生的机制究竟是怎样的。

现在,加利福尼亚大学欧文分校的一支研究团队,找到了一些头绪。

不止一种方法能长出头部

水螅属于刺胞动物(Cnidaria),约有20-30种。它们身材小巧,短的体长大约1毫米,长的也只有20毫米左右。

要形容水螅的外观,那大致就是一根圆管。管子的一边是头部,那里有嘴(学名垂唇,Hypostome),嘴旁边围绕着一些带刺的细长触手,用来捕食。和我们的嘴不太一样,水螅的嘴还起到肛门的作用。管子的另一端则是基盘,能牢牢附着在岩石或其他坚硬的表面。

上为头部,中为身体,下为足部,头部中间是嘴丨图片来源:doi:10.1002/dvdy.10225 & Anna Klompen/University of Kansas

只是,水螅头部并没有真正意义上的大脑,它有的是50-300个细胞组成的细胞团,可以叫头部组织器(head organizer),长在嘴的近旁,负责安排一些发育过程:比如要长出一颗新头时,这个细胞团会发出信号来决定其他细胞的命运,谁变成嘴的一部分,谁变成触手的一部分等等。

不过通常来说,水螅要长出新头不是因为头掉了,而是在孕育后代。它们的一种主要繁殖方式是出芽生殖(budding),就像树干上长出新的枝杈那样:由一个小小的芽体,慢慢变为一只成熟的子代,等到不再依靠母体营养也可以独立生活的时候,它便与母体脱离开来。

出芽生殖,产生和母亲几乎一样的后代丨图片来源:A.houghton19

这个过程属于无性繁殖,后代水螅的基因与母体几乎一样,也就是“克隆”。之前科学家们猜测,水螅被断头时,可能也要借助同样的机制来生成新的头。

但这一次,研究团队在普通水螅(Hydra vulgaris)身上,仔细观察DNA的工作情况后,却发现在无性繁殖时与断头再生时,活跃表达的基因有很大区别。也就是说,水螅有两种不同的途径来制造头部,一种用来生产后代,一种用来拯救自己。

那么,科学家是如何观察DNA的?一个基因要表达,得先转录出mRNA(信使RNA),随后mRNA会在核糖体里被翻译成蛋白质。而要进行转录,需要先让DNA致密的双链变得松散一些,这个过程叫“染色质重塑”。所以,在水螅断头再生期间,只要看DNA双链的哪个部分出现重塑,就能找出活跃表达的片段。

基因转录,DNA双链打开丨图片来源:Genome Research Limited

另外,转录过程需要启动子(promoter),使特定的基因能被转录,也会需要增强子(enhancer),来加强某些基因的转录。启动子和增强子不属于基因,只是调控基因表达的元件,但也是DNA上的片段,位在基因上游或下游。研究团队就是要观察这样的区域有无反应在进行,来确定哪些基因参与了断头再生。

结果科学家发现,在他们观察的9998个启动子和3018个增强子样区域当中,确实有一部分在水螅断头再生过程中经历了“染色质重塑”,或者说参与了再生任务。团队还发现,负责与这些启动子/增强子结合的转录因子,在断头再生期间的含量更丰富了。而一些跟发育有关的转录因子就在其中。

如此一来,科学家确认了参与水螅头部再生的一些基因。当他们把这些基因,和水螅无性繁殖过程中活跃的基因放在一起,便发现很不一致。换句话说,与无性繁殖中制造头部相比,断头再生是另一个独特的过程。

它的大部分细胞,都是干细胞

基因组本身没有改变,只是换成一种与平常不同的基因调控方式,水螅就能完成断头再生的壮举。这在生物学上就表观遗传学(epigenetics)的范畴。

你还可能记得,水螅头上有个名叫“头部组织器”的细胞团。在制造新头的过程中,这个细胞团会告诉其他细胞,要成为嘴还是触手还是别的部分。而当科学家切掉水螅的头,水螅依然可以借助表观遗传活动,调控基因表达,依靠其他部位的细胞生成新的“头部组织器”,然后利用剩余的任何细胞造出完整的新头。

并且,水螅断头再生只需要大约48小时,而无性繁殖中长出一个新头需要72小时左右。至于速度差距从哪来,今年3月的一项研究认为,水螅被断头后迅速重组嘴部,是紧急情况下的生存机制。而如今,科学家们将自己的成果与前人的研究结合起来,认为也是紧急情况令治疗进程获得了更高优先级,而生殖属于日常活动,可以按照原有的速度进行。

不只限于头部被砍,身体任何一个部位受到损伤时,水螅几乎都可以在几天内让它们长回来。就算一只水螅被拦腰砍成两半,它还可以变成两只水螅。

人类的时间是有限的丨图片来源:pixabay

水螅身体里的大部分细胞都是干细胞,它们的自我更新几乎不受任何限制,也就很难遇到衰老相关的问题。而在人类身上,同样全能的细胞可能只存在于胚胎早期。

曾经有其他科学家,用另外一种水螅――大乳头水螅(Hydra magnipapillata)做过估算,认为在实验室严格控制的条件下,有5%的水螅能活到1400年以上。

还有一些科学家不信邪,比如美国波莫纳学院的生物学家丹尼尔・马丁内兹(Daniel Martinez)就说过:“我曾经企图证明水螅逃脱不了衰老,但我后来用自己的实验数据,不止一次证明了那个想法是错的。”

谁来组成头部?

参考链接

https://www.eurekalert.org/news-releases/936568https://elifesciences.org/articles/60562https://www.the-scientist.com/news-opinion/how-hydras-regenerate-decapitated-heads-69523https://www.nature.com/articles/nature12789/https://www.insidescience.org/news/how-hydra-regrow-their-heads

本文经授权转载自微信公众号“环球科学”。

原论文:

https://academic.oup.com/gbe/article/13/12/evab221/6455029