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。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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。