被电鳗电麻后,你还可能发绿光

作者: 黄雨佳

来源: 环球科学

发布日期: 2023-12-20 22:01:28

电鳗能释放高压电,可能将环境中的DNA电穿孔进周围的生物体内,导致生物“变异”。实验发现,电鳗放电可能是一种自然界中水平基因转移的机制。

电鳗是一类能瞬时释放高压电的淡水鱼,电器官放电(EOD)是它们捕食和防御的方式。电鳗生活在南美洲的亚马孙河和奥里诺科河流域,自然状态下,伏打电鳗能产生高达860伏特的电压,脉冲持续时间约1毫秒。除了这种瞬时的高压电,电鳗还能产生不同模式的电压脉冲,它们分别具有不同用途。

例如,电鳗能释放较低电压的脉冲,用于感知周围环境;在复杂环境中狩猎时,它们会产生周期性的高压脉冲;为了捕获猎物,电鳗还会集中射出高频的高压脉冲,这同时也能用作防御机制。

除电鳗外,类似的电脉冲在实验室中也有广泛应用。20世纪70年代,科学家发现电脉冲能破坏细胞膜的磷脂双分子层,在细胞膜上产生瞬时孔道,这种现象被称作电穿孔。由于细胞膜电势升高,带负电的DNA分子能在电场作用下通过瞬时孔道进入细胞。基于这一原理,科学家可以将人工构建的基因载体转入实验室培养的细菌、细胞或生物中。

事实上,我们周围的环境中存在大量的环境DNA(eDNA),它们可能来源于不同生物的粪便、分泌物、脱落的皮肤和毛发等。空气、水体、土壤等不同环境中的eDNA浓度不同,例如土壤中的eDNA含量通常为0.3~200微克/克样品,并且会随土壤深度的增加逐渐降低。

日本名古屋大学的生物学家饭田敦夫由此产生了一种联想:既然自然淡水环境中同时存在电鳗、eDNA和其他生物,那么,电鳗在捕食时产生的高压电,是否会将这些eDNA电穿孔进周围的生物体内呢?

于是,饭田敦夫团队开展了研究。他们将受精6天的斑马鱼幼鱼放进电击杯,每个杯中10条小鱼。电击杯是一种在实验室电穿孔技术中用到的特殊装置,它的杯壁由两块金属板构成,能均匀地导电,确保杯中的细胞或生物被均匀地电击。除了斑马鱼,电击杯内还放入了一定浓度的DNA载体,它们含有编码绿色荧光蛋白(GFP)的基因。如果这些DNA被电鳗成功电进斑马鱼,一段时间后,相应的斑马鱼细胞就会发出绿色荧光。

研究人员把这些装有斑马鱼和DNA的电击杯放进饲养电鳗的鱼缸,连在同一个电极上,并用夹子和细线把被麻醉的金鱼固定在电极旁作为诱饵。当电鳗捕食金鱼时,就会放出高压电。由于所有电击杯都与同一个电极相连,每个电击杯中的每条小鱼都会受到同等强度的电击。

研究人员发现,当电鳗捕食金鱼时,每咬一次都会发出约500次电脉冲,最高电压近200伏特。每咬一次的脉冲都由一组或多组脉冲序列构成,每组由高频(200~400赫兹)开始,到低频(约50赫兹)结束。每次捕食,电鳗都会咬合2~3次,因此会给电击杯中的小鱼带来1000~1500次电击。

在持续大约30秒的捕食阶段结束后,研究人员将电击杯中的小鱼取出,放在适宜的条件下培养。研究人员发现,这些历经电击存活下来的小鱼,并未表现出明显的发育异常。显微镜下,幸存斑马鱼中的5.3%都出现了绿色荧光,荧光零散地分布于它们的腹部、背部和眼睛。可见,电鳗真的把环境中的DNA电进了斑马鱼幼鱼,并让它们“变异”了。

在实验条件下,研究人员在电击杯中放入的DNA载体浓度为1纳克/微升。研究表明,在电鳗生活的亚马孙河流域,水体中的eDNA浓度可高达2.68纳克/微升,已经超出了实验条件下的浓度。因此,研究人员推测,电鳗放电可能是自然界中水平基因转移(HGT)的一种机制,即电鳗可能将自然水体中的eDNA电入栖息地周围的生物体内。

不过,由于研究人员使用的是已经发育了6天的斑马鱼幼鱼,电鳗只将DNA载体转入了幼鱼的部分细胞内,而没能让斑马鱼的全身都变绿,因为这需要电穿孔发生在斑马鱼胚胎细胞数量更少的阶段。其实,研究人员曾经尝试过使用早期的斑马鱼受精卵,但不幸的是,经过电鳗如此凶狠的连环电击,它们最终都没能存活下来。

研究人员也曾尝试让电鳗对单细胞生物“施法”,例如大肠杆菌和草履虫。

奇怪的是,同样的实验并没能让这些生物“变异”。研究人员猜测,这可能跟电鳗的放电方式有关。一方面,实验中电鳗放电的电压是200~250伏特。但在实验条件下,通常需要超过1000伏特/厘米(电击杯的厚度是1厘米)的条件才能将DNA通过电穿孔的方式转入大肠杆菌。另一方面,电鳗放电的脉冲波是钟形的,但实验室中电穿孔仪产生的脉冲波通常是方形的,且进行了多种优化,能实现效率最高且对细胞伤害最小的电穿孔。

因此,自然条件下的电鳗未必能像实验仪器那样高效地转移DNA,实验结果并不足以断定它们在实验室外的环境中也扮演了演化“推手”的角色。而且,即便eDNA真的通过这种方式进入其他物种,那些没能整合进细胞基因组的DNA也会在细胞分裂的过程中逐渐降解和丢失。所以,电鳗对促进自然界中新物种的产生究竟起到了多大作用,仍需进一步的研究。

不过,除了电鳗,自然界中还广泛存在另一类电脉冲来源——闪电。2013年,斯洛文尼亚卢布尔雅那大学的塔德·科特尼克教授提出,电穿孔可能是自然界中原核生物间水平基因转移的推动力之一。经过定量分析,科特尼克表示,在足够接近水体表面的环境,且原核生物密度足够高的情况下,闪电很可能会触发不同物种间的水平基因转移。虽然科特尼克本人并未通过实验手段证实这一点,但他在论文中提出了一系列检验该结论的实验方案。

科特尼克认为,在地球生命历程的早期,由于物种间传递遗传信息的机制非常匮乏,闪电造成的电穿孔很可能在物种演化中扮演了极其重要的角色。如果被电就能“变异”的话,你也想成为闪电侠吗?

UUID: 24270940-c146-47d2-b3be-6d9341def80c

原始文件名: /home/andie/dev/tudou/annot/AI语料库-20240917-V2/AI语料库/环球科学公众号-pdf2txt/2023/环球科学_2023-12-20_被电鳗电麻后,你还可能发绿光.txt

是否为广告: 否

处理费用: 0.0060 元