我去太空游了游,回来就长了两颗头?

鹰隼

涡虫大概也算是当今生物界的网红之一了。涡虫纲的生物最为人所熟知的就是它们谁强谁攻、自攻自受无限再生的性质：切头长头，切尾巴长尾巴，切成279份，就能长出279只完整的虫子[1]；不要说切出一只足球队了，大概连观众都能切出来，因此，涡虫也被称为“刀锋下永生”的生物。

图1.这个1898年的实验展示了如何把涡虫切成小碎块并重新获得好几只涡虫。图左为切割示意图。12月20日，一条涡虫被切成了9段。图右自上而下是为编号I-V的涡虫碎片逐渐长成完整涡虫的过程，从左向右分别绘制了1月4日，1月11日，1月17日，2月5日，2月19日，以及3月13日的生长情况。图片来源：参考文献2

涡虫无限再生的能力源自它们强大的成体干细胞库。在特定条件的刺激下，干细胞能够增殖、分化为具有专门功能的细胞，例如神经细胞、肌肉细胞等。 近几年来，研究人员通过调节涡虫体内决定干细胞分化的信号分子浓度，结合切切切大法，惨无人道地制造出了两个头、三个头乃至四个头的涡虫（图2）。



图2. 单头，双头，三头与四头涡虫，以及它们经过染色的中枢神经系统。上图为涡虫，下图中绿色为中枢神经。图片来源：参考文献3

最近，又有实验室利用涡虫可以不停长头的特性研究起了视觉进化与视觉形成——科学家的好奇心和破坏力大概能够与一个五岁小男孩一较高下。

一些科学家相信，所有两侧对称动物（看起来轴对称的动物都属于两侧对称动物）的视觉系统都是从相同的简单视觉感受系统进化而来[4]。从涡虫到人类，都是通过感光细胞中的视蛋白实现光子到生物信号的转换，从而完成视觉响应的第一步。只不过，人类可以通过不同的视蛋白区分颜色（光线波长），也可以利用复杂的神经系统将外部世界的二维投射重构为三维世界；而涡虫的感光细胞内只有一种视蛋白，神经系统也十分简单，只能对光线做出趋避性响应，即在光线的照射下，做出趋向光源或者躲避光源的反应。



图3. 涡虫视觉感受系统示意图。左上：涡虫眼点与投射入视觉中枢的神经 。左下：涡虫眼点剖面图，覆盖在表面的为色素细胞，细长的为感光细胞。右上：经过染色的感光细胞。右下：涡虫神经系统示意图。图片来源：参考文献5

涡虫是一种避光性生物，当光线照射在涡虫一侧的时候，涡虫就会选择向没有光线的方向躲避。主流观点一直认为，单视蛋白感光系统仅仅能感受到光线的存在与否，并不能够实现颜色的区分。

然而实验发现，涡虫能够对光线做出更为复杂的响应。当两种不同波长的光从左右两侧同时照射涡虫时，大部分情况下，涡虫会有选择性地向一侧躲避。如果两侧光线的波长差超过25nm，涡虫便能够区分出两者的差异，并向“偏好”的那一侧运动；而涡虫最不喜欢蓝色和青色的光（波长450nm – 500nm），如果这两种颜色的光同时出现，涡虫就开始怀疑虫生，自暴自弃[5]。



双侧光照实验。视频中，左侧光照波长500nm，右侧光照波长545nm。被放置于两种光线交界处的涡虫显著地展示出了向右侧选择性躲避的行为。遗憾的是，原文中并没有附上涡虫在450nm/500nm双侧光照实验中无选择性游动的视频。视频来源：参考文献5

那么涡虫是如何区分光线波长的呢？Gulyani实验室猜测，涡虫并不能真正区分入射光线的波长长短。只不过，由于视蛋白对于不同波长的光子吸收能力不同， 导致不同光线照射转化出的生物信号强度不同，涡虫对不同强度的生物信号做出不同的反应，才造成了能够分辨颜色的假象。

为了验证这个假说，研究者们在实验中引入了入射光线强度的变量。真正能够识别特定光线波长的视觉感受系统，对于颜色的判断并不会随着光线强度的改变而改变。例如，人类的视觉系统中有三种分别对红光、绿光、蓝光波长敏感的视蛋白，如果一束蓝光射入人的眼睛，不管这束蓝光是强是弱，都会特异性地激活蓝光敏感视蛋白所在的细胞，并被人类大脑识别为蓝色。

然而实验发现，对于涡虫来说， 在同等强度的绿光和蓝光的照射下，涡虫会坚定地选择向绿光的方向运动，但当绿光强度增加到蓝光的8倍时，涡虫就会放弃绿光，转而向蓝光方向躲避[5]。这一结果证实了Gulyani实验室的假说，由于涡虫视蛋白对于蓝青光最为敏感，它们对于蓝青光的躲避行为也最为明显。

利用单一视蛋白的视感受细胞，分辨不同波长的光照并进行趋避，这一套视觉系统已经比仅能区分有光和无光的生物不知高到哪里去了。一般的项目进行到这里，大概就可以收尾了；然而涡虫的研究者们是这么想的：

把涡虫的头切掉，让它的脑子、眼睛和神经重新长一遍，不就能知道涡虫的视觉系统是怎么形成的了？

涡虫学家们简直对这一套流程轻车熟路：第0天，切断涡虫的头，开始观察记录；第4天，可以观察到涡虫重新长出的眼点结构；第5天，腹神经线、头神经节（即大脑）发育并连接完成，涡虫可以在有光/无光实验中做出避光性响应。然而，直到第8天，涡虫才能在波长相差100nm的双侧光照实验中表现出选择性躲避反应；第12天，才完全重建起能够区分波长差为25nm的光线的视觉神经系统[5]。



图4. 涡虫神经系统的重构。自上而下，第一行：涡虫头部生长；第二行：涡虫避光性从全盲、到能识别光、再到能区别不同波长的光线，逐步恢复；第三行：头神经节突触数目逐渐恢复 （此图一出水熊虫网红老大的位置难保）。图片来源：参考文献5

为什么涡虫分辨“颜色”的能力恢复的这么缓慢呢？

为了解释这个疑问，研究人员利用染色技术观察了大脑恢复实验中涡虫头神经节的发育。实验发现，尽管涡虫大脑的神经通路在断头后的第5天已经基本建立，但是此后的几天内仍然可以观察到大量神经突触的形成，发达的神经突出则是复杂神经反应发生的基础。因此，涡虫的大脑在重新发育时首先形成了能够区分光线有无的简单视觉，进而随着神经系统的发展，建立起对于颜色（光强）的分辨能力。这样分步式的视觉恢复也提供了涡虫视觉系统进化自原始视觉系统的证据。­

涡虫还具有一种神奇的能力，称为眼外视觉[6]。很多研究证实，在移除涡虫头部之后，涡虫的身体其它部分能够感知长波长紫外光的照射，并做出反射性躲避反应。大脑恢复实验显示，随着眼脑系统的重建，低等的眼外视觉反应会被大脑介导的视觉响应所压制，在同时照射紫外光与可见光时，涡虫会从躲避紫外光，转变为躲避可见光[5]。这也显示了随着神经系统的发展，多层级的复杂神经调控得以逐步实现。

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即便是被移除头部的涡虫，也能通过身体的其他部分感知、躲避紫外光的照射。视频来源：参考文献5

虽然涡虫神经系统的结构还十分简略，但是由于神经系统进化的保守性，学习涡虫的神经系统重建，对于我们理解其它生物、包括人类的神经系统形成与发育都有着启发性的意义。以后的实验中，大概会一言不合先切一只涡虫看看；不知道涡虫们对此会有什么意见……





编辑：明天

排版：晓岚

题图来源：123RF

滑动阅读参考文献：

[1] Morgan, Thomas Hunt. "Regeneration. Columbia University Biological Series." (1901): 104-106.

（对，这是一篇1901年的论文）

[2] Newmark, Phillip A., and Alejandro Sánchez Alvarado. "Not your father's planarian: a classic model enters the era of functional genomics." Nature Reviews Genetics 3.3 (2002): 210-219.

[3] Oviedo, Néstor J., et al. "Long-range neural and gap junction protein-mediated cues control polarity during planarian regeneration." Developmental biology 339.1 (2010): 188-199.

[4] Nilsson, Dan-E. "Eye evolution and its functional basis." Visual neuroscience30.1-2 (2013): 5-20.

[5] Shettigar, N. et al. “Hierarchies in light sensing and dynamic interactions between ocular and extraocular sensory networks in a flatworm.” Science Advances 3, (2017).

[6] Steven, D. M. "The dermal light sense." Biological reviews 38.2 (1963): 204-240.

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