那些出现基因突变和细胞置换的"小怪物"

2016年11月02日   文章来源:新浪科技   

  在墨西哥湾发现的双头公牛鲨幼体

  在墨西哥湾发现的双头公牛鲨幼体

  出生时长有两个头的动物十分罕见

  出生时长有两个头的动物十分罕见

  新浪科技讯 北京时间11月2日消息,据国外媒体报道,早在多年以前,科学家就记录了一些双头动物的罕见例子。比如,20世纪40年代,凯布尔(L E Cable)就描写了一条长着两个头的海龙胚胎。他将其称为“小怪物”。更近的例子是,伦敦帝国学院的发育生物学家阿布赞诺夫(Arkhat Abzhanov)在实验室中观察到了许多双头动物。借助现代遗传学的知识,他对导致这一现象的基因突变和细胞置换过程进行了观察。类似的例子或许曾为古代传说的写作者提供了灵感。

  事实上,双头甚至三头动物不是就会在自然界或人工圈养环境中出现。有趣的是,这种现象似乎并不局限于某一类动物。就以鱼类说起。2013年,有人在墨西哥湾发现了一只双头公牛鲨幼体。

  2014年,人们在土耳其的一个沙滩上发现了海洋哺乳动物的例子——一只双头海豚。这两个例子似乎都是连体双胞胎,即从同一个受精卵发育而来,但没有在受精之后完全分开。人类中也有这样的例子。通常情况下,连体后代不只是长有两个头,而是具有双份的特定内脏器官,甚至是肢体。

  一组著名的实验显示,限制受精卵部分分裂——导致产生连体双胞胎的原因——是可能的。20世纪初期,一位名叫汉斯·斯佩曼(Hans Spemann)的生物学家进行了这组实验。他对胚胎发育的过程十分感兴趣。他用一束人的体毛将非常初期的蝾螈胚胎绑在一起,结果发现蝾螈会因此长出两个头——两个为了同一个身体争夺食物的头。他将此称为“同个地方的两个自私者”。

  双头生物并不仅仅是传说

  双头生物并不仅仅是传说

  连体双胞胎是从同一个受精卵发育而来的

  连体双胞胎是从同一个受精卵发育而来的

  事实上,双头动物的名单相当长,包括龟类、蛇类甚至还有猫。我们还知道,这一现象并不是今天才有。古生物学家已经发现了数百万年前的双头胚胎化石,有多种机制都可以导致出现不止一个头或一张脸。广义上来说,动物体的头部是趋同演化的例证,即完全不同的动物类群中会独立演化出相同的特征。无脊椎动物和脊椎动物都从拥有头部的特征中获益,但它们具有不同的祖先世系。头部是非常有用的适应特征,非常多动物种类都具有头部。

  “拥有(头部)实际上是很有用处的,”阿布赞诺夫解释道,“你进入新环境是总是先把头伸进去。”这也是为什么众多感觉器官——眼睛、耳朵、鼻子和嘴巴等——都分布在头上的原因。

  脸的形状和组成正确与否取决于动物体的基因,其中一种基因的作用尤其重要,特别是对脸部宽度的影响。该基因被奇怪地称为“Sonic Hedgehog”(刺猬索尼克),或者简称为SHH。这一名字来源于一组“刺猬”(hedgehog,HH)基因,首先是在果蝇中得到描述的。HH基因的突变导致果蝇出生时具有棘刺状的结构,看起来很像小刺猬。

  拥有SHH基因的是脊椎动物,如果胚胎发育过程中,由SHH基因介导的hedgehog信号通路变弱,那动物的头部就会变得越来越窄。有些情况下甚至会开始塌陷,使动物出生时只有一只眼睛,就像长着一个独眼巨人的头。事实上,一种被称为环巴胺(cyclopamine)的物质就会导致牲畜(比如绵羊)出现这种畸形。印第安鹿食草中就含有这种物质,怀孕的雌性动物有时会将其吃到体内。

  如果增强SHH信号会如何呢?这会导致相反的结果——头部会变宽直到出现两个脸部,这种变异很罕见,但是在家养动物和野生动物中都有报道。

  当然,从技术上来说,这一过程只会导致“双面”动物的出现,而不是出现双头动物。阿布赞诺夫发现在动物发育早期的另一个奇妙变化,对于从一个身体上长出另一个完全独立的颈部和头部至关重要。

  这只双头蝾螈并没有存活太久

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  传说中九头蛇的血液具有极强的毒性

  传说中九头蛇的血液具有极强的毒性

  头部与身体的其他任何结构一样,都需要被触发(才能发育)。很早期的胚胎中有一群细胞,我们称之为组织者,事实上,正是斯佩曼的蝾螈胚胎研究最终揭示了这些细胞的行为方式。如果你将这群细胞取出来,移植到一只青蛙的胚胎中,那它就会长出两个头。也就是说,这群细胞释放出了一种信号,告诉动物体再长出一个头来,连体双胞胎的出现也是由于这一过程,有时候,通过注入或切开另一个胚胎的方法,可以将这群关键的细胞移植到另一个胚胎之中。这就像一场生物学上的偷渡。

  研究者越来越接近这些异常现象在发育过程中出现的原因,温度似乎是一个重要的因素。他和同事们常常从养鸡场得到受精卵,之后这些受精卵发育而成的胚胎会在实验室中接受观察。在炎热时期,他的团队注意到了一些奇怪的事情。

  如果温度在30摄氏度以上,我们那星期收到的那窝蛋就会出现更高的畸形率——包括双头现象,有趣的是,这一情况在其他地方也发生过。一位生物学家发现, 较高的水温会引起双头斑马鱼的发育。这些事情发生的原因是什么,目前还没有定论,但更多关于温度对畸形影响的研究正在进行中。

  生物学或许启发过传说,但反过来说也对,传说也启发过生物学。1758年,九头蛇的一些形象启发了瑞典植物学家兼动物学家卡尔·林奈(Carl Linnaeus),帮助他为一类微小的水生动物——水螅——命名。这些小生命非常有意思,因为它们具有许多像蛇一样的附肢,还具有再生的能力——就像九头蛇面对赫拉克勒斯时那样。

  不过,有一件事情要注意:许多双头动物,如连体双胞胎,并不具有很高的存活率。它们能活过胚胎期已经非常罕见了,活到成年的更少之又少。2014年的一个例子展示了生物体生长时的持续发育会给多头生物带来多么巨大的压力。以色列海法大学的一个实验室报道了一只双头蝾螈,它获得了大量的媒体关注,但并没能存活太久。

  双头蝾螈的例子并不常见,它在幼体时还挺好的,但变态期之后它就死了。蝾螈在变态成为成体之前,一直是保持蝌蚪的形态,变态时才失去鳃和鳍。它们的头部也会经历许多变化。眼睛的发育、舌头和牙齿的出现,以及嘴巴变得更宽。或许是这些变化导致了这只双头蝾螈的死亡,答案尚不得而知。

  这些多头怪物的传说显示出人类对多头动物的不安和恐惧。对于多头动物,还有许多等待解决的问题,但考虑到极低的存活率——无论是圈养还是野生条件——现实生活中想找到它们的机会微乎其微。

  我们只能猜测那些经典传说的作者是如何获得灵感的。情况有可能是,古时候有人无意间在野外碰见了一只双头动物,然后添油加醋,很夸张地讲述了这些动物的故事。最终,这些故事演变成了广为流传的神话传说,直到今天还激发着人们的想象力。(任天)

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