海洋生物：章魚——全新的模式生物

圖片來源：Pixabay
相比章魚而言，人類與恐龍的親緣關(guān)系更近。在演化譜系上，人類與章魚、魷魚、烏賊等無脊椎類頭足綱動物在5億年前就已經(jīng)分開，隨后親屬關(guān)系越分越遠(yuǎn)。與脊椎動物的大腦相比，章魚的腦部沒有那些重要的解剖學(xué)特征，更有趣的是，這類動物大部分神經(jīng)元都分布在觸角上，而不是腦部。
但章魚特別聰明，除了鳥類和哺乳類動物外，它們腦與身體的體積比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他動物。它們可以實(shí)現(xiàn)很多高階認(rèn)知行為，比如使用工具，解決問題，甚至想出擰開瓶蓋來取食的辦法……
于是研究人員漸漸意識到，章魚既古怪又聰明，與人類的行為形式存在巨大差異。綜合對比這兩種方式，或許可以形成一套理想的模型，用于揭示控制復(fù)雜大腦功能的一些常見規(guī)律，并且進(jìn)一步揭示出章魚在解決問題時(shí)是如何演化出獨(dú)特而新穎的方法的。
通常，科學(xué)家會利用黑腹果蠅、大鼠、斑馬魚、秀麗隱桿線蟲等動物研究與生命活動相關(guān)的過程。但在所有普遍使用的“模式生物”（model species）中，嚙齒類動物（比如小鼠）在實(shí)驗(yàn)室中更容易飼養(yǎng)，它們也在了解大腦的運(yùn)作方面發(fā)揮了極為重要的作用。

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約翰·霍普金斯大學(xué)神經(jīng)學(xué)家居爾·德倫（Gül D?len）說：“小鼠的優(yōu)勢在于其大腦與人類大腦極為相似，而章魚的優(yōu)勢在于其腦部與人類的截然不同?！彼龑⒄卖~的神經(jīng)系統(tǒng)與人類自身的進(jìn)行了對比研究，表示“這些差異能賦予你一種用邏輯還原事實(shí)的能力?！彼⒁獾?，線蟲和果蠅也與人類不同，但章魚的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這些無脊椎動物。
認(rèn)識到頭足類動物是極為不同卻又高度復(fù)雜的生物，可以為科學(xué)家提供難得的科研機(jī)會，章魚則應(yīng)該成為神經(jīng)領(lǐng)域最新的模式生物。對此，德倫和其他神經(jīng)科學(xué)家都表示支持。
實(shí)際上，英國神經(jīng)學(xué)家約翰·扎卡里·揚(yáng)（John Zachary Young）在20世紀(jì)60年代最早提出了利用章魚研究人類的想法。這個(gè)想法在2015年才變得可行，當(dāng)時(shí)科學(xué)家對雙斑章魚（twospot octopus）進(jìn)行測序，獲得了第一份來自章魚的基因組序列?！斑@份基因組資料釋放出了大量此前從未有過的信息，”芝加哥大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家克利夫·拉格斯代爾（Cliff Ragsdale）說，他是章魚基因組研究的共同作者，當(dāng)時(shí)這項(xiàng)研究發(fā)表在了《自然》（Nature）雜志上。
研究人員表示，和其他模式生物一樣，將章魚基因組公開發(fā)布，為關(guān)鍵的研究模式鋪平了道路，其中包括：利用基因工程探索大腦的運(yùn)作方式；放大特定基因表達(dá)的位置；計(jì)算章魚基因與其他物質(zhì)基因的差異，以此探索演變過程等等。
美國馬薩諸塞州伍茲霍爾海洋生物實(shí)驗(yàn)室的演化發(fā)育學(xué)家卡羅琳·阿爾貝廷（Caroline Albertin，基因組研究的主要作者）表示：“我們正處于一個(gè)非常激動人心的時(shí)刻，能和這些非凡的動物展開合作。當(dāng)然，還有大量問題需要我們?nèi)パ芯俊！?br> 為了實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)，科學(xué)家已經(jīng)開始著力于研發(fā)用于頭足類動物的分子工具，類似的工具已經(jīng)在小鼠或果蠅研究中廣泛使用。在《當(dāng)代生物學(xué)》（Current Biology）雜志上，阿爾貝廷和同事描述了一項(xiàng)分子技術(shù)，這是首次用于頭足類動物的基因敲除（即讓基因失活來研究其功能）技術(shù)。阿爾貝廷所在的團(tuán)隊(duì)還在深入研究基因敲入技術(shù)，這樣就可以讓科學(xué)家有機(jī)會在章魚細(xì)胞內(nèi)插入活性指示物了。


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海洋生物實(shí)驗(yàn)室的研究員喬舒亞·羅森塔爾（Joshua Rosenthal，基因敲除研究的合作者）表示，利用這種方法，他們可以實(shí)時(shí)研究動物的神經(jīng)活動。他還說：“一旦我們進(jìn)入下一步，我想，整個(gè)學(xué)界都將會沸騰起來。”
目前，相關(guān)研究已經(jīng)在加速推進(jìn)。2018年，德倫與合作者埃里克·艾辛格（Eric Edsinger）給章魚服用了MDMA（這是一種人工合成的毒品，俗稱搖頭丸），他們發(fā)現(xiàn)，盡管章魚屬于典型的不合群生物，但在服用毒品后，它們出現(xiàn)了和人類一樣的反應(yīng)，藥物引起的神經(jīng)遞質(zhì)血清素大量增加：于是，章魚變得松懈冷靜，更善于社交了。
科學(xué)家通過基因組分析，也證實(shí)章魚體內(nèi)用于MDMA結(jié)合的血清素轉(zhuǎn)運(yùn)體與脊椎動物體內(nèi)的一樣。正如這項(xiàng)發(fā)表在《當(dāng)代生物學(xué)》的研究聲稱的那樣，這個(gè)發(fā)現(xiàn)表明，社交可能涉及分子層面的因素。
撰文：諾拉·泰勒·雷德 （Nola Taylor Redd）
翻譯：董子晨曦
引進(jìn)來源：環(huán)球科學(xué)
本文來自：環(huán)球科學(xué)


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