海洋生物：章鱼——全新的模式生物

图片来源：Pixabay
相比章鱼而言，人类与恐龙的亲缘关系更近。在演化谱系上，人类与章鱼、鱿鱼、乌贼等无脊椎类头足纲动物在5亿年前就已经分开，随后亲属关系越分越远。与脊椎动物的大脑相比，章鱼的脑部没有那些重要的解剖学特征，更有趣的是，这类动物大部分神经元都分布在触角上，而不是脑部。
但章鱼特别聪明，除了鸟类和哺乳类动物外，它们脑与身体的体积比远远大于其他动物。它们可以实现很多高阶认知行为，比如使用工具，解决问题，甚至想出拧开瓶盖来取食的办法……
于是研究人员渐渐意识到，章鱼既古怪又聪明，与人类的行为形式存在巨大差异。综合对比这两种方式，或许可以形成一套理想的模型，用于揭示控制复杂大脑功能的一些常见规律，并且进一步揭示出章鱼在解决问题时是如何演化出独特而新颖的方法的。
通常，科学家会利用黑腹果蝇、大鼠、斑马鱼、秀丽隐杆线虫等动物研究与生命活动相关的过程。但在所有普遍使用的“模式生物”（model species）中，啮齿类动物（比如小鼠）在实验室中更容易饲养，它们也在了解大脑的运作方面发挥了极为重要的作用。

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约翰·霍普金斯大学神经学家居尔·德伦（Gül Dölen）说：“小鼠的优势在于其大脑与人类大脑极为相似，而章鱼的优势在于其脑部与人类的截然不同。”她将章鱼的神经系统与人类自身的进行了对比研究，表示“这些差异能赋予你一种用逻辑还原事实的能力。”她注意到，线虫和果蝇也与人类不同，但章鱼的复杂性远远超过这些无脊椎动物。
认识到头足类动物是极为不同却又高度复杂的生物，可以为科学家提供难得的科研机会，章鱼则应该成为神经领域最新的模式生物。对此，德伦和其他神经科学家都表示支持。
实际上，英国神经学家约翰·扎卡里·扬（John Zachary Young）在20世纪60年代最早提出了利用章鱼研究人类的想法。这个想法在2015年才变得可行，当时科学家对双斑章鱼（twospot octopus）进行测序，获得了第一份来自章鱼的基因组序列。“这份基因组资料释放出了大量此前从未有过的信息，”芝加哥大学神经生物学家克利夫·拉格斯代尔（Cliff Ragsdale）说，他是章鱼基因组研究的共同作者，当时这项研究发表在了《自然》（Nature）杂志上。
研究人员表示，和其他模式生物一样，将章鱼基因组公开发布，为关键的研究模式铺平了道路，其中包括：利用基因工程探索大脑的运作方式；放大特定基因表达的位置；计算章鱼基因与其他物质基因的差异，以此探索演变过程等等。
美国马萨诸塞州伍兹霍尔海洋生物实验室的演化发育学家卡罗琳·阿尔贝廷（Caroline Albertin，基因组研究的主要作者）表示：“我们正处于一个非常激动人心的时刻，能和这些非凡的动物展开合作。当然，还有大量问题需要我们去研究。”
为了实现研究目标，科学家已经开始着力于研发用于头足类动物的分子工具，类似的工具已经在小鼠或果蝇研究中广泛使用。在《当代生物学》（Current Biology）杂志上，阿尔贝廷和同事描述了一项分子技术，这是首次用于头足类动物的基因敲除（即让基因失活来研究其功能）技术。阿尔贝廷所在的团队还在深入研究基因敲入技术，这样就可以让科学家有机会在章鱼细胞内插入活性指示物了。


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海洋生物实验室的研究员乔舒亚·罗森塔尔（Joshua Rosenthal，基因敲除研究的合作者）表示，利用这种方法，他们可以实时研究动物的神经活动。他还说：“一旦我们进入下一步，我想，整个学界都将会沸腾起来。”
目前，相关研究已经在加速推进。2018年，德伦与合作者埃里克·艾辛格（Eric Edsinger）给章鱼服用了MDMA（这是一种人工合成的毒品，俗称摇头丸），他们发现，尽管章鱼属于典型的不合群生物，但在服用毒品后，它们出现了和人类一样的反应，药物引起的神经递质血清素大量增加：于是，章鱼变得松懈冷静，更善于社交了。
科学家通过基因组分析，也证实章鱼体内用于MDMA结合的血清素转运体与脊椎动物体内的一样。正如这项发表在《当代生物学》的研究声称的那样，这个发现表明，社交可能涉及分子层面的因素。
撰文：诺拉·泰勒·雷德 （Nola Taylor Redd）
翻译：董子晨曦
引进来源：环球科学
本文来自：环球科学


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