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[八月份] 2018年物种日历 8月25日 秀丽隐杆线虫

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发表于 2018-8-28 08:13 | 显示全部楼层 |阅读模式

如果被问到地球上数量最庞大的生物类群是什么,你大概会猜到是某些单细胞的微生物。

如果不考虑单细胞生物,个体数量最多的多细胞动物又是哪一类呢?是线虫。虽然你可能说不出这个答案,不过这一类群可是出了一种屡获诺奖的实验动物——秀丽隐杆线虫Caenorhabditis elegans

嗯?线虫是什么?又怎么秀丽了?怎么还能斩获诺奖呢?


显微镜下的秀丽隐杆线虫。图片:kdfj / wikimedia

它们无处不在

秀丽隐杆线虫属于线虫动物门,门内包含了超过两万五千种无脊椎动物。在适宜的环境里,每一平方米就有可能生活着数以千万计的线虫。按个体数量计算,地球上80%的动物都是线虫——全世界的动物们排排站好,你和下一位“非线虫”之间平均隔着四条线虫。


一种根结线虫正试图钻进番茄的根。图片:William Wergin & Richard Sayre / Wikimedia

这类平时少有人注意的生物,是地球生物圈中分布最广的类群,两极、高山、沙漠、大洋海底,都能见到它们的身影。美国线虫分类学先驱纳丹·科布(Nathan Cobb)曾说,如果宇宙中除了线虫之外的所有物质都瞬间消失,那么虚空中漂浮的线虫将会是一个地球表面的复刻——山川湖海,城镇乡村,甚至树木和动物,恐怕都可以通过分布其中的特定种类的线虫还原出轮廓。

然而线虫不光是“地表最强”。2011年,科学家们在南非地下几公里深的金矿表面,发现了以细菌为食的线虫。另外,还有相当一部分线虫是寄生性的,比如我们最熟悉的蛔虫。


线虫动物门的多样性,其中a是一种蛔虫,b是秀丽隐杆线虫。图片:Blumenthal & Davis / Nature Genetics(2004)

相比于体长可达30厘米的面条蛔虫,秀丽隐杆线虫可谓体态娇小,成熟个体不过1毫米长,头尾尖尖,中间是一段可以自由弯曲的圆柱体。它的属名Caenorhabditis中包含了“杆状的”词根(rhabditis),而种本名elegans是“秀丽、优雅”的意思。看看秀丽隐杆线虫正弦波一般的运动方式,你大概就会明白这个全身透明没有颜色的“小虫子”是如何得到这个名字的了。另外与蛔虫不同的是,秀丽隐杆线虫是非寄生性线虫。


秀丽隐杆线虫“优雅”的前进方式。图片:Bob Goldstein / wikimedia

线虫就是躺呀躺着走

线虫虽小,“五脏”俱全。作为发育上和人类一样拥有三个胚层的动物,秀丽隐杆线虫的外胚层发育成了多个细胞融合的“合胞体”,正是这层结构分泌的胶原蛋白组成了覆盖全身的“皮”,它是能够随着虫体生长而蜕落更新的“外骨骼”。这也是线虫动物门的特征之一,表明它们和同样蜕皮的节肢动物门亲缘关系相近。


箭头所示为线虫身体不同部位融合形成的“外骨骼”。图片:wormatlas.com

皮层下方是中胚层形成的四条纵贯身体的肌肉带,由一套相互连接的神经细胞控制。由于肌肉的收缩方式,动图中看到的其实是背腹方向的“弯腰”,所以正常的秀丽隐杆线虫总是在侧躺着走路。


免疫荧光染色技术,勾勒出了秀丽隐杆线虫的肌肉束。图片:wormbook.org

肌肉内侧则是一个充满液体的假体腔,再往里就是一条直来直去的消化道——口后方是附有肌肉细胞、可以碾碎食物的咽部,再往后就是肠道;肠道前后各有一小圈环状细胞组成两个“阀门”,可开可关,相当于我们人类的贲门(食道进胃的入口)和肛门。长长的生殖腺就贴在消化道旁边。

千里挑一才有“真男人”

从人类的角度来看,秀丽隐杆线虫的生殖方式比较奇特,分为“雌雄同体”和“雄性”两个性别。正常生长的群体中绝大部分个体是雌雄同体:在发育未完全成熟的阶段,雌雄同体产生精子并储存在生殖腺中;发育成熟的个体产生卵子,和准备好的精子结合形成受精卵。

雌雄同体的内部结构。图片:wormatlas.org

雌雄同体严格来说是一种雌性, 基因组中包括五对常染色体和两条X性染色体。生成的精子和卵细胞都包含一套五条常染色体和一条X染色体,所以结合之后产生的胚胎自然绝大部分都是雌雄同体(5*2+2X)。

不过受精卵有极小概率随机丢失一条X染色体,就会转而发育成雄性个体,可谓千里挑一的“真男人”(5*2+X)。雌雄同体自体授精能产生大约300个受精卵,而雄性个体给雌雄同体授精后,后代数量可以超过1000个。


遇到雌雄同体后的雄性与对方“亲密接触”,用尾部的扇状结构找到生殖腺开口进行授精。图片:Kbrugman / wikimedia

诺奖三杀是如何完成的

秀丽隐杆线虫最重要的身份就是科研模式生物了。在生物遗传学研究初现繁荣的20世纪50年代,南非生物学家西德尼·布伦纳(Sydney Brenner)为分子生物学的发展做出了巨大贡献,不过随后他转而把兴趣放到了生物体的神经发育机制上。然而人类的神经系统由一千亿个神经元组成,要怎么研究呢?布伦纳找到了“身怀绝技”的秀丽隐杆线虫。

首先,秀丽隐杆线虫体型小,吃得简单,长得快,生命力顽强——在实验室常用的琼脂平板上养好一层大肠杆菌后放上线虫,线虫就能愉快地边吃边繁殖,室温环境下三四天就能繁殖一代,寿命大约三周。实验人员想放假?没问题。把平板直接放进-80℃的冰箱冻上,出门浪完回来解冻一下,线虫照样活蹦乱跳 。雌雄同体自体授精的它们可以很方便地传代,而雄性的存在又为不同基因型的杂交提供了便利。


培养皿中间是大肠杆菌菌落,周围一圈黑黑的是含有秀丽隐杆线虫的土壤样本(A);以细菌为食的线虫被食物吸引如土壤中钻出,挑出这些具有活性的线虫个体,以进行下一代繁殖(B)。图片:Antoine Barrière & Marie-Anne Félix / wormbook.org

其次,线虫简单又完整的身体构造是很好的研究起点。1983年,英国科学家约翰·苏尔斯顿(John Sulston)研究了秀丽隐杆线虫的发育过程。在没有先进仪器的年代,苏尔斯顿靠着在光学显微镜下肉眼观察透明虫体,绘制了线虫全部细胞的发育图谱——从受精卵第一次分裂开始,线虫的每次细胞分裂、每个细胞的功能和命运是完全确定的。这是世界上首个多细胞生物的细胞发育谱系。


以点表示神经细胞胞体,以线表示神经细胞的树突与轴突,科学家绘制出了线虫的神经细胞图谱。图片:The OpenWorm

今天,几乎所有发育生物学课本中都会提到,雌雄同体线虫在发育过程中会产生1090个细胞,其中有131个会在产生后启动一个正常的凋亡程序而死去,只留下959个。2002年,诺贝尔生理学及医学奖颁发给了布伦纳、苏尔斯顿和霍维茨(Howard Robert Horvitz)三位科学家,表彰他们在器官发育调控和程序性细胞凋亡研究中的贡献。线虫在诺奖名单上拿下一血。


左起依次为布伦纳、霍维茨和苏尔斯顿,遗憾的是苏尔斯顿已于2018年3月逝世。图片:nobelprize.org

仅仅四年之后,诺贝尔生理学及医学奖颁发给了安德鲁·法厄(Andrew Fire)和克雷格·梅洛(Craig Mello),以表彰他们阐明了线虫的RNA干扰机制——两人从不符合预期结果的空白对照组中,发现了生物体可以探测病原体双链RNA,并以此为“向导”攻击病原体基因组。现在,RNA干扰机制已经成为了生物学研究的常用工具。线虫当之无愧拿下了诺奖双杀。

2008年诺贝尔化学奖,三位获奖人之一的马丁·查尔菲(Martin Chalfie)正是把绿色荧光蛋白用在了线虫研究中。线虫完成诺奖三杀。


被插入了编码绿色荧光蛋白基因的秀丽隐杆线虫。图片:Dan Dickinson,Goldstein lab,UNC Chapel Hill

事实上线虫在生物学研究中有着更广泛的应用。1998年,通过人类基因组计划的一个“预实验”,秀丽隐杆线虫成为世界上第一种被全基因组测序的多细胞生物。而截至2012年,由302个细胞连接组成的线虫神经网络,也完成了“连接组”测定。

体态优雅的秀丽隐杆线虫,将继续为人类揭示生命机制的奇妙。


生命充满奥秘,如同另一个宇宙。图为对细胞核进行了荧光染色后呈现出的秀丽隐杆线虫。图片:queensu.ca

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(等等,人家没手呀)

让岁月凝结成文明,让我遇见你。2018年《物种日历》,每日零点,一同品鉴文明。


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发表于 2018-8-28 08:45 | 显示全部楼层
原来还有这么多不知道的知识
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发表于 2018-8-30 12:48 来自手机 | 显示全部楼层
有时间带着孩子一起看
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发表于 2018-8-30 16:31 来自手机 | 显示全部楼层
有时间带着孩子一起看
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发表于 2018-8-30 20:28 | 显示全部楼层
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发表于 2018-8-31 10:34 来自手机 | 显示全部楼层
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发表于 2018-8-31 14:17 | 显示全部楼层
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发表于 2018-9-1 19:13 | 显示全部楼层
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发表于 2018-9-2 21:30 来自手机 | 显示全部楼层
楼主辛苦了
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