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係更近。在演化譜係上，人類與章魚、魷魚、烏賊等無脊椎類頭足綱動物在5億年前就已經分開，隨後親屬關係越分越遠。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特征，更有趣的是，這類動物大部分神經元都分布在觸角上，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遠大於其他動物。它們可以實現很多高階認知行為，比如使用工具，解決問題，甚至想出擰開瓶蓋來取食的辦法……
於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，用於揭示控製複雜大腦功能的一些常見規律，並且進一步揭示出章魚在解決問題時是如何演化出獨特而新穎的方法的。
通常，科學家會利用黑腹果蠅、大鼠、斑馬魚、秀麗隱杆線蟲等動物研究與生命活動相關的過程。但在所有普遍使用的“模式生物”（model species）中，齧齒類動物（比如小鼠）在實驗室中更容易飼養，它們也在了解大腦的運作方麵發揮了極為重要的作用。

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約翰·霍普金斯大學神經學家居爾·德倫（Gül Dölen）說：“小鼠的優勢在於其大腦與人類大腦極為相似，而章魚的優勢在於其腦部與人類的截然不同。”她將章魚的神經係統與人類自身的進行了對比研究，表示“這些差異能賦予你一種用邏輯還原事實的能力。”她注意到，線蟲和果蠅也與人類不同，但章魚的複雜性遠遠超過這些無脊椎動物。
認識到頭足類動物是極為不同卻又高度複雜的生物，可以為科學家提供難得的科研機會，章魚則應該成為神經領域最新的模式生物。對此，德倫和其他神經科學家都表示支持。
實際上，英國神經學家約翰·紮卡裏·揚（John Zachary Young）在20世紀60年代最早提出了利用章魚研究人類的想法。這個想法在2015年才變得可行，當時科學家對雙斑章魚（twospot octopus）進行測序，獲得了第一份來自章魚的基因組序列。“這份基因組資料釋放出了大量此前從未有過的信息，”芝加哥大學神經生物學家克利夫·拉格斯代爾（Cliff Ragsdale）說，他是章魚基因組研究的共同作者，當時這項研究發表在了《自然》（Nature）雜誌上。
研究人員表示，和其他模式生物一樣，將章魚基因組公開發布，為關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作方式；放大特定基因表達的位置；計算章魚基因與其他物質基因的差異，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驗室的演化發育學家卡羅琳·阿爾貝廷（Caroline Albertin，基因組研究的主要作者）表示：“我們正處於一個非常激動人心的時刻，能和這些非凡的動物展開合作。當然，還有大量問題需要我們去研究。”
為了實現研究目標，科學家已經開始著力於研發用於頭足類動物的分子工具，類似的工具已經在小鼠或果蠅研究中廣泛使用。在《當代生物學》（Current Biology）雜誌上，阿爾貝廷和同事描述了一項分子技術，這是首次用於頭足類動物的基因敲除（即讓基因失活來研究其功能）技術。阿爾貝廷所在的團隊還在深入研究基因敲入技術，這樣就可以讓科學家有機會在章魚細胞內插入活性指示物了。


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海洋生物實驗室的研究員喬舒亞·羅森塔爾（Joshua Rosenthal，基因敲除研究的合作者）表示，利用這種方法，他們可以實時研究動物的神經活動。他還說：“一旦我們進入下一步，我想，整個學界都將會沸騰起來。”
目前，相關研究已經在加速推進。2018年，德倫與合作者埃裏克·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），他們發現，盡管章魚屬於典型的不合群生物，但在服用毒品後，它們出現了和人類一樣的反應，藥物引起的神經遞質血清素大量增加：於是，章魚變得鬆懈冷靜，更善於社交了。
科學家通過基因組分析，也證實章魚體內用於MDMA結合的血清素轉運體與脊椎動物體內的一樣。正如這項發表在《當代生物學》的研究聲稱的那樣，這個發現表明，社交可能涉及分子層麵的因素。
撰文：諾拉·泰勒·雷德 （Nola Taylor Redd）
翻譯：董子晨曦
引進來源：環球科學
本文來自：環球科學


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