一只水母 + 一只水母 = 一只水母？

出品：科普中國(guó)

作者：蘇澄宇

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為解碼生命科學(xué)最新奧秘，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“生命新知”系列文章，從獨(dú)特的視角，解讀生命現(xiàn)象，揭示生物奧秘。讓我們深入生命世界，探索無限可能。

2023年，在城倉(cāng)圭美國(guó)海洋生物實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家注意到水箱里有一個(gè)與眾不同的櫛水母?jìng)€(gè)體。

圖1 與眾不同的櫛水母?jìng)€(gè)體

（圖片來源：Mariana Rodriguez-Santiago）

它的體型比其他櫛水母都大，而且它竟然有兩個(gè)嘴！城倉(cāng)圭推測(cè)，它是不是由兩個(gè)受損的櫛水母在不經(jīng)意間合體而成的？

淡海櫛水母（Mnemiopsis leidyi），也稱為海核桃，是一種廣泛分布于大西洋和黑海的浮游生物，以其透明的身體和發(fā)光的櫛板而著稱。它們的身體呈橢圓形，約為手掌大小，通體透明，帶有微微的彩虹色光澤。

圖2 淡海櫛水母

（圖片來源：ocean）

櫛水母身體兩側(cè)有八排縱向排列的櫛板，由許多纖毛組成，當(dāng)這些纖毛擺動(dòng)時(shí)，會(huì)折射出美麗的彩虹光。它們的頂端有兩個(gè)感官器官，稱為頂器，用于感知水流和重力。它們通過櫛板的擺動(dòng)進(jìn)行游動(dòng)，看起來就像在水中發(fā)出光芒。

為了驗(yàn)證合體的觀點(diǎn)，研究人員從不同的地點(diǎn)、不同的時(shí)間采集了十只淡海櫛水母，并將這些個(gè)體分為多組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每組由兩個(gè)個(gè)體組成，科學(xué)家們切下它們的部分葉狀結(jié)構(gòu)，并將這些切割的葉片對(duì)接在一起，然后用解剖盤固定過夜。

第二天，當(dāng)科學(xué)家們檢查這些個(gè)體時(shí)，他們驚喜地發(fā)現(xiàn)其中有九組成功融合，它們的切口邊界已經(jīng)逐漸消失，上皮和中膠層完美地連接在了一起，仿佛它們從未被分開過。整個(gè)合體過程大約持續(xù)了12到18小時(shí)。

神經(jīng)系統(tǒng)竟然也融合在了一起？！

在合體后，科學(xué)家們對(duì)這些櫛水母進(jìn)行了進(jìn)一步觀察。為了驗(yàn)證它們是否真的合二為一，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)其中一個(gè)葉片進(jìn)行了機(jī)械刺激，整個(gè)融合體都表現(xiàn)出了驚嚇反應(yīng)，輕微地顫抖了一下，這意味著兩個(gè)櫛水母的神經(jīng)系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了整合。

圖3 受到刺激的合體水母

（圖片來源：Kei Jokura）

這種驚嚇反應(yīng)是一種典型的神經(jīng)反射，由櫛水母的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。當(dāng)一個(gè)葉片受到刺激時(shí)，信號(hào)通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳遞到整個(gè)融合體，導(dǎo)致全身的肌肉收縮和反應(yīng)。這表明，融合后的神經(jīng)系統(tǒng)已經(jīng)有效地協(xié)同工作，使得兩個(gè)原本獨(dú)立的個(gè)體能夠作為一個(gè)整體進(jìn)行反應(yīng)。它們不再是兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，而是一個(gè)共享信息的整體。

為了更好地了解融合過程，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了延時(shí)成像。在最初的一小時(shí)內(nèi)，兩個(gè)櫛水母的葉片運(yùn)動(dòng)是完全不同步的，但令人驚訝的是，在一個(gè)小時(shí)后，它們的運(yùn)動(dòng)逐漸同步了。兩小時(shí)后，95%的葉片運(yùn)動(dòng)已經(jīng)完全同步，仿佛它們心有靈犀。

圖4 圖中顯示了六次獨(dú)立移植實(shí)驗(yàn)中葉片同步率的變化情況。

灰色線表示單次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，藍(lán)色線表示平均值。可以看到，在移植開始后的最初20-40分鐘，同步率較低，但隨著時(shí)間的推移，同步率顯著提高，在 100-120分鐘時(shí)達(dá)到95%，這說明融合后的櫛水母逐漸實(shí)現(xiàn)了生理和行為的同步。

（圖片來源：文獻(xiàn)1）

這種現(xiàn)象讓人聯(lián)想到一些科幻作品中的神經(jīng)同步設(shè)定，如角色們通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共享意識(shí)和協(xié)同作戰(zhàn)的設(shè)定。

消化系統(tǒng)也融合在了一起！

不僅是神經(jīng)系統(tǒng)，研究人員還想看看它們的消化系統(tǒng)是否也發(fā)生了融合。

研究團(tuán)隊(duì)給合體后的櫛水母喂食了帶有熒光標(biāo)記的鹵蟲，并通過顯微鏡觀察食物顆粒的移動(dòng)。有了熒光標(biāo)記，科學(xué)家可以在顯微鏡下清晰地看到食物顆粒的運(yùn)動(dòng)路徑，驗(yàn)證兩個(gè)消化系統(tǒng)是否真正實(shí)現(xiàn)了功能上的整合。

圖5 圖中展示了標(biāo)記為熒光的鹵蟲顆粒在櫛水母消化系統(tǒng)中的移動(dòng)情況

（圖片來源：文獻(xiàn)1）

鹵蟲（Artemia）是一種小型甲殼類動(dòng)物，體型通常只有幾毫米長(zhǎng)，大約和一粒米差不多大小，與人類食用的蝦類有一定的親緣關(guān)系。它們屬于同一大類的甲殼綱，但體型較小，通常不會(huì)直接作為人類的食物。櫛水母以浮游生物為食，鹵蟲正是它們的典型食物來源之一。

科學(xué)家們驚訝地發(fā)現(xiàn)，食物顆粒能夠在兩個(gè)消化系統(tǒng)之間傳遞，從一個(gè)個(gè)體的消化道進(jìn)入另一個(gè)個(gè)體的消化道，說明它們的消化系統(tǒng)也是功能上整合的。

圖6 研究人員通過觀察熒光標(biāo)記的鹵蟲如何在這些管道間流動(dòng)，證明了兩個(gè)櫛水母?jìng)€(gè)體在合體后，消化系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了功能上的整合。

（圖片來源：文獻(xiàn)1）

然而，研究人員也發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)肛門的排泄時(shí)間并不同步，這表明某些功能仍然是獨(dú)立的。也許這是融合初期的跡象，或者是它們保留了一部分各自的獨(dú)立性，以應(yīng)對(duì)不確定的環(huán)境變化。

淡海櫛水母可能無法進(jìn)行異體識(shí)別

城倉(cāng)圭的研究團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，淡海櫛水母可能缺乏一種叫做“異體識(shí)別”的機(jī)制。對(duì)于大多數(shù)動(dòng)物來說，異體識(shí)別是一種保護(hù)機(jī)制，它們可以用來識(shí)別和排斥“非自我”組織，以防止被外來個(gè)體侵占。

在人體器官移植的過程中，正是因?yàn)榇嬖谶@種強(qiáng)烈的異體識(shí)別機(jī)制，人體的免疫系統(tǒng)會(huì)將移植的器官視為“外來入侵者”，從而產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)。這也是為什么人類在進(jìn)行器官移植時(shí)需要非常匹配的供體，以及在手術(shù)后需要長(zhǎng)期服用免疫抑制藥物，以防止排斥反應(yīng)的發(fā)生。

但是櫛水母似乎沒有這種能力，這也許是因?yàn)樗鼈冊(cè)谧匀画h(huán)境中不太可能與其他個(gè)體長(zhǎng)期保持緊密接觸。自由生活的櫛水母更關(guān)注如何在廣闊的海洋中獨(dú)自生存，因此它們進(jìn)化出了更為簡(jiǎn)單的“合作”機(jī)制，而非拒絕機(jī)制。

不止櫛水母，其他生物也能“合體”

其實(shí)，不止櫛水母，在自然界中，有許多其他生物也展示了類似的合體現(xiàn)象。

管水母就是其中之一。世界上最大的巨型管水母（Praya dubia），其長(zhǎng)度可達(dá)到約46米，比藍(lán)鯨還要長(zhǎng)。

圖6 管水母

（圖片來源：Smithsonian Magazine）

它實(shí)際上并不是單一的個(gè)體，而是由無數(shù)個(gè)叫做“水螅體”的小型生物組成的群體。這些水螅體各司其職，共同組成了完整的生物體。每個(gè)水螅體都有特定的功能，例如捕食、消化、繁殖或運(yùn)動(dòng)。這些不同的水螅體互相合作，維持著整個(gè)群體的生存。

另一個(gè)就是我們所熟悉的海綿。海綿是一類非常古老的生物，它們也具有融合的能力。在2016年的研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)基因相近的鈣質(zhì)海綿（Clathrina aurea）個(gè)體接觸時(shí)，它們的細(xì)胞可以相互融合，最終形成一個(gè)更大的個(gè)體。

圖7 鈣質(zhì)海綿

（圖片來源：oeco）

研究發(fā)現(xiàn)，海綿具有一種原始的免疫系統(tǒng)，可以用來識(shí)別“自己”和“非自己”（基因是否相同），從而決定是否進(jìn)行融合。這種異體識(shí)別機(jī)制與人類的免疫排斥反應(yīng)相似。通過這種方式，海綿能夠擴(kuò)大自己的生存空間，同時(shí)維持遺傳上的同質(zhì)性。這種融合策略有助于它們更好地適應(yīng)環(huán)境。

回到我們的櫛水母，它們是現(xiàn)存后生動(dòng)物中最早分支的一類，它們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他動(dòng)物截然不同，但卻能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的行為整合，這為我們提供了關(guān)于神經(jīng)系統(tǒng)如何演化的寶貴線索。

在自然界中，合體不僅是生物間的巧妙協(xié)作，更是生命進(jìn)化中的奇跡之一，它展示了生命如何通過合作而非競(jìng)爭(zhēng)，突破個(gè)體的局限，獲得更大的生存優(yōu)勢(shì)。

（注：文中拉丁文部分應(yīng)為斜體）

參考文獻(xiàn)：

1. Jokura, Kei, et al. "Rapid physiological integration of fused ctenophores." Current Biology 34.19 (2024): R889-R890.

2. Padua, André, et al. "Fragmentation, fusion, and genetic homogeneity in a calcareous sponge (Porifera, Calcarea)." Journal of Experimental Zoology Part A: Ecological Genetics and Physiology 325.5 (2016): 294-303.