人类和细菌间的军备竞赛:新型抗生素为何如此难寻?

抗微生物肽穿过细菌细胞膜的模拟场景抗微生物肽穿过细菌细胞膜的模拟场景
利奈唑胺的分子模型,灰、白、蓝、红和青色圆球分别是碳、氢、氮、氧和氟原子。利奈唑胺是一种治疗耐药性细菌感染的合成抗生素。  利奈唑胺的分子模型,灰、白、蓝、红和青色圆球分别是碳、氢、氮、氧和氟原子。利奈唑胺是一种治疗耐药性细菌感染的合成抗生素。
 

 人类正处在与抗生素耐药性抗争的最前沿。一位86岁的慢性2型糖尿病患者因可怕的脚伤前往医院救治。由于长期没有接受治疗,他的脚部感染已经非常严重。这种情况并不罕见,但让人意外的是,广谱抗生素美罗培南(meropenem)和万古霉素(vancomycin)对此都完全没有效果,而在传统上,万古霉素被认为是“最后一线抗生素”,用于治疗其他抗生素都无效的严重感染。

  医生们很清楚,一些不好的事情正在发生。然而,即使有了最坏情况的心理准备,试验的结果依然令他们感到惊讶。这名男子脚上感染的不是一种细菌,而是三种细菌:金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、鲍曼不动杆菌(Acinetobacter baumannii)和鲁氏不动杆菌( Acinetobacter lwoffii)。每一种细菌都具有对多种药物的耐药性。这家位于巴西的医院缺乏应对这一情况所需的资源。患者被转到更大的医院,但由于损伤过于严重,他不得不进行截肢。

  这是一个报道于2012年的真实故事,是众多相似故事的缩影。在美国华盛顿特区还有一位因心脏衰竭而死的57岁女士,罪魁祸首是耐青霉素的细菌。同样的事情还发生在内华达州的一家医院,一位女士在隔离室中不幸死亡,她所感染的细菌对医院中所有的抗生素都具有耐药性。

  据估计,仅在美国每年就有两百万人感染了具有耐药性的微生物,其中大约23000人死亡。在文明出现之前,人类就已经知道如何杀死细菌;但为什么有了现代科技之后,人类依然对一些致命病菌束手无策?

  抗生素的诞生

  抗生素疗法的最初应用是在1867年,来自于英国外科医生约瑟夫·李斯特(Joseph Lister)。李斯特注意到,他的许多患者在接受手术之后都不得不截肢,或者很快死去。许多人将此归结于“瘴气”(miasmas,有毒的“糟糕”空气)或氧气对开放伤口的影响。

  李斯特提出了另一种观点。他一直在追踪法国微生物学家路易·巴斯德(Louis Pasteur)的研究,后者的实验结果显示,食物的腐坏与氧气无关,而是因为一些微小的、肉眼看不到的生物。李斯特提出,这些生物同样也是造成他的病人出现可怕后果的罪魁祸首。巴斯德为避免出现这些结果提供了三个选项:将这些生物过滤掉;把它们用高温煮死;或者用化学物质杀死它们。前两种方法可以立即排除,第三种方法则引起了人们的兴趣。

  作为一位充满好奇心且学问深厚的科学家,李斯特当时已经听说了矿物杂酚油(从煤焦油或其他矿物油中蒸馏而成的液体)在防止铁道枕木腐烂上的应用。出于同样这些微生物需要对患者痛苦负责的直觉,他决定尝试用一种煤焦油的馏分——碳酸——来治疗患者的伤口。最初的结果令人震惊:此前普遍需要截肢的复合骨折患者,现在竟然可以在肢体完好无损的情况下康复。

  李斯特所发现的其实是世界上第一种医用消毒药水,而非抗生素。碳酸对人体具有毒性,因此只能谨慎地用于处理伤口。成果丰富的德国科学家保罗·埃尔利希(Paul Ehrlich)希望能做得更好。他对德国民间传说中神射手Freischütz的故事十分着迷,故事中百发百中的神射手与魔鬼达成交易,获得了6枚能避开所有障碍击中目标的神奇魔弹。那么,有没有可能制造出一种能杀死细菌,但不会伤害人类细胞的化学魔弹呢?

  埃尔利希的学术背景是组织学,尤其擅长对组织样本染色,以便在显微镜下观察。他发现,某些染料分子会使一些细胞着色,对其他细胞却没有效果,就像传说中会寻找目标的神奇魔弹一样。埃尔利希意识到,这些染料分子或许能帮助他实现选择性抗生素的梦想。

  1909年,埃尔利希的想法最终获得了成功,他和日本助手秦佐八郎发明了砷凡纳明(arsphenamine,又称作洒尔佛散、606)。这是一种有机砷染料,能够在不杀死病人的情况下杀死梅毒细菌。不过,砷凡纳明只对梅毒有效。德国法本公司(IG Farben,全称为Interessen-Gemeinschaft Farbenindustrie AG,即“染料工业利益集团”)拜耳(Bayer)实验室的研究人员开始思考能否用同样的方法开发出用途更广的抗生素。化学家Josef Klarer和Fritz Miestzsch合成了数千种染料,并由德国病理学家和细菌学家格哈德·多马克(Gerhard Domagk)在实验室中对感染病菌的小鼠进行了试验。在无数次失败之后,一种称为百浪多息(prontosil)的染料终于获得了成功,成为世界上第一种真正通用的抗生素。

  尽管拜耳实验室团队认为埃尔利希的理论是百浪多息药效显著的原因,但后来的研究显示,这与该化合物的染色能力并没有关系。

  到底是什么让抗生素拥有如此神奇的功能呢?

  相对而言,发明能在皮肤和组织表面上杀死微生物的新型消毒药水要简单得多。然而,消毒药水是非常可怕的杀菌剂:破坏细菌基本结构的化学物质往往也会破坏人体细胞中的相同结构。幸运的是,有些细菌结构并不会存在于人体细胞中,即使存在,它们也非常不同。这就是抗生素功能的关键:利用细菌与人类细胞相似而不相同的事实。

  从第一种抗生素被发现以来的将近一个世纪时间里,我们已经发现了一个可以利用的细菌特异性特征库。例如,抗生素磺胺(sulfanilamide)针对的是人类身上不存在的一部分细菌生命过程。叶酸和维生素B9一样,在所有生物体中都是DNA合成的必需物质。人类通过食用水果和蔬菜获得叶酸,但细菌必须通过与人体细胞完全不同的过程从头开始合成。与其他磺胺类药物一样,磺胺通过在细菌体内竞争酶反应位点,抑制叶酸的合成,从而阻止细菌的DNA合成过程,同时不会对人体新陈代谢产生影响。

  亚历山大·弗莱明(Alexander Fleming)在1928年偶然发现的青霉素(盘尼西林),以及其他β-内酰胺类抗生素(如美罗培南),针对的也是人类细胞不具有的部分细菌结构:细胞壁。细菌细胞就像是装得太满、用麻线包扎起来的烤肉,麻线就相当于细胞壁,一旦去掉,细菌细胞就会“爆炸”。

  细菌构建细胞壁的过程很像人们建造篱笆。先放置一些栅栏柱,然后用钉枪将水平支撑木条和木板钉上去。青霉素的作用就是堵住细菌的“钉枪”,使其细胞壁中的“栅栏柱”无法连接起来。另一方面,万古霉素等糖肽类抗生素则会像厚厚的防弹毯一样,包裹住细菌细胞壁的栅栏柱,细菌的“钉枪”依然能使用,但没有一颗钉子能钉上去。

  这些都是理想的情况。其他主要抗生素类别所针对的细菌生命部分与人类细胞中的机制更为相似,但依然存在足够的差异,使它们能成为作用目标。这些差异可以非常微小,但在作为选择性抗生素和消毒药水之间依然存在着一条细小的界线。

  举例来说,许多药物以蛋白质的合成过程为目标。抗生素能阻止紧密缠绕的DNA被解包和读取,阻塞RNA转录过程,或者关闭将RNA分子转录、翻译为蛋白质的分子工厂。在这些情况下,人体细胞中的等同过程由不同形状的酶完成,并且不具有抗生素进行工作时所需的相同“抓手”——如果一样的话问题就严重了,这些过程的中止对人类细胞来说同样致命。

  细菌的反击

  这是人类与细菌斗争故事中的进攻部分,但还有防御的部分:细菌具有反击的倾向。一种简单的防御方法是在抗生素造成伤害之前将其清除,就像用水泵不断从地下室抽水,防止被水淹没一样。细菌的外排泵会不断清除抗生素,阻止它们进行工作。一个外排泵可以通过识别和去除几种不同类型的抗生素来提供多重耐药性,从而成为难以对付的耐药机制。

  细菌还可以合成新的蛋白质,在抗生素发挥作用之前断开并解除其功能结构。这个策略最著名的例子或许是某些细菌产生的β-内酰胺酶,又称为盘尼西林酶(penicillinase)。这种新的酶唯一的功能便是打开具有弹性加载的β-内酰胺四元环核心,使其无法作用于细菌的细胞壁。这类蛋白质通常对一类抗生素具有高度特异性,不会对其他类型产生作用。我们用来对付这种耐药机制的方法之一,就是将原有的抗生素与针对新酶的新抗生素打包在一起。

  细菌拥有的另一种防御策略是制造能与抗生素结合的蛋白质酶,作为分子“约束衣”,阻止它们抓住目标并使其成为无助的旁观者。这些酶的工作机制是利用磷酰基、乙酰基、核苷酸基、糖基或羟基等化学基团与抗生素的关键部分结合,阻止它们与细菌的目标部位结合。通常而言,这些酶只对某一抗生素家族起作用,因此交叉耐药性并不是问题。

  对细菌来说,或许最明显和最有效的耐药方法是改变抗生素的目标,使抗生素无法识别出自己。这种耐药方法非常普遍,而且有许多实现的途径。例如,只需将细胞壁“栅栏柱”末端的氨基酸由D-丙氨酸变为D-乳酸,一个非常小的调整,就可以使万古霉素等氨基糖苷类抗生素完全失效。一旦目标改变,我们就无法再用原来的“魔弹”来摧毁它们。

  原理上,对付这类耐药细菌的方法很简单,就是找到新的“魔弹”。然而,许多抗生素来自微生物本身,生存压力会迫使微生物物种不断发展出击败竞争对手的武器。这些微生物制造抗生素的方式往往不是很灵活:它们非常擅长制造特异性的结构,但如果这一结构不再与目标相吻合,它们就很难调整过来。我们还在大自然中发现了许多显而易见的抗生素,但随着时间推移,这样的抗生素已经越来越难以找到。目前我们所使用的广谱抗生素中,除了头孢洛林一种之外,其他都是在10年前发现的,几乎一半发现于1950年到1960年的“黄金时代”。

  我们还有许多其他方法,其中一个备受关注的方法是寻找隐性抗生素(cryptic antibiotics),这就涉及到促使细菌生成它们通常不会生成的分子。这种方法能否奏效还有待时间的检验,目前我们的最佳选择是转向有机化学,该领域已经为我们提供了精确的工具,以其他学科难以想象的方式对分子进行调整。利奈唑胺(Linezolid)正是人类利用有机化学技术从无到有开发出来的一种抗生素,能阻止核糖体与mRNA连接,从而抑制细菌蛋白质合成。我们还能用有机化学对自然界中发现的抗生素进行调整。例如,美国Tetraphase制药公司正在尝试改造四环霉素(tetracyclines),使其适应多种耐药性细菌的目标位置。

  我们唯一不能做的一件事就是放弃,因为细菌永远不会放弃。制药业已经耗费了大量资金寻找新的抗生素,许多公司在一无所获之后宣布放弃。这很危险。我们需要明白,探索过程必将是缓慢而艰难的。尽管科学家在努力设计更好的有机化学工具,以更快地制造抗生素分子,但这一过程并不容易。抗生素耐药性是一场人类一开始就处于下风的军备竞赛。我们现在需要做的更多,否则等待我们的只有失败。我们所有人的生命都与此息息相关。

 

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遗传不仅仅靠基因:新发现颠覆生物学经典概念

在经典遗传学中,“基因型”(个体携带并可传递给后代的一组基因)和“表型”(生物体短暂拥有的环境和经验印记,但这些特征无法传递给后代)之间有着根本区别。  在经典遗传学中,“基因型”(个体携带并可传递给后代的一组基因)和“表型”(生物体短暂拥有的环境和经验印记,但这些特征无法传递给后代)之间有着根本区别。

  

       多年来,基因能编码生物体所有可遗传特征的观点一直是遗传学和演化生物学的基本准则之一,但这一假设总是与混乱的实证研究结果不协调地共存着。近年来,随着一些重量级新发现的出现,这种不协调变得越来越明显。

  在经典遗传学中,“基因型”(个体携带并可传递给后代的一组基因)和“表型”(生物体短暂拥有的环境和经验印记,但这些特征无法传递给后代)之间有着根本区别。只有那些由基因决定的特征才被认为是可遗传给后代的——因为遗传只能够通过基因的传递实现。然而,与“基因型/表型”二分法矛盾的是,一些基因上完全一致的动物和植物显示出了可遗传的差异,并且能对自然选择做出反应。

  与经典遗传学相反的是,目前在某些复杂性状和疾病中,无法用基因来解释亲属之间的相似性,这一问题被称为“遗传性缺失”。然而,尽管个体的基因型似乎不能解释其部分特征,但有研究发现,亲本的基因在没有遗传给后代的情况下,也能影响后代的性状。此外,对植物、昆虫、啮齿动物和其他生物的研究表明,个体在一生中所处的环境和经历——饮食、温度、寄生虫、社会联系等——都能影响其后代的特征,对人类自身的研究也表明我们在这方面也非特例。这些发现中,有一些明显符合“获得性遗传”的定义——根据谷歌时代之前一个著名的比喻,这种现象就跟从北京发出的中文电报在到达伦敦时已经翻译为英文一样不可思议。然而,我们今天还可以不时在学术期刊上发现这类现象的报道,而就像互联网和即时翻译为通讯交流带来了革命性变化一样,分子生物学的发现也正在颠覆有关代际遗传的观点,比如哪些特征能遗传,哪些特征不能遗传。

  生物学家现在面临着一个巨大的挑战,即理解不断出现的新发现如何颠覆一些根深蒂固的观念。通过阅读有关这类研究的最新综述,然后再翻阅任何一本本科生物学教材的介绍性章节,每个人都可以感受到其中越来越严重的不协调。传统遗传概念中显然缺少了某些东西,它宣称遗传完全由基因介导,否认了环境和经验的某些影响传递给后代的可能性。

  如果某些非基因突变是可遗传的,那么随之而来的是,这些突变也能对自然选择做出反应,并且在没有基因变化的情况下产生跨世代的表型变化。这种变化并不符合演化上标准的遗传定义——只限于世代之间等位基因频率的变化。这一定义由演化遗传学家费奥多西·多布然斯基(Theodosius Dobzhansky)提出,抛弃了基因是可遗传突变唯一来源的假设。根据这一假设,基因是自然选择能够作用的唯一原始材料,会产生跨世代的表型变化。然而,回想一下,达尔文对基因突变和非基因突变之间的区别并不了解。他最深刻的洞见是,应用于种群内部可遗传突变的自然选择可以在不同世代中使生物体的平均特征发生改变,因为这些可遗传特征总是与大量存活的后代有关,将在每一世代中表现在更大比例的个体上。将非基因机制并入遗传性并不需要对这一基础的达尔文理论做任何改变。

  非基因效应

一些母体和父体效应似乎是作为帮助后代在最可能遇到的环境中取得优势的手段演化出来的。 一些母体和父体效应似乎是作为帮助后代在最可能遇到的环境中取得优势的手段演化出来的。 
 

  一类非基因效应(如母体效应)非常明显,几十年来已经在科学上得到了承认。根据定义,母体效应表现为母体的表型会影响后代的表型,而这一效应无法用母体等位基因的传递来解释。这类效应可以通过母体对其后代的多种影响途径来实现,包括隔代表观遗传、卵细胞结构的变化、子宫环境、母亲对产卵或产子的地点选择、后代将经历的环境改变,以及产后生理和行为的相互作用等。一些母体效应是母亲特征对后代发育产生的消极后果,包括母体中毒、疾病或衰老等产生的有害影响;另一些母体效应则代表着生殖投资策略,能增强繁殖成功率。也就是说,这些非基因效应有时能增强,有时也能减弱母亲及其后代的适应能力。

  直到最近,母体效应还被认为只不过是一种干扰,即遗传研究中的某种环境“误差”来源。但至少,遗传学家确信在大多数物种(包括重要的实验室“模型生物”,如果蝇和小鼠等)中,父亲只能将等位基因传递给它们的后代。然而,近期的研究揭示了许多父体效应的例子,包括小鼠、果蝇和许多其他物种。事实上,在有性生殖的物种中,父体效应可能与母体效应一样普遍。

  后代可能受到环境和经验、年龄,以及父母双方基因型的影响。环境因素(如某种毒素或营养物)可能会导致亲代身体发生改变,从而影响后代的发育。正如我们所看到的,身体机能随年龄增长而退化也会影响生殖功能,以及可遗传的非基因因素,从而影响后代的发育。

  亲本中某种基因的表达影响后代表型的现象被称为“间接遗传效应”。或许与直觉相反的是,这类效应可以很好地放到非基因遗传的范畴内,因为它们是由非基因因素的传递介导的。例如,在亲本中表达的特定基因可能会影响它们对后代的行为,或者改变种系中其他基因的表观遗传特征,从而影响后代的发育,即使后代并没有遗传该基因。

  对小鼠的研究提供了一个间接遗传效应的显著例子。薇姬·纳尔逊(Vicki Nelson)及其同事通过不同的近交系小鼠品系培育出了除Y染色体外在基因上十分相似的雄性小鼠,接着他们提出了一个非常奇怪的问题:雄性的Y染色体是否会影响其雌性后代的表型?任何在高中生物学课堂中保持清醒的人都知道,女儿不会继承父亲的Y染色体。因此,按照经典遗传学的逻辑,父体Y染色体上的基因不会影响其雌性后代。然而,纳尔逊和同事们发现,父体的Y染色体确实会影响雌性后代的多种生理和行为特征。事实上,父体Y染色体对雌性后代的影响程度可以和父体常染色体或X染色体的影响相当,后两者都是雌性后代能继承的。尽管我们还不知道其中的机制,但Y染色体上的基因肯定能以某种方式改变精子的细胞质、精子的表观基因组或精液的组成,使Y染色体上的基因能影响没有遗传这些基因的后代的发育。

  一些母体和父体效应似乎是作为帮助后代在最可能遇到的环境中取得优势的手段演化出来的。这种“预见性”父母效应的例子中,最典型的是当亲本受到掠食者威胁时能诱导后代的防御,水蚤就是如此。水蚤是一类微小的淡水甲壳动物,用一对较长的附肢作为桨,在水中缓慢地移动。它们很容易被掠食性昆虫、其他甲壳动物和鱼类捕食。当发现来自掠食者的化学信号时,一些水蚤物种的反应是从头部和尾部长出棘刺,使自己变得更难被捕捉或吞食。曾暴露于掠食者压力下的水蚤所产生的后代,即使在没有掠食者信号的情况下,也会长出棘刺,并且可能经历生长速率和生活史的改变,进一步降低被捕食的可能性。许多植物中也会出现这种跨世代诱导的防御措施;当受到植食动物(比如毛毛虫)的攻击时,植物所产生的种子能分泌出气味难闻的防御性化学物质(或者能对植食动物更快地启动这类防御措施),而且这种诱导防御能够持续好几个世代。

  尽管目前尚不清楚水蚤母体如何诱导后代的棘刺发育,但一些明显具有适应性的母体和父体效应例子都涉及到将特定的化合物传递给后代。举例来说,美丽灯蛾(学名:Utetheisa ornatrix )能通过食用豆科植物来获得吡咯里西啶生物碱。雌蛾会受到这种化学物质含量丰富的雄蛾吸引,而这些雄蛾能将部分毒素储存在精液中,作为“结婚礼物”注入雌蛾体内。雌蛾将这些生物碱整合到虫卵中,使其后代变得对掠食者来说不大“可口”。

  父母还能帮助后代为可能面临的社交环境和生活方式做好准备,比如沙漠蝗虫(学名:Schistocerca gregaria)。这种昆虫能够在两种截然不同的表型变种之间转换:灰绿色的“孤独”变种和黄黑色的“合群”变种。合群变种具有生殖力较低、寿命较短和脑部较大等特征,而且有聚集形成庞大迁移群体的趋势,能够吃尽大片区域的植被。在遇到密集的蝗虫群体时,蝗虫的行为方式可以从孤独迅速转变为合群,而且雌性蝗虫所经历的种群密度也会决定它们后代的变种类型。然而,有趣的是,整套表型的改变会在几个世代中积累,表明母体效应是累积性的。这种效应似乎是由传递给后代的物质(通过卵细胞质和/或包裹在卵细胞上的附属腺体产物)介导的,而生殖系谱中的表观修饰也可能发挥着某种作用。

  不过,父母的经历并不一定会使子女表现得更好。首先,父母可能会误判环境线索,而环境也可能变化太快,意味着父母有时会根据错误的情况调整后代的特征。例如,如果水蚤的母亲诱导了后代发育出棘刺,但掠食者一直没有出现,那后代就要一直背负着棘刺,无法从这一特征中获得好处。在这种情况下,预期的父母效应实际可能会伤害后代。一般而言,后代面临一个复杂的问题,即如何把父母接收到的环境线索和自己直接从环境中接收到的线索整合起来,它们最佳的发育策略将取决于那些更有用和更可靠的线索。

  虽然亲本的预期效应可能会误伤,但总体而言,这些效应还是会受到自然选择的青睐。不过也有许多亲本效应根本就不具有适应优势。压力不仅对体验到压力的个体有害,而且对它们的后代也会产生有害影响。例如,美国伊利诺伊大学的凯蒂·麦吉(Katie McGhee)、艾莉森·贝尔(Alison Bell)等人的研究结果显示,暴露于模拟捕食者攻击的雌性棘背鱼科鱼类会产下学习速度缓慢的后代,它们在面对真实捕食者时无法正确应对,因此会比没有经历过模拟攻击的雌鱼所产后代更容易被吃掉。这些效应会让人联想起人类母亲在怀孕期间吸烟的可怕后果。对人类群体的相关性研究(以及在啮齿类动物中的实验性研究)显示,母体吸烟并不能帮助发育中的胎儿对呼吸道刺激做好准备,反而会改变子宫内环境,导致幼儿容易患上肺功能衰退和哮喘,此外还会降低新生儿体重,造成生理紊乱和其他问题。类似的,从酵母到人类的许多生物体中,大龄父母往往会产生体弱或寿命较短的后代。尽管通过生殖谱系传递的基因突变可能会导致这样的“亲本年龄效应”,但起主要作用的似乎是非基因遗传。因此,虽然某些类型的亲本效应代表了可以增强适应性的演化机制,但另一些亲本效应显然也会传递病症或压力。这种“非适应性”亲本效应可以和有害的基因突变相当,尽管它们与特定条件下稳定诱导的基因突变有很大差别。

  亲本效应有时能产生危害的事实表明,后代应该演化出能减轻伤害的方法,或许可以通过屏蔽从父母那里得到的特定非基因信息来实现。即使父母及其后代的健康利益十分一致,这种情况也可能发生,因为对父母及其后代而言,错误的环境线索或亲本病症的传递都是极其不利的。不过,正如达斯汀·马绍尔(Dustin Marshall)、托拜厄斯·乌勒(Tobias Uller)等研究者所指出的,父母及其后代的健康利益很少一致,因此亲本效应有时会成为父母和后代冲突的舞台。个体会选择能最大化自身利益的资源分配方式。当某一个体预期在一生中能产生不止一个后代时,它就会面临如何在多个后代中分配资源的问题。举例来说,母亲可能会通过产生更多数量的后代来最大限度地提高繁殖成功率,即使这一做法意味着对每个后代的投入都会减少。但是,由于每一个后代都可以从母亲那里获得更多资源而受益,因此这种“自私”的母性策略对后代来说代价高昂,并且可能会筛选出反制策略,使后代能从母亲那里获取更多的资源。

  事情还会进一步复杂化,母亲和父亲的利益也可能出现分歧。举例来说,大卫·黑格(David Haig)指出,父亲往往可以通过帮助它们的后代从母亲那里获取额外资源而受益,即使这些额外投资会减少母亲的健康利益。这是因为,每当雄性有机会与多个雌性一起养育后代时,每一个雌性都有机会同其他雄性交配,因此雄性的最佳策略就是自私地榨取每一个配偶的资源,为自己的后代谋福利。在非基因遗传演化中,这种亲子关系和父母对后代投入上的冲突是一个具有潜在重要性,但又很少有人探索的维度。

  饮食对适应性的影响

雄性指角蝇的差异非常明显:在同一根木头上的典型群体中,你可以同时找到2厘米长和5毫米长的个体。  雄性指角蝇的差异非常明显:在同一根木头上的典型群体中,你可以同时找到2厘米长和5毫米长的个体。
 

  在构成一个动物生存环境的无数要素中,饮食对于形成达尔文式的适应性、保持健康和其他许多特征而言尤其重要。事实上,饮食也可以对不同世代产生重大影响。科学家对指角蝇(学名:Telostylinus angusticollis)受饮食的影响进行了研究。这种蝇类主要分布于澳大利亚东海岸地区,在腐烂的木头上繁殖。雄性指角蝇的差异非常明显:在同一根木头上的典型群体中,你可以同时找到2厘米长和5毫米长的个体。不过,如果在实验室中以标准的幼虫食谱进行饲养时,所有成年雄性指角蝇都会长成十分相似的体型,这表明野生状态下的体型差异大部分是环境因素造成的,而非内在的遗传因素;换句话说,足够幸运获得充足食物的蛆虫会发育成体型较大的成体,而缺乏营养的蛆虫最终只能接受微小的体型。

  然而,这种由环境因素诱导的雄性表型变化会在世代间进行传递吗?为了找出答案,研究者用两种培养基对来自同一母体的雄性指角蝇幼虫进行培养,一种是营养丰富的培养基,另一种则是稀释之后的培养基。

  研究人员将获得的大、小两组雄性指角蝇与用相同食物培养的雌性指角蝇配对,然后测量它们的后代特征。他们发现,体型较大的雄性指角蝇会产生较大的后代,而后续的工作显示,这种非基因父体效应可能是通过精液中传递的物质介导的。然而,由于雄性指角蝇转移的精液量很小,比一些昆虫物种的雄性所产生的通常含有营养物质的精液小几个数量级,因此这种效应似乎不涉及将雄性的营养物质转移到雌性或其后代体内。

  科学家近期发现,这种效应甚至可能扩大到由其他雄性所产下的后代。安杰拉·克林(Angela Crean)按前述方法获得了大、小两组不同体型的雄性指角蝇,并用雌性与这两组雄性都进行交配。首次交配发生在雌性的卵未成熟时,而第二次交配发生在两周之后,此时卵已经成熟,并被包裹在无法渗透的硬壳中。雌性指角蝇在第二次交配后很快就产下了卵,科学家采集了这些后代并对其进行基因型分析,以确定亲子关系。由于蝇类的卵只能在成熟时受精(精子通过卵壳上的特殊开口进入卵细胞),而雌性储存精子的时间很少达到两个星期之久,因此科学家毫不意外地发现,几乎所有指角蝇后代都是源自第二次交配的雄性。有趣的是,后代的体型会受到母亲第一个交配对象在幼虫阶段的饮食影响。换句话说,如果幼虫的母亲第一次交配的对象在幼虫阶段营养充足的话,它们就会长得比较大,即使这个对象并不是它们的父亲。另一项独立进行的实验排除了雌性指角蝇会根据对第一个雄性的视觉或信息素评估结果来调整对后代投入情况的可能性。由此我们可以得出结论:来自第一只雄性精液的分子会被雌性体内未成熟的卵吸收(或者以某种方式诱导雌性改变对发育中的卵的投入),从而影响另一个雄性所育胚胎的发育。在孟德尔遗传学出现之前,这种非父隔代效应(被德国演化生物学家奥古斯特·魏斯曼称为“先父遗传”)在科学文献中被广泛讨论,但早期证据并不令人信服。近期的研究提供了第一个现代证据,表明这种效应是可能的。尽管先父遗传并不在通常的“垂直”(父母—后代)遗传概念范畴内,但它突出说明了非基因遗传违反孟德尔假设的可能性。

  有充足的证据表明,对哺乳动物来说,父母的饮食也会影响后代。20世纪上半叶时,有研究者开始进行饮食——特别是对蛋白质等关键营养物质的限制——对大鼠影响的实验性研究,目的是深入了解营养不良的健康后果。20世纪60年代,研究者好奇地发现,在怀孕期间喂食低蛋白饮食的雌性大鼠所产生的后代,以及这些后代的后代,都显得病态十足和骨瘦如柴,具有相对较小的大脑,神经元数量减少,在智力和记忆测试中表现糟糕。近年来,研究工作已经转向了解营养摄入过量或不平衡的影响,以大鼠和小鼠作为实验模型来深入了解人类肥胖症的情况。现在我们可以确定,母方和父方的饮食会对后代发育和健康情况产生多种影响,其中一些效应是通过胚胎干细胞在子宫内的表观遗传重编码来实现的。例如在大鼠中,研究显示母鼠的高脂肪饮食会减少造血干细胞的增殖,而富含甲基供体的母鼠饮食会促进胚胎神经干细胞的增殖。研究还发现,大鼠中高脂肪的父鼠饮食会导致雌性后代的胰岛素分泌减少和葡萄糖耐受力降低。人类也有存在这些效应的证据。

  回顾目前对扩展遗传的研究现状,我们会想起20世纪20年代的遗传学,或20世纪50年代的分子遗传学。我们的所知所得,只能使我们明白更多未知的存在,以及未来将面临的挑战。不过,一个已经无可置疑的结论是,在将近一个世纪里塑造了实证研究和理论研究的高尔顿式假设,已经违背了现在发现的许多情况,而这意味着生物学又将迎来令人振奋的时代。实证研究者将在很多年里忙于探索非基因遗传,观察其生态效应,并确定其在演化上导致的结果。这项工作将需要开发新工具,还需要设计巧妙的实验。理论研究者也有着同样重要的工作,包括澄清观点并做出新的预测。在实践层面上,现在医学和公共健康领域同样清楚的是,我们不需要成为“我们所获得天性的被动传递者”,因为我们的人生体验在塑造我们传递给后代的遗传“本质”中发挥着非同寻常的作用。

原文链接:http://nautil.us/issue/58/self/heredity-beyond-the-gene?utm_source=frontpage&utm_medium=mview&utm_campaign=heredity-beyond-the-gene

真菌或许能拯救世界:但也能非常可怕

美军在南太平洋的伦多瓦岛登陆美军在南太平洋的伦多瓦岛登陆

 

       帐篷正在消失,制服也是,但所有这些物品并没有立刻消失,一切都发生不知不觉间。这是第二次世界大战期间,敌人无处不在,但在美军位于所罗门群岛的营地中,任何东西都不会被清扫或偷走。

  相反的,在这些偏远的南太平洋小岛上,一切东西似乎都在瓦解——而且速度极快。似乎有一些看不见的生物正在吃掉军营里的东西,包括勤务兵身上的T恤。美国陆军很快找到了罪魁祸首,那就是里氏木霉(学名:Trichoderma reesei),一种饥饿的真菌——它们在军事上的别名“QM6a”可能更广为人知。

  尽管这种真菌一开始让美国军队损失了不少钱,但在今天,里氏木霉却得到了工业界(包括美国军队)的重视。想当初,这种能天然分解纤维素的霉菌让所罗门群岛的美军营地头疼不已,它们吃掉了美国人的棉布、木浆和纸张。现在,它们是纤维素酶的主要来源,而纤维素酶可以用于处理咖啡豆,或者将生物质转化成生物燃料。

  罗伊·哈灵(Roy Halling)是美国纽约植物园的真菌学家。作为真菌学(研究对象包括蘑菇、霉菌和酵母等)部门的负责人,哈灵的时间主要在两个地方度过:实验室和野外。在参观位于布朗克斯的植物标本室(拥有将近800万件标本)时,他向我们讲述了真菌界令人难以置信的“腐烂”能力。

  “在碳存在的地方,就有随时准备降解碳的真菌,”哈灵说道。从医院到农田,我们可以找到无数的例子,证明真菌并不是等闲之辈。比如令我们感到无比瘙痒的各种癣症,其病因可以是多达40类真菌,另外还有数十种类似的疾病也会感染人类。如果这还无法让你惊奇,请想一下香蕉,尤其是大米七香蕉,这是20世纪50年代之前在美国销售的主要香蕉品种。就在那时候,这种香蕉成为了黄叶病(又称巴拿马病)的受害者。这是一种由尖孢镰刀菌古巴专化型引起的植物病,主要感染香蕉根部。这种真菌能分泌毒素,导致香蕉出现程序性细胞死亡。黄叶病的流行迫使农民不得不改种其他香蕉品种,主要是香芽蕉。香芽蕉也由此成为世界主要种植的香蕉品种。

  不过,从上个世纪开始,我们已经越来越多地将这些丰富多样、具有孢子的生物视为朋友,而不是敌人。真菌一直在帮助我们酿造啤酒和发酵面团。到了1928年,伦敦圣玛利亚医院的亚历山大·弗莱明(Alexander Fleming)发现了青霉素,这是一种改变世界的抗生素,由普通的青霉菌制成。今天,医疗市场上有大约1600种抗生素的存在要归功于这些微小的菌丝体。还有一些研究者试图用蘑菇作为肉类、皮革和发泡胶的替代品。科学家还在尝试用真菌来治疗创伤性压力综合征患者,以及用它们来帮助蜜蜂对抗螨虫,以避免种群崩溃。

一些可以食用的蘑菇一些可以食用的蘑菇

  然而,这并不意味着真菌就会停止对碳基宇宙的侵蚀。它们仍然具有强大的腐蚀能力,能消灭任何遇到的东西。之所以现在看起来一切都好,只是因为人类更好地利用了它们的这种能力,从而为自己服务。

  丹麦生物技术公司诺维信(Novozymes)正利用从细菌和真菌中提取的酶制造对环境更友好的洗衣剂。汰渍(Tide)和七世代(Seventh Generation)等公司也不再依赖人工化学产品,转而使用天然配方,而自然界中的真菌便是这些配方的来源之一。

  “我会带着蘑菇篮去森林里,”诺维信公司的霉菌学家Mikako Sasa说道。如果她发现一种诺维信公司从未采集过的真菌,她就会带一份样品回到实验室。“这不是一个数字游戏,而是一个多样性游戏,”Mikako Sasa补充道,“我希望增加多样性,因为我们向非常多的产业出售非常多的酶和产品。”在2016年,诺维信公司产生的利润就达到22亿美元。

  诺维信公司的研究者发现,一些真菌酶能减少洗衣服所需的能量。比起实验室制造的化学物质,这些酶只需要很少的能量就能激活,从而减少清洗衣物时的总碳排放量。真菌酶在处理污渍方面也同样出色。当与水混合时,水解酶会破坏化合物的化学键。在所罗门群岛吃掉美军所有帐篷的里氏木霉就能够水解纤维素。另一些真菌则擅长破坏粘在衣服上的其他东西,比如血液、汗渍或污垢。

  科学家还在研究真菌酶及其在垃圾回收和修复土壤中的作用。2011年,有一篇关于罕见真菌小孢拟盘多毛孢(Pestalotiopsis microspora)分离物的论文引发了许多讨论。这种真菌能够降解聚氨酯(PU)——一种耐用的塑料,出现在过山车车轮、现代艺术品及其他大量物品中。许多研究显示,蘑菇能吸收毒素,包括重金属等,因此能被用于清洁受污染的土壤。

  归根结底,我们必须与无处不在的真菌达成微妙的平衡。它们当然可以帮助我们减少碳足迹,并治疗一些疾病,但是在真菌学的历史中,有一件事是非常清楚的:真菌完全可以非常可怕。

原文链接:https://www.popsci.com/mushrooms-could-save-world

有毒哺乳动物沟齿鼩:像毒蛇一样猎杀小动物

在大多数人的印象中,哺乳动物的典型形象是长着保持身体温暖的皮毛,用乳汁哺育后代,以及拥有体积相对较大的大脑。只有极少的哺乳动物会像芋螺或毒蛇一样,具有能使猎物一击致命的毒液。在为数不多具有毒腺并能够释放强效毒素的哺乳动物中,沟齿鼩显得尤为神秘。更奇特的是,这种类似鼩鼱的动物鼻子里长有一个类似人体髋部的球窝状关节,使它们的鼻子极为灵活。此外,雌性沟齿鼩的乳头位置有些奇葩……让我们到后面再说。

在分类学上,沟齿鼩属于鼩形目沟齿鼩科沟齿鼩属,现生有两个物种:古巴沟齿鼩(学名:Solenodon cubanus)和海地沟齿鼩(学名:Solenodon paradoxus),分别生活在古巴和伊斯帕尼奥拉岛(加勒比海地区的第二大岛,东西两侧分别为多米尼加和海地)上。

如果你走入古巴或伊斯帕尼奥拉岛的森林,请先尝试深呼吸一下。空气中可能会有点山羊的味道:类似麝香,混杂着泥土气息,可能有点像湿透的狗发出的气味,绝对会让你感到刺鼻。这种气味来自沟齿鼩腋部的腺体。接下来,请看看你的脚下。你可能会在泥土中找到一些奇怪的圆锥形洞穴,洞口边缘有不少抓痕。

此时你已经距离沟齿鼩不远了。它们通常在夜间捕食,用高度灵活的长鼻子伸到土壤中,在植物根系周围寻找无脊椎动物,比如蚯蚓和昆虫。它们长有许多敏感的胡须,能帮助感觉土壤里的一切,对于视力并不算太好的沟齿鼩来说,这一点非常重要。

生态学家乔·努涅斯米诺(Joe Nunez-Mino)说:“它们长着非常小的眼睛,视力似乎不是特别好,不过对光线十分敏感。”努涅斯米诺养了几只沟齿鼩,每当开灯的时候,它们就疯了一样乱窜。很显然,这是一种在夜间活跃的动物。

你需要足够幸运才能在野外环境中遇到沟齿鼩。这是一种非同寻常的哺乳动物。它们的外形就像一只大老鼠,又有点像粗壮的鼩鼱。它们的身长能达到2832厘米(从鼻子到臀部),尾巴长度可达1826厘米,重量在0.71.0千克之间。它们的指甲长而尖,行走时会呈现摆动不定的步态。哺育幼崽的雌性沟齿鼩尤为奇特。它们的乳头有点像是长在后腿的“胳肢窝”里——靠近尾部,几乎就在屁股上——有时候还会拖着幼崽到处跑。

虽然形态特征略显奇葩,但如果你有幸遇到沟齿鼩的话,请千万不要尝试触摸它们。不仅因为沟齿鼩处境濒危,而且因为它们咬你的时候会像毒蛇一样释放毒素,这在哺乳动物中极其罕见。某些水鼩和北美短尾鼩也会用毒液捕猎,雄性鸭嘴兽的后腿上长有毒刺,不过它们只用其来打败竞争者,或者是作为防御。

沟齿鼩的唾液腺位于下颚,能分泌一种神经毒素。带有毒素的唾液能通过门齿内侧的沟注入猎物体内——这也是它们被称为“沟齿鼩”的原因。沟齿鼩要做的就是咬开猎物的皮肤——或者昆虫的外骨骼表皮——使毒液能够进入其体内发挥作用。

从极少的人类被咬报告来看,沟齿鼩的毒素似乎也很难捱。中毒症状类似毒蛇咬伤,包括局部肿胀和严重疼痛,持续时间可能长达数日。如果幸运的话,你可能只会被“干咬”,也就是受点皮外伤,但没有毒液进入。从节省能量的角度来说这很合理。毒蛇知道如何随机应变,“蛇类经常会咬一下而不注入毒液,因为使用毒液其实很浪费,除非真的有必要,”努涅斯米诺说道。

沟齿鼩的毒液能使蜥蜴等小动物丧失运动能力。在实验室中,科学家发现注入了沟齿鼩毒液的小鼠出现呼吸困难、肌肉震颤和瘫痪等症状。此外,沟齿鼩并不会满足只捕猎比自己小的动物。“有报告称,一只圈养在伦敦的沟齿鼩吃掉了一整只鸡,”巴西南里奥格兰德联邦大学的分子生物学家罗德里戈·利加波尔·布朗(Rodrigo Ligabue Braun)说,“它咬了一只鸡,然后把想吃的所有部分都吃掉了。”

或许我们可以从同样具有毒液的某些鼩鼱来推测沟齿鼩的行为。在杀死猎物之后,沟齿鼩可能也不会立刻就把猎物吃掉。鼩鼱经常在咬伤猎物并使其无法动弹之后,把猎物拖到洞穴中;它们会过一会再回来吃掉这些还昏迷不醒的小动物。沟齿鼩可能也有同样的行为方式。

那么,为什么沟齿鼩会在哺乳动物中独树一帜,演化出攻击性的毒液呢?事实上,问题可能不在于沟齿鼩如何演化出毒液,而在于其他哺乳动物为什么会失去这项技能。

如今的地球上,哺乳动物可谓是最出风头的动物类群,然而在几千万年前,弱小的哺乳动物只能东躲西藏,活在恐龙的阴影之下。许多古老的哺乳动物可能都具有毒液,用来抵御掠食者。恐龙的灭绝使地球生命的格局发生了剧烈变化。“从演化的角度看,”布朗说,“在一个猎物和掠食者跟以前很不一样的环境里,你需要耗费过多的资源才能制造出毒液。”因此,哺乳动物在演化中逐渐抛弃毒液也就情有可原了。

无论是出于何种原因,沟齿鼩依然保留着这种独特的武器。其实,沟齿鼩本来就是相当古老的哺乳动物,大约在7600万年前分化出来——不久之后(演化史的角度)恐龙就因为小行星撞击地球而遭遇灭绝厄运。不过,布朗指出,关于哺乳动物毒液演化的话题依然存在许多争论。早期哺乳动物或许也很少具有毒液,而沟齿鼩可能一直都是一个异类。

虽然毒液能给沟齿鼩带来食物并抵御自然天敌,却无法对抗来自人类的压力。古巴和伊斯帕尼奥拉岛上的栖息地破坏使沟齿鼩的处境变得越来越艰难。人类带来的入侵物种对沟齿鼩的伤害不啻于一场大屠杀。殖民地时代,有人将原产于亚洲的红颊獴(学名:Herpestes javanicus auropunctatus)引入加勒比海地区,用来捕猎蛇和老鼠,而沟齿鼩也成为它们的猎物。

在伊斯帕尼奥拉岛上,狗对沟齿鼩的威胁尤为严重,“尽管我们也记录或听说过狗被沟齿鼩咬伤之后,可能因为毒液而死掉的案例,”努涅斯米诺说道。另一个威胁来自野猫,它们可能不会直接捕杀沟齿鼩,但已经成为沟齿鼩的竞争对手:野猫同样以沟齿鼩赖以生存的蜥蜴和较大的昆虫作为食物。

古巴沟齿鼩一度被认为已经灭绝,直到2003年又发现了活的个体。海地沟齿鼩也曾被认为灭绝,但可能更多是因为它们神秘的习性,而非较低的种群数量。近期的研究显示,海地沟齿鼩在伊斯帕尼奥拉岛上广泛分布,但也受到栖息地退化的威胁。动物保护工作者正在努力拯救这两种神奇而古老的哺乳动物。一些非盈利机构正在与当地组织和政府部门合作,对沟齿鼩展开更加深入的研究,包括种群情况和毒液组成等。

原文:https://www.wired.com/2016/02/absurd-creature-of-the-week-the-mystery-of-solenodon-the-mammal-that-bites-like-a-snake/

关于鱼类“阴茎”:用鱼类”色情片”研究雌鱼对雄鱼偏好

在繁殖问题上,大多数鱼类都是体外受精,即雄鱼和雌鱼分别将精子和卵子排到水中,让它们自然结合。不过,剑尾鱼属(Xiphophorus)鱼类与大部分鱼类不同,它们是在体内受精,并能“生出”活的仔鱼。为了实现这一过程,雄性剑尾鱼演化出了用于授精的体外生殖器官,这在鱼类中独树一帜。许多人很自然地想到一个问题:对剑尾鱼而言,这个生殖器官是否越大越好?一项新研究显示,雌性剑尾鱼对雄鱼的青睐程度与其生殖器的大小并没有必然联系。没错,大小固然重要,但更重要的是雄鱼如何使用它——这一切都是在雌鱼足够健康,能做出“明智”判断的前提下。

  要澄清一点的是,雄性剑尾鱼的生殖器官其实与人类的截然不同,它其实是肛门附近高度特化的臀鳍的一部分,呈细长的折叠状,末端具有钩子和奇特的小片。这样的器官被称为“生殖足”(gonopodium),尽管从演化的角度上,生殖足在本质上与哺乳动物的阴茎完全不同,但功能是一样的,都是将精子送入雌性的体内,使卵子受精。因此,生殖足可以说就是鱼类的阴茎。不同剑尾鱼属物种的生殖足长度有很大差异,同一物种的雄性个体之间也各不相同。这为科学家研究剑尾鱼属雌鱼对雄鱼的选择是否会影响生殖足大小的问题提供了机会。

  剑尾鱼属鱼类原产于中美洲的水道中,它们的名称来源于雄鱼尾鳍具有特别长的剑状延伸突——称为“尾剑”。在一些剑尾鱼物种中,所有雄鱼都是“求爱型”,会利用尾剑和炫耀性的动作说服雌鱼进行交配;而在另一些剑尾鱼物种中,一部分雄鱼是求爱型,其他雄鱼则是“偷袭型”,即体型较小的雄鱼会跳过繁琐的求偶步骤,转而采取所谓的“替代生殖策略”。由于求偶的方法是直接由父代传递给子代,因此会求爱的雄鱼总是产下会求爱的仔鱼,而专事偷袭的雄鱼后代也是偷袭型。

  对于剑尾鱼属雄鱼在生殖足长度和求偶方式之间的联系,墨西哥韦拉克鲁斯生态学研究所的科学家对剑尾鱼属雌鱼如何在混乱无序的生殖足,以及花里胡哨的求偶表演中判断并选择青睐的对象进行了研究。通过观察雌鱼对不同长度生殖足,以及对不同雄鱼交配行为的反应,科学家确定了影响雌鱼选择的重要因素,以及这些因素对应的环境条件。

雄性和雌性剑尾鱼雄性和雌性剑尾鱼

  在发表于《英国皇家学会会刊B辑》(Proceedings B of the Royal Society)的论文中,研究人员阐述了剑尾鱼属雌鱼在评估追求者的生殖足和华丽尾鳍时,可能演化出了一种小心翼翼的策略,兼顾了在危险栖息地中的生存和风险。

  研究团队从墨西哥野外采集了两种剑尾鱼,分别是剑尾鱼(学名:Xiphophorus hellerii)和多线剑尾鱼(学名:Xiphophorus multilineatus),前者的雄鱼均为求爱型,后者则具有求爱型和偷袭型。对于这两个物种(以及两种雄鱼求偶策略),研究人员都分别拍摄了雄鱼与雌鱼互动和求爱的视频。利用Photoshop软件,研究人员对这些短视频逐帧进行处理,把画面中的雌鱼完全去掉,然后把雄鱼的生殖足长度拉长或缩短30%,以代表生殖足的长度范围。如此这般,就有了6段视频:每个物种按生殖足长度分为三类。接下来,研究人员向雌鱼播放了这些视频片段,观察它们如何选择不同生殖足长度的雄鱼。研究人员主要根据雌鱼靠近视频中雄鱼的速度,以及它们在屏幕前停留的时间作为评判指标。

  换句话说,科学家在本研究中其实所做的,其实就是拍摄、编辑和放映“剑尾鱼色情片”,然后观察雌鱼看到片中雄鱼时是会兴奋还是厌烦。

  在只有求爱型雄鱼的剑尾鱼中,雌鱼更青睐的是具有较小生殖足的雄鱼。同样的情况也出现在多线剑尾鱼的两类雄鱼中。然而,当研究人员把雌鱼的相对健康情况考虑进去之后,雌鱼对求爱型和偷袭型雄鱼的偏好又出现了差别。

  实验之前,研究人员测量了所有雌鱼的体密度。体密度越高,表明鱼体含有的脂肪和蛋白质就越多,也就意味着具有更加健康的“身体状态”。尽管更为柔弱的雌鱼并不太关注求偶方式(而只在意生殖足长度),但肌肉更为发达、更加健康的雌鱼则有着非常特殊的品味。总而言之,它们青睐的是生殖足较短的求爱型雄鱼,而对于偷袭型雄鱼,它们更喜欢具有较长生殖足的个体。随着雌鱼身体条件的提高,这种偏好就更加明显。

一条雄性剑尾鱼属鱼类,与研究中所用的物种是近亲一条雄性剑尾鱼属鱼类,与研究中所用的物种是近亲

  大体重雌鱼中这种偏好分别的原因,很可能根植于所有地球生命的共同追求:确保自身和后代的存活。更健康的雌鱼通常年龄更大,经验更丰富,并且更具备躲避掠食者(通常是更大、更凶猛的鱼类)威胁的能力。这使它们能承受多一点风险,并利用更好的自身条件为下一代带来好处。正常情况下,与生殖足较长的雄鱼相处其实很危险。对于求爱型雄鱼来说尤其如此,它们本身在环境中就已经非常惹眼,吸引着掠食者的注意力,而长长的生殖足可能会增大在水中的阻力,使它们更难以逃脱险境。与它们在一起时,雌鱼被掠食者吃掉的风险也大大增加。因此,对求爱型雄鱼来说,更大的生殖足其实弊大于利。相比之下,对于其貌不扬的偷袭型雄鱼,更大的生殖足可能有着更多的好处。偷袭型雄鱼与雌鱼的交配过程短暂而混乱,并且常常伴随着追逐,因此较长的生殖足可能会大为提高受精的成功率。

  考虑到生殖足长度带来的后果,以及雄鱼“固执”地将求偶方式传递给后代的特征,我们可以推测,身体健康、甘冒风险的雌鱼为了后代的安全,会变得十分挑剔。通过在生殖足长度和求偶方式之间选择最佳的组合,而不是只考虑最安全的选项,这些雌鱼或许能确保在最好的条件下孕育后代。

  这项研究揭示了动物界中社会行为、竞争和生殖系统演化之间复杂而微妙的关系,再一次表明生物学现象往往有着许多间接的原因,并经常隐藏在我们意想不到的地方。

原文:https://gizmodo.com/for-fish-penises-bigger-isnt-always-better-1821014832

有关电击大脑

连线上面的原文:

What Happens If You Apply Electricity to the Brain of a Corpse?

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一个人类大脑的模型

对人类尸体的大脑进行电击会发生什么?

有些事情好像已经成为人类的一种习惯,比如对大脑进行电击。在古希腊时代就有人这么干了,那时有医师用电鳗来治疗头疼和其他疾病。今天,我们延续了这种疗法。神经科学家运用电流刺激患者的大脑,来激发大脑功能,或治疗抑郁症等疾病。

外部的电流之所以会对大脑功能产生影响,是因为我们的神经细胞之间的交流便是通过电信号和化学物质完成的。如今,这一认识已经深入人心,而就在两个世纪之前,科学家对神经系统的运作还深感困惑。

艾萨克·牛顿和其他一些人认为,我们的神经之间,以及神经和肌肉之间是通过振动互相交流的。当时另一个观点认为,神经可以分泌出某种液体。还有一个源自古代的神秘观点——现在依然流行——称,大脑和神经中充满了一种神秘的“生命活力”(animal spirits)物质。

“动物电”

到了18世纪,人类对电的了解越来越多,将电力应用于治疗身体和精神疾病的疗法(即电疗法)也变得十分流行。不过,当时的科学家并不清楚人类的神经系统能自己产生电流,并利用电信号进行信息传导。

在第一批涉足神经电传导领域的科学家先驱中,最著名的当属意大利物理学家路易吉·迦伐尼(Luigi Galvani,1737~1798)。迦伐尼的大部分实验都是以青蛙的腿部和神经为材料,揭示了在自然或人工机器放电的刺激下,青蛙的肌肉会发生抽搐。他因此提出了“动物电”的概念,包括人类在内的动物,都能在体内自发地产生电流。

“我认为,已经可以充分确定在动物体内存在着一种电流……这里说的是我们惯称的‘动物’的综合概念……”他写道,“在肌肉和神经中……它表现得最为清楚。”

神经科学的惊悚历史

然而,后来的实验结果令迦伐尼十分失望,他没能通过电击大脑使面部或周边的肌肉出现反应。后来,他的外甥乔凡尼·阿尔蒂尼(Giovanni Aldini,1762~1834)进行的实验却支持了他的结论。1802年,阿尔蒂尼对一名被砍头犯人的头部进行了电击。他在犯人两只耳朵内放入金属线,连接上简陋的电池,然后轻弹开关。“一开始,我观察到面部所有的肌肉出现了强烈的收缩,表情十分扭曲,就像是最狰狞的鬼脸,”他在笔记中写道,“眼睑的反应尤为显著,尽管人头上的反应不如牛头上的强烈。”

在这一时期,有关电在人和动物神经系统中扮演的角色,还存在着激烈的科学争论。迦伐尼最著名的争论对手亚历山德多·伏打(Alessandro Volta)认为,动物体内并不能自己产生电力。在此背景下,两个不同的阵营开始借助公众关系来推广自己的观点,而这恰好是阿尔蒂尼的优势所在。在某种程度上,阿尔蒂尼就像个马戏团老板。他巡回展示着自己的“惊悚”实验。1803年,他在伦敦的皇家外科医学院进行了一次轰动性的公开演示,所用的材料是刚刚在纽盖特(伦敦西门的著名监狱)被绞死的谋杀犯托马斯·福斯特(Thomas Forster)的尸体。阿尔蒂尼将导电杆插入死者的口、耳和肛门中。

在大批围观人群中,有一个人后来写道:“在一开始对面部的刺激中,死去罪犯的下巴开始颤抖,周围肌肉的扭曲令人恐惧,还有一只眼睛睁开。接下来的演示中,他的右手举起然后紧握,大腿和小腿也有了活动。对一些不知情的围观者来说,这一切看上去仿佛是那个卑鄙的罪犯第二天就要复活了。”

在这场广为传播的实验演示之时,《弗兰肯斯坦》的作者玛丽·雪莱年仅五岁。不过,她显然在当时有关电流和人体的争论中获得了启发。事实上,在1818年她的小说出版之时,另一场戏剧性的公开演示也同期上演。苏格兰医生、学者和化学家安德鲁·尤尔(Andrew Ure)在格拉斯哥,运用电流使一具尸体出现了类似深呼吸的状态,甚至能伸出手指指向观众。

死亡是一个过程

如果身体已死,那其体内的神经为何还能对外来的电刺激产生反应?1818年,一个流行但错误的观点认为,电是生命的活力所在,通过对尸体进行电击,可以使其重新获得生命。事实上,在安德鲁·尤尔的演示中,许多观众就觉得非常困扰,以致于要赶紧离开那栋建筑物。据报道还有个人现场昏倒。现代对神经信号传导的认识已经渐渐破解了这类观点,但你依然不难想象,类似安德鲁·尤尔和阿尔蒂尼的演示如果发生在今天,相信也会造成非常令人不安的后果。关于电流如何使尸体“复活”,有个强有力的解释来自英国遗传学和生理学家弗朗西丝·阿什克罗夫特(Frances Ashcroft)的精彩著作——《生命的火花》(The Spark of Life):

“当动物(或人)进行最后一次呼吸之后,其体内的细胞并没有立即死去,这也是我们可以在个体之间进行器官移植和血液注入的原因,”她写道,“除非已经变成碎屑,否则一个多细胞生物体的死亡极少是即刻发生的事件,而是一个逐渐停止、分阶段消亡的过程。在个体死亡之后,神经和肌肉细胞会继续工作一段时间,这也使通过电流进行‘复活’成为可能。”

以今天的标准来看,阿尔蒂尼和安德鲁·尤尔的实验似乎有点令人毛骨悚然,但这些实验激发了后来的神经生物学家和相关领域的科学家,在历史上具有重要的地位。