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国外实验室中养着上万只蜘蛛 探索类人基因秘密

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2017-09-29 16:46
来源:网易科技
互联网
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  许多动物都与人类拥有类似的基因,从猫(与人类有90%的共同基因)到牛(80%的共同基因)等。然而蜘蛛在某种方式上拥有巨大优势。在我们的进化史上,曾有古老的蜘蛛偶然间生下后代,它们拥有两个完整的遗传指令,而不是一个。这非常重要,而且这种情况在植物中比较常见。但在动物王国的整个历史中,这种情况只发生过五次。其中有两次发生在所有脊椎动物的祖先中,包括:人类祖先。

  在牛津大学一座安静的实验室里,生活着数以万计的各类蜘蛛。该校进化发育生物学家埃利斯泰尔·麦克格雷戈(Alistair McGregor)随意地说道:“我想这是相当多的蜘蛛。”与此同时,他也在活动双手去抓一只体型肥胖、长着长腿的雌性蜘蛛,后者正在努力为自己争取自由。麦克格雷戈称:“我们永远不会有更多的蜘蛛,因为它们会彼此捕食。”

  这个实验室里有1万只美国居家蜘蛛,还有其他令人感到不安的动物,从蜈蚣到狼蛛等应有尽有。空气故意散发出发霉的味道,以模仿蜘蛛喜欢潜伏的黑暗角落,墙壁上摆满了一排排的玻璃罐和培养皿。麦克格雷戈笑着说:“有时候蟋蟀会逃跑,我们可以听到它们在走廊里唱歌。”但他很快补充道,从来没有蜘蛛逃跑过。(他的学生后来告诉我,这种情况经常发生。)

  图2:美国居家蜘蛛是北美地区最常见的蜘蛛

  房间的正面安装着重型门,就像潜艇上的舱门。它已经十分老旧,有时甚至会卡住,导致麦克格雷戈的学被困在里面。眼睛始终盯着出口,我拿起一个罐子,看向里面。一只蜘蛛躺在银色的蛛丝上,八只瘦长的腿从它那完美圆润的身体里伸出来。麦克格雷戈说:“罐子里通常也有雄性蜘蛛,但它们通常称为雌性蜘蛛的食物。”

  有些蜘蛛可以用它们的毛发倾听各个地方的声音。其他蜘蛛则可以伪装自己的身体,看起来就像一片树叶。至少有18种蜘蛛可以游泳和捕鱼,而棕色的隐士蜘蛛则拥有更强大的毒液,并且喜欢藏在床单和鞋子里。但是麦克格雷戈的蛛形纲动物中唯一的天才是Parasteatoda tepidariorum,可以编制出优雅的三维网。他解释说:“与那些编制对称蛛网的同类相比,Parasteatoda tepidariorum的进化时间更晚,然而它们却可以编制恐怖电影中挂在吊灯上令人毛骨悚然的蛛丝。

  图3:美国家居蜘蛛是属于伴人物种(synanthropic)。虽然它们可以在野外生存,但却更愿意与人共同生活

  然而,Parasteatoda tepidariorum不应被低估。在北美,这种蜘蛛是最常见的蜘蛛,它在捕捉昆虫时的效率出奇地高,人们经常看到它们把碎片拖到网里躲起来。当它们意识到猎物被网住的时候,会用更多蛛丝困住猎物,然后,将其拉回嘴里,它们会吸光猎物的体液,只留下一个身体空壳,但是,麦克格雷戈饲养这些蜘蛛并不只是为了吓唬记者。近年来,科学家们已经摆脱了长期以来对诸如果蝇和老鼠等医学研究明星的依赖,接受了一系列新的奇异生物,包括:近乎无敌的微型动物和可以在陆地上捕猎的鱼类。蜘蛛也可能很快成为这种趋势的一部分。事实上,它们是理想的研究对象,这主要有两个原因:

  第一,蜘蛛与人类共享同一基因秘密。尽管我们已经在超过8亿年的漫长进化过程中分离,它们甚至没有合适的心跳,但是,蜘蛛和人类依然是非常相似的,例如,我们已经知道蜘蛛使用与我们相同的基因Pax-6,来形成它们的四对泡泡眼。把这个古老的基因从人类基因中抽出来,并用蜘蛛的基因取代它,这种现实版的“蜘蛛侠”将会长出非常正常的人类眼睛。

  图4:针对美国北卡罗来纳州家庭的调查显示,68%的浴室和超过3/4的卧室中都有蜘蛛

  当然,许多动物都与人类拥有类似的基因,从猫(与人类有90%的共同基因)到牛(80%的共同基因)等,然而,蜘蛛在某种方式上拥有巨大优势。在我们的进化史上,曾有古老的蜘蛛偶然间生下后代,它们拥有两个完整的遗传指令,而不是一个。这非常重要,而且,这种情况在植物中比较常见,但是,在动物王国的整个历史中,这种情况只发生过五次。其中有两次发生在所有脊椎动物的祖先中,包括:人类祖先。

  从表面上看,每个基因都有额外副本听起来真是一个非常糟糕的主意。毕竟,唐氏综合症就是由一条额外的染色体引起的,但它们实际上是进化的主要驱动力。当第一个副本必须执行它的原始功能时,第二个副本将被释放出来以承担新的角色。在脊椎动物的早期祖先中,这些副本被认为有助于将软组织(如,软骨)转变成骨骼。通过研究蜘蛛,麦克格雷戈的研究小组更全面地了解了这些罕见事件造成的影响。

  这就给我们带来了第二个原因,它们非常有用。在早期发育过程中,这些额外基因发挥了非常重要的作用。为了研究它们的功能,科学家们需要胚胎。在这里,蜘蛛是不会被打败的。蜘蛛恐惧症患者可能不希望知道,雌性蜘蛛每五天能产400枚卵。它们是完全透明的,科学家可以在不杀死它们的情况下观察胚胎的发育过程。

  图5:棕色的蜘蛛蜘蛛拥有极强的毒液,喜欢躲在鞋子里

  为了确保能有源源不断的胚胎供应,麦克格雷戈的实验室拥有严密的蜘蛛繁殖计划。首先需要丝质茧,它是由蜘蛛准妈妈在清晨的时候编织而成的。卵子被产下的同时受精,所以每个卵都处于相同的发育阶段。如果你是科学家的话,这是非常有用的。每个丝质茧都有自己的培养皿,并有10天的发育期。当它们出生的时候,幼蛛是无法移动的,没有毛,呈现半透明状态,只是眼睛里有一点儿红色,但是,在几天之内,它们就会像父母那样可怕。当它们开始四处移动、吐丝,并将它们的兄弟姐妹们吃掉时,培养皿就变成了蠕动的模糊物体。这就是它有点棘手的地方。它们可以互相捕食,因此不需额外的食物。最终,少数幸运的幸存者被隔离到自己的私人住所中。从那时起,它们就开始被喂食苍蝇(包括麦克格雷戈实验室研究的果蝇)以及由宠物店提供的蟋蟀。

  图6:世界上的蜘蛛每年会吃掉400亿到800亿吨猎物,这比地球上所有人的体重总和都要多

  经过几轮生长,不计算外壳的情况下,它们的体长大约有9毫米,现在准备交配。麦克格雷戈对着一瓶蜘蛛正进行思考,他说:“我只是在想,他们是在交配,还是雌性蜘蛛要吃掉雄性伴侣?”在野外,求偶者往往会在交配之后逃跑。但在如此封闭的环境内,这种情况很少会发生。幸运的是,大多数蜘蛛只需要交配一次。

  如今,麦克格雷戈的全部蜘蛛都是自德国格廷根10~20只蜘蛛的后裔。他说:“当科学家在会议上发言时,他们往往会展示收集动物地点的幻灯片,通常是在美丽的岛屿和海滩上。而我们从学生的地下室里收集到所需要的东西。”

  图7:根据传说,长腿蜘蛛是有毒的,但它们的毒牙无法穿透人类的皮肤。事实恰恰相反,这些蜘蛛无毒,但牙齿可以穿透人类皮肤

  虽然,针对蜘蛛的研究还不到10年时间,但在所谓的“基因复制”领域已经产生了许多引人入胜的见解。一个例子就是护膝。最初,来自格廷根乔治-奥古斯特大学的科学家想要知道:为什么有些蜘蛛的腿相对较短,而其他蜘蛛则拥有令人心寒的细长大腿。他们找到了一种能确定答案的基因——Dachshund基因,它以达克斯猎犬命名。

  科学家们比较了美国家居蜘蛛和一种被称为“长腿叔叔”的蜘蛛,希望寻找基因上的差异,但他们没有找到。相反,这两种蜘蛛都有额外的基因副本。为了找出这种基因的作用,科学家们在美国家居蜘蛛胚胎中将其关闭。结果显示,这只变异蜘蛛的膝盖与腿融合在一起,没有任何膝部。这种结构允许蜘蛛在浴室的地板上跑,或者小心地穿过粘糊糊的蛛网,这是由于进化上的错误而导致的。

  还有其他突破。在过去几年中,蜘蛛的研究为治疗心脏病和衰老等症状提供了各种各样的线索,在它们毒液中发现的蛋白质将来可能用于治疗脑损伤、肌肉萎缩症,甚至是阳痿。我很想说,我永远也不要看到它们毛茸茸的身体、八只眼睛以及獠牙。但是,它们总是出现在我们周围,同样令人感到毛骨悚然。

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