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為交配 它的屁股自己逃走了 還長出了腦子和眼睛

這個世界總會在不經意間帶給我們一些驚喜和驚嚇。比如,一些環節動物,例如裂蟲科(Syllidae)的獨特繁殖機制。在這個被稱作「匍匐繁殖」(stolonization)的過程中,這些小生命安放性腺的身體後端——通俗來講就是它的屁股——會從本體上斷裂來開,自由行動。

這個「可拆卸屁股」叫做匍匐根或生殖莖(stolon),它不僅能在遇到異性時會產卵或釋放精子,還長有自己的眼睛、觸鬚和附肢,以便自由泳動。這顯然為裂蟲的種群繁衍帶來了一些好處:不僅可以保護本體免受來自外界環境的危害,還能將自己的配子傳播得更遠。

長久以來,裂蟲這種奇特的形體構型及其發育謎團一直困擾着科學家。東京大學附屬臨海實驗所教授三浦徹和同事出於對動物生命周期中發育系統演化過程的濃厚興趣,就地取材在日本海和東京灣沿岸採集了一批日本綠裂蟲(Megasyllis nipponica),終於弄清楚了它們「可拆卸屁股」的形成過程。

救命!屁股自己遊走了~

日本綠裂蟲是一種生活在海洋中的底棲動物,這種微小的環節動物生命周期一般只有 6 個月,但它們為了繁殖而演化出的身體卻很驚人。

在細緻的形態學和組織學觀察後,三浦和同事發現,當裂蟲位於身體後端的性腺成熟後,匍匐根脫離本體的行動就開始了。發育中的匍匐根的前端會形成一個全新的頭部,隨後,眼睛、觸鬚等感覺器官以及用來幫助它泳動的附肢不久就會出現。更令人驚異的是,在匍匐根脫離本體成為「可拆卸屁股」之前,它還會形成神經和「大腦」,擁有獨立的感官,能夠自主控制行為。



游離的雌性(b,e)和雄性(c,f)匍匐根,它們擁有眼睛、觸鬚和用於游泳的附肢,並且擁有簡單的大腦 來源:論文

日本綠裂蟲並非雌雄同體,因此它的匍匐根體腔內要麼塞滿了卵母細胞,要麼生長着許多對睾丸。在脫離原始身體後,匍匐根會立刻開始自由泳動,尋找可以讓它們排出配子的異性。而停留在原地的本體也會繼續發育,長出新的「屁股」。



日本綠裂蟲的頭部組織結構。a 圖為原始本體的頭部,b 圖為充滿了卵母細胞(oo)的雌性匍匐根,c 圖為長有多對睾丸(t)的雄性匍匐根 來源:論文

為了了解匍匐根的頭部發育過程,三浦和他的團隊研究了性成熟裂蟲的發育基因表達模式。眾所周知,動物的頭部區域是由一組特定的頭部形成基因決定的。三浦及其研究小組發現,這些基因在裂蟲匍匐根的頭部區域表達量更高。通常來說,頭部形成基因在動物身體中段的表達量並不大。但是對於裂蟲來說,在它們性腺發育的過程中,這組頭部形成基因開始在原始身體的尾端部位高度表達。三浦認為,這說明正常的發育過程能夠被修改,以適應裂蟲這種擁有獨特生殖方式動物的生活史。



日本綠裂蟲匍匐根的發育過程以及對應的基因表達模式。來源:論文

和蚯蚓、水蛭等環節動物一樣,裂蟲在胚胎發育的過程中,軀體會沿着頭尾軸界分割成若干單元,這種分節過程由 Hox 基因決定。三浦指出,在日本綠裂蟲發育過程中,Hox 基因在頭尾軸上的表達方式較為特別——在匍匐根形成過程中,決定軀體部位的 Hox 基因表達模式恆定,導致這種環節動物除的「可拆卸屁股」除去頭部之外的軀體由許多重複均勻的身體節段組成。它缺乏分化的消化道,只有一個沒有出口入口之別的簡單腔道。

救命!長了 1000 個屁股怎麼辦

實際上,「可拆卸屁股」是裂蟲科動物的基本操作,但是日本綠裂蟲沒辦法同時長 1000 多個屁股——只有它的近親多尾分支裂蟲(Ramisyllis multicaudata)能做到。

顧名思義,多尾分支裂蟲擁有一個反覆分叉的身體。2021 年的一項研究對這種在澳大利亞海岸發現的裂蟲進行了詳細的解剖。研究人員發現,這種裂蟲狀如迷宮,分叉成百上千,腸道隨着分支四通八達,裏面卻空空如也,連食物殘渣都找不到。只有它的後腸覆蓋着纖毛和微絨毛——這些細微的指狀突起可以最大化擴展營養吸收面積(人體腸道也覆蓋着類似天鵝絨襯裏的絨毛和微絨毛)。



a.多尾分支裂蟲的一支  b-c.寄生在海綿中的多尾分支裂蟲 來源:論文

但是這仍然不能回答這種生物如何「進食」的問題。研究者認為,多尾分支裂蟲的分支結構與真菌的管狀分支結構非常類似。後者依靠侵入食物內部,通過分泌消化酶來消化吸收營養,因此身體表面積越大,吸收效率就越高。科學家據此推測,多尾分支裂蟲迷宮一樣的身體可能也是這種策略的演化結果——他們在它的體表發現了用途不明的長微絨毛,這可能是它用身體外側來執行消化功能的證據。



長出眼睛等結構的匍匐根。圖片來源:G.; Fauchald, K. (Ed.) (2021). World Polychaeta Database. Ramisyllis multicaudata Glasby, Schroeder & Aguado, 2012. Accessed through: World Register of Marine Species

當然,多尾分支裂蟲也是通過分裂出匍匐根的方式來繁殖的。1000 多個屁股每個都能發育出眼睛和簡單的大腦,以及塞滿配子的體節——這看上去比日本綠裂蟲不分叉的模式要高效很多。或許,這種領先於同類的速度也是讓多尾分支裂蟲長成「迷宮」的原因。



多尾分支裂蟲匍匐根的組織結構熒光染色 來源:論文



顯而易見的是,我們對裂蟲這類神奇生物的了解仍然十分有限。那些獲得自由的「屁股」們是一個只負責繁殖的臨時小艇,還是會成長為新的「航空母艦」?它們謎一樣的形體構型以及內部結構如何幫助自己在大海中維持生存?對於日本綠裂蟲,三浦和他的團隊希望繼續探索它的性別分化以及生殖周期的內分泌調控機制,或許下一次它出現在論文裏時,我們對裂蟲的 「可拆卸屁股」會有更透徹的感悟。

論文信息:
Nakamura, M., Oguchi, K., Sato, D.S. et al. Morphological, histological and gene-expression analyses on stolonization in the Japanese Green Syllid, Megasyllis nipponica (Annelida, Syllidae). Sci Rep 13, 19419 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-46358-8

Ponz-Segrelles, G, Glasby, CJ, Helm, C, et al. Integrative anatomical study of the branched annelid Ramisyllis multicaudata (Annelida, Syllidae). Journal of Morphology. 2021; 282: 900–916. https://doi.org/10.1002/jmor.21356

責任編輯: 李冬琪  來源:科研圈 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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