?把藻類注射到蝌蚪體內(nèi)，靠光合作用為大腦供氧｜iScience

科研圈

2021年10月27日18:01科研圈官方賬號

來源 細(xì)胞出版社

青蛙在水里和陸地上過著“雙城”生活，它們一生中會使用很多呼吸技巧——借助鰓、肺和皮膚。

現(xiàn)在，德國科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出另一種方法，通過將藻類引入蝌蚪的血液為其提供氧氣，從而幫助蝌蚪“呼吸”。10 月 13 日，發(fā)表在細(xì)胞出版社（Cell Press）旗下期刊《交叉科學(xué)》（iScience）上的這種方法，能提供足夠氧氣有效地拯救缺氧蝌蚪大腦中的神經(jīng)元。

論文通訊作者、慕尼黑大學(xué)的 Hans Straka 說：“藻類實際上產(chǎn)生了大量氧氣，可以讓神經(jīng)細(xì)胞恢復(fù)生命。對許多人來說，這聽起來像科幻小說，但這只是生物學(xué)方案和生物學(xué)原則正確結(jié)合的結(jié)果?！?/p>

Straka 當(dāng)時正在研究非洲爪蛙蝌蚪大腦的氧氣消耗情況，一次與植物學(xué)家的午餐談話激發(fā)了他將植物生理學(xué)與神經(jīng)科學(xué)結(jié)合起來的想法：利用光合作用的力量為神經(jīng)細(xì)胞提供氧氣。

這個想法似乎并不牽強(qiáng)。在自然界中，海藻和諧地生活在海綿、珊瑚和?？?，為它們提供氧氣甚至營養(yǎng)物。為什么像青蛙這樣的脊椎動物沒有這種“幫手”呢?

為了探索相關(guān)可能性，研究小組將綠藻（衣藻屬）或藍(lán)藻細(xì)菌（聚囊藻）注入蝌蚪的心臟。隨著心跳，藻類緩慢地穿過血管，最終到達(dá)大腦，將半透明的蝌蚪變成了明亮的綠色。照射在這些蝌蚪身上的光線促使這兩種藻類向附近的細(xì)胞泵出氧氣。

在使藻類分布到大腦后，研究人員將蝌蚪的頭部分離出來，放入一個含有必要營養(yǎng)物質(zhì)的“氧氣泡泡浴”中，這些營養(yǎng)物質(zhì)能保存細(xì)胞功能，從而使研究小組監(jiān)測頭部神經(jīng)活動和氧氣水平。

當(dāng)研究人員消耗掉“泡泡浴”中的氧氣時，蝌蚪頭部的神經(jīng)停止活動并陷入沉寂。然而，用光照射該頭部后，在 15 到 20 分鐘內(nèi)，神經(jīng)活動重新啟動，這比在沒有海藻的情況下補(bǔ)充氧氣要快兩倍?；謴?fù)的神經(jīng)也表現(xiàn)得和缺氧前一樣好，甚至更好，這表明研究人員的方法是快速和有效的。

“我們成功地證明了這種方法十分可靠和強(qiáng)大?！盨traka 說，“當(dāng)然，這并不意味著你最終可以應(yīng)用它，但這是啟動其他研究的第一步。”

雖然研究人員認(rèn)為，該發(fā)現(xiàn)可能會在某一天為中風(fēng)或缺氧環(huán)境（如水下和高海拔）引發(fā)的疾病帶來新療法，但藻類還遠(yuǎn)沒有準(zhǔn)備好進(jìn)入人體血液循環(huán)。研究小組計劃觀察注入的藻類能否在蝌蚪體內(nèi)存活，并在不引起宿主有害免疫反應(yīng)的情況下繼續(xù)生產(chǎn)氧氣。

Straka 還表示，該研究將對其他研究分離組織或類器官的實驗室有幫助。引入產(chǎn)氧藻類可以讓這些組織茁壯成長，并提高它們的存活率，潛在地減少對活體動物的需求。

“你必須有新想法去探索，這也是推動科學(xué)發(fā)展的方式之一?！盨traka 說，“如果你思想開放、思考仔細(xì)，突然之間，你就能從一個想法中看到所有的可能性?！?/p>

論文信息

【標(biāo)題】Green oxygen power plants in the brain rescue neuronal activity

【作者】Suzan ?zugur, Myra N. Chávez, Rosario Sanchez-Gonzalez, Lars Kunz, J?rg Nickelsen, Hans Straka

【期刊】iScience

【時間】October 13, 2021

【DOI】https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.103158

【鏈接】https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(21)01126-3

【摘要】Neuronal activity in the brain depends on mostly aerobic generation of energy equivalents and thus on a constant O2supply. Oxygenation of the vertebrate brain has been optimized during evolution by species-specific uptake and transport of O2that originally derives from the phototrophic activity of prokaryotic and eukaryotic organisms in the environment. Here, we employed a concept that exploits transcardial injection and vascular distribution of unicellular green algae or cyanobacteria in the brain of Xenopus laevis tadpoles. Using oxygen measurements in the brain ventricle, we found that these microorganisms robustly produce sizable amounts of O2upon illumination. In a severe hypoxic environment, when neuronal activity has completely ceased, the photosynthetic O2reliably provoked a restart and rescue of neuronal activity. In the future, phototrophic microorganisms might provide a novel means to directly increase oxygen levels in the brain in a controlled manner under particular eco-physiological conditions or following pathological impairments.

蝌蚪變成青蛙，除了去尾長腿，還要……

發(fā)布時間：2020-09-27

出品：科普中國
制作：李成 （中國科學(xué)院成都生物研究所）
監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

　　“變態(tài)（abnormal）”這個詞已經(jīng)被我們用濫了，它用來指代一切看起來不正常、不合理的事物和行為，用來罵人似乎更入木三分。然而，您了解科學(xué)意義上的“變態(tài)（metamorphosis）”嗎？想要了解科學(xué)意義上的變態(tài)，我們還要從動畫片《小蝌蚪找媽媽》說起。

變態(tài)=改變形態(tài)

　　小蝌蚪游啊游，見到動物就喊媽。很奇怪，小蝌蚪為什么不認(rèn)識自己的媽媽呢？因為小蝌蚪和它們的媽媽（青蛙）長相太不一樣了（圖1），科學(xué)家將這種在成長過程中，娃娃和媽媽形態(tài)差別很大的現(xiàn)象稱為“變態(tài)”，意思是變了個形態(tài)。

　　圖1 飾紋姬蛙的蝌蚪（左，王守紅攝）和成體（右，李成攝）

　　很多動物在發(fā)育過程中都有變態(tài)過程，但該現(xiàn)象主要存在于昆蟲和兩棲動物中。胖胖的蛹變成美麗的蝴蝶，水里的蝌蚪變成陸上的青蛙，都是典型的變態(tài)過程。我們主要說說兩棲動物的變態(tài)。

　　兩棲動物分為3個目，在我國都有分布（圖2）。無足目主要分布在熱帶地區(qū)，我國只有1種；有尾目主要分布在溫帶地區(qū)，我國有79種；無尾目則分布在除南極洲之外的所有大陸，我國有395種。從物種數(shù)量和分布地域上看，無尾目無疑是兩棲綱動物中從水到陸進(jìn)化最成功的類群。

　　圖2?無足目（左：版納魚螈，姚錦仙攝）、有尾目（中：文縣瑤螈，李成攝）、無尾目（右：經(jīng)甫樹蛙，李成攝）

　　無足目和有尾目動物在變態(tài)過程中，形態(tài)變化很??；而無尾目動物在變態(tài)過程中，形態(tài)則會發(fā)生明顯改變。絕大多數(shù)無尾目動物的生活史分為3個不同的階段：卵、蝌蚪和成體（圖3）。無羊膜卵孵化成蝌蚪，類魚的蝌蚪通過變態(tài)成為青蛙，從水生生活方式轉(zhuǎn)變?yōu)殛懮罘绞剑瑥乃菔硠游镛D(zhuǎn)變成陸生食肉動物，獲得了陸上生活的能力，拓展了分布范圍，增強(qiáng)了對各種環(huán)境的適應(yīng)能力。所以，變態(tài)對于無尾目動物來說，具有十分重要的意義。

　　?圖3 無尾目動物的三階段生活史示意圖 （圖片來源：作者自制）

蝌蚪如何變成青蛙

　　那么蝌蚪是如何獲得從水到陸的能力的呢？在蝌蚪變態(tài)為青蛙的過程中，它們的口和腸、眼、肺、心和足都發(fā)生了哪些變化呢？

　　刮食變吞食，吃草變吃肉：蝌蚪也有牙齒嗎？有，蝌蚪的牙齒叫唇齒，在光學(xué)顯微鏡下面看，就像一根根的針，放在電子顯微鏡下面看，像一排匕首。唇齒似乎太細(xì)了，咬軟的食物沒問題，碰到硬的食物怎么辦？蝌蚪有辦法，它準(zhǔn)備了角質(zhì)頜，就像尖頭的錘子，可以敲擊堅硬的食物。雖然在電鏡下看起來很大，實際上，蝌蚪的唇齒和角質(zhì)頜都是十分微小的，蝌蚪主要以植物性食物為主（圖4）。

　　圖4?蝌蚪的口、角質(zhì)頜及唇齒（李成攝）

　　我們知道像牛、羊等食草動物都有很長的舌頭、特殊的胃和很長的腸子，蝌蚪也是這樣嗎？實際上，蝌蚪的舌還沒有完全發(fā)育，僅有一個舌原基（圖5）；也沒有胃，在胃的位置有一個口凹（stomadeum）；起消化功能的是螺旋形的腸子（圖6）。

　　圖5?舌原基（李成攝）

　　圖6?蝌蚪的腸子（李成攝）

　　變態(tài)發(fā)生后，蝌蚪的唇齒和角質(zhì)頜都消失了；下顎拉長，口腔擴(kuò)大；舌肌發(fā)達(dá)，舌成為主要的捕食工具；胃發(fā)育，大到甚至可以容納整只蝗蟲；螺旋狀的腸變粗短，由植物性食物為主演變?yōu)閯游镄允澄餅橹鳌?/p>

　　視野定向變?yōu)槿颍?/strong>蝌蚪生活在水中，眼睛不突出，幾乎與體表平行；沒有眼瞼，不會眨眼；因為在水內(nèi)沒有眼睛干澀的問題，所以瞬膜和淚腺等濕潤眼球的結(jié)構(gòu)也不發(fā)育。變態(tài)后，眼睛凸出，上下眼瞼、瞬膜及淚腺發(fā)育（圖7）；這些結(jié)構(gòu)可以保護(hù)眼球避免干燥，是陸地生活必須的。而且，大大的眼睛擴(kuò)展了青蛙的捕食范圍，捕獲獵物的精準(zhǔn)度也高。

　　

　　圖7?蝌蚪的眼（左，斑腿樹蛙，李成攝）和青蛙的眼（右，黑斑側(cè)褶蛙，李成攝）

　　呼吸水中氧氣變?yōu)楹粑諝猓?/strong>人是用肺呼吸的，肺不能從水中吸收氧氣，所以人是容易溺水的。蝌蚪也在水中，怎么解決這個難題呢？剛孵出的蝌蚪有明顯的外鰓（圖8），過幾天，外鰓消失，內(nèi)鰓發(fā)育，水流經(jīng)過內(nèi)鰓交換氧氣，通過體側(cè)的出水孔排出（圖9）。蝌蚪通過鰓完成在水中的呼吸任務(wù)。變態(tài)后，肺發(fā)育完成，就能夠交換空氣中的氧氣。

　　

　　圖8?外鰓（峨眉樹蛙，李成攝）

　　

　　圖9?出水孔（峨眉齒蟾，李成攝）

　　可是，青蛙受驚后，跳入水中，為什么還能蟄伏好久呢？它們的肺能交換水中的氧氣嗎？當(dāng)然不能。青蛙的肺構(gòu)造比較原始，還不能負(fù)擔(dān)全部的呼吸作用，還必須依賴于皮膚呼吸，皮膚下面的毛細(xì)血管豐富，是輔助呼吸器官；青蛙潛入水中，就是依靠皮膚呼吸交換水中的氧氣，可以在水下待幾分鐘到十分鐘不等，時間一長，還要浮上水面，依靠肺呼吸。也就是說，青蛙有2套呼吸系統(tǒng)，肺呼吸和皮膚呼吸，以肺呼吸為主，一般情況下，皮膚呼吸能承擔(dān)10%的需氧量；而在冬眠狀態(tài)下，皮膚呼吸可以承擔(dān)90%的需氧量。

　　為了支持肺呼吸，蝌蚪的心臟還由一心房一心室的單循環(huán)，通過變態(tài)，轉(zhuǎn)變成青蛙的二心房一心室，血液循環(huán)成為不完全的雙循環(huán)，以支持肺呼吸。

　　從游泳變?yōu)樽呗罚?/strong>蝌蚪不僅樣子像魚，運動也像魚，肌肉發(fā)達(dá)的尾巴提供推力，上下或左右擺動，推動蝌蚪前進(jìn)。蝌蚪變態(tài)時，由于牙都掉光了，不能吃任何食物了，這時候，蝌蚪就會分泌酶消化尾巴，以提供蝌蚪變態(tài)所需的能量。變態(tài)完成后，蝌蚪的長尾巴就沒有了，尾桿骨發(fā)育，同時形成五趾型四肢。青蛙在慢速運動時，3肢用力，呈側(cè)體起伏的波浪狀前行（圖10）；在快速運動時，以較長的跗骨跳躍前進(jìn)（圖11）。

　　

　　圖10?爬行（峨眉樹蛙，李成攝）

　　

　　圖11?游泳或跳躍（高原林蛙，李成攝）

　　總體來說，蝌蚪變態(tài)過程中的形態(tài)變化，適應(yīng)了成體登陸后的需求，顯示了從水到陸的進(jìn)化趨勢。當(dāng)然，蝌蚪變態(tài)還會經(jīng)歷表皮細(xì)胞層數(shù)增加，皮膚色素沉著，原腎消失，中腎發(fā)育，骨化增強(qiáng)，顱骨重塑，側(cè)線系統(tǒng)的喪失等等過程，這些變化都是為青蛙適應(yīng)陸地生活而服務(wù)的。從蝌蚪的變態(tài)發(fā)育中我們可以感受到，生物登陸是一項多么龐大的工程，讓我們對生命又平添了一層敬畏。

主要參考文獻(xiàn)：

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4.?江建平，謝鋒，李成，王斌. 2020?中國生物物種名錄，第二卷，動物.?脊椎動物.?，兩棲綱。北京：科學(xué)出版社，1-129。

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