作者:李晨阳 来源:中国科学报 发布时间:2020/7/12 14:59:02
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在哪生娃?摸一摸,尝一尝
科学家揭示果蝇产卵地选择行为机制

 

妈妈总想给孩子最好的,果蝇也不例外。

自然界里,雌性果蝇喜欢挑选软烂的水果产卵,让孩子们一出世就能“泡在蜜罐”里。同时,水果较软的表面质地也方便它们把产卵器插进去。早期研究证明水果芳香的化学味道可以激发果蝇的产卵行为,那么柔软的质感是不是也可以呢?

近日发表在《当代生物学》上的一项研究,揭示了果蝇通过机械力感受机制选择“产房”的秘密。

喜软怕硬,凭什么?

“一直以来,研究动物嗅觉和味觉的工作很多,而研究触觉的则比较少。”论文第一作者及通讯作者、清华大学生命学院博士后张立伟告诉《中国科学报》。

果蝇的产卵行为同时受到化学信号和机械信号影响,在自然界,这两个变量难以分开,只有在实验室里才能探究分明。

研究人员把圆形培养皿分为4个扇形格子,把对角线上的两个格子为一组。在两组格子中,分别加入不同浓度的琼脂糖凝胶,较软的部分质地相当于烂香蕉,较硬的部分则相当于一般成熟果实。结果几乎所有果蝇都选择了更软的那一组产卵。

“我们特地遴选了从0.25%到0.5%的琼脂糖浓度进行试验,基本上模拟了水果逐渐成熟的状态。即便硬度的差异并不很大,果蝇还是会准确地选择它们最喜欢的‘烂香蕉’感,说明它们的机械感受系统非常敏锐。”张伟说。

当一只雌性果蝇站在一个有可能作为产卵场的地方时,她有很多器官可以感受到机械应力:腿足、唇瓣和产卵器。那么,究竟是什么起到了作用?

先摸后尝,为什么?

经过观察,科学家发现,果蝇会先用足试探,发现硬度不合适就立刻飞走。如果满意,就再用唇瓣确认一下。

更精妙的是,腿足和唇瓣这两个触觉器官,它们辨别的硬度范围是不一样的:腿足主要粗略判断较大的硬度差,而唇瓣则能分辨更精微的区别,比如0.25%到0.3%琼脂糖浓度下的软硬差异。

“这就解释了雌果蝇‘先摸后尝’的行为机制,还是挺神奇的。”张立伟笑道。

科学家需要搞清楚的,是这些器官上的哪些结构、分子、离子通道在起作用,又产生了怎样的信号转导。

研究发现,果蝇的唇瓣做出这么精准的判断,只需要两个细胞。这两个细胞上至少可以表达两种已经报道过的机械敏感离子通道蛋白:Inactive和Nanchung。这项研究第一次证明这两种蛋白可以同时存在于果蝇嘴上的两个神经细胞内。

而在果蝇的腿足上,也标记了许多机械感受神经元,能够分别感知不同的硬度。也就是说,即便是同一条腿,在接触不同硬度时,也会激活不同的细胞,随之在神经系统激活不同的响应通路。

而在这些细胞中敲降相关的机械敏感蛋白表达量,可以让果蝇对这些硬度的判断力明显下降。

“同时研究结果也暗示,可能还有我们不知道的信号通路存在。为弄清这个问题,接下来我们的团队成员会继续跟进这个项目。”张立伟说。

研究触觉,做什么?

“这项工作使我们加深了对于动物感知和编码外界机械力刺激神经基础的理解,为阐明中枢神经系统处理外周机械信号的神经环路机制奠定基础。”本文通讯作者、清华大学生命学院研究员张伟告诉《中国科学报》。

那么,对机械力感知神经机制的研究,能解答哪些重要问题呢?

张立伟表示,对机械力感受的研究有很重要的仿生学意义。在人工智能时代,机械臂将承担越来越多的工作,随着对触觉等精妙感受的认识深入,有可能研发出反应更加敏锐、动作更加精细的机械臂。

此外,很多慢性疼痛患者,他们的痛苦一部分来自于外周机械信号的过度发放,这一领域的研究有助于找到更多应对疼痛的方法。

“与嗅觉、味觉等化学感受相比,触觉感受的作用机制可能更加复杂。”张立伟说,“哪怕对一个硬度的判断,也需要平行的多条信号通路同时接收信息,最终由大脑统筹整合。大脑如何处理这些复杂来源的信息,是一个非常重要的问题,也是我们下一步要研究的方向。”

相关论文信息:https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(20)30763-6

 
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