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[原创]新发现首次揭开巨型海怪的秘密

原理  · 公众号  · 科学  · 2020-01-17 20:47

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2019年夏天,新奥尔良以南160千米的墨西哥湾,一望无际的海面下还潜藏着一个更神秘的世界。在海平面以下数百米的深海里,压强巨大,普通人完全无法承受。阳光几乎无法到达这里,这里是一个被光明遗忘的黑暗世界,也是一个我们几乎一无所知的世界。


在这里,科学家投放的深海摄影机带着一个小灯环,发出一种特殊的微弱光芒。这种光模仿了水母的“求救”信号,在动物被捕食者抓住时,它们会发出这种信号,吸引其他捕食者到来,希望借此能在捕食者之间的竞争中趁乱逃脱。


突然,几条巨大的腕出现在镜头中,开始攻击“假水母”。这只庞然大物给人一种恐怖的震慑力。科学家很快辨认出来,这是一种我们还不了解的海怪,也是地球上最迷人、最神秘的生物之一——巨乌贼(giant squid,拉丁学名Architeuthis dux。它们拥有无脊椎动物中最大的大脑,行为复杂而敏捷,还拥有伪装等不可思议的技能。这种性情善变的深海怪物很久以前就出现在各种神话传说和文学作品里,但这么多年来,这才是我们记录下的这种活体巨乌贼的第二段影像记录。


○ 巨乌贼水下影像片段。| 视频来源Edie Widder & Nathan Robinson


但现在,我们对这种生物的认知又进了一大步。2020年1月,最新的研究完成了巨乌贼的全基因组测序。基因组是回答关于这种诡异动物的许多生物学问题的第一步。尽管基因组有助于解释它的许多特征,包括它庞大的身体尺寸和巨大的大脑,这种神话般的海怪身上仍然有许多问题等待我们发掘。


○ 巨乌贼一直是文学作品的恐怖主角之一。这张图是凡尔纳的小说《海底两万里》中的插图,一只巨乌贼抓住了一位无助的水手。图片来源Alphonse de Neuville


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迄今为止,几乎没有一只巨乌贼被活捉,所以它们的许多生物特性仍然是个谜。仅有的一些被研究过的标本,都是被冲上岸或被渔民意外拖上来的尸体。而野外的目击证据几乎也仅限于水下摄像机拍摄到的惊悚而充满戏剧性的一瞥。这意味着我们对它们的了解非常有限,我们甚至还无法确认它们究竟是如何繁殖的。


了解这种巨乌贼基因组,是帮助科学家了解头足类的特殊之处的重要节点。“它还可以帮助科学家理解新的基因是如何在进化和发展中产生的。”参与测序研究的科学家Caroline Albertin介绍道。她在2015年还曾领导一个团队,对头足类动物进行了首次基因组测序。


在巨乌贼的基因组中,研究人员总共确认了约27亿个DNA碱基对,大约是人类基因组数量的90%。它们的基因组大小没有什么特别的,要知道美西钝口螈的基因组大小是人类基因组的10倍。但测序完成仅仅是第一阶段,要完全理解巨乌贼复杂的基因图谱还需要一段时间。在与其他四种已测序的头足类物种和人类基因组进行比较后,一些初步的结果已经有助于揭示巨乌贼的一些显著的特征。


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研究人员在基因组中,发现了一组头足类特有的基因家族——反光蛋白(reflectin)基因。反光蛋白是一类目前只在头足类动物中发现的蛋白质,它非常独特,几乎没有其他相似的同源蛋白。这类蛋白质的氨基酸组成也非同寻常,它们没有其他蛋白质中常见的几种氨基酸,但却包含了许多更为少见的氨基酸。反光蛋白具有非常高的折光率,参与了头足类皮肤和眼睛中的虹彩的形成,与这些动物的伪装有关。目前,只有少数头足类动物已经被测序,而新得到的巨乌贼基因组将有助于科学家了解这一蛋白质家族的更多生物学特性。


除了反光蛋白,科学家还发现了与生长发育相关的基因,即Hox基因Wnt基因。这种动物通常体长9到13米,这些基因或许在这种动物的巨型化中起到了作用。但这些基因在巨乌贼的基因组里只有一份拷贝,这意味着,它们庞大的体型似乎并不是全基因组复制(WGD)的结果。


全基因组复制发生在不同种类的许多生物中,它是一种能在大型脊椎动物身上看到的进化生长策略。全基因组复制通过向生物提供多个拷贝,从而产生更多优选基因的可能,为生物带来进化上的优势。有些植物以全基因组复制而闻名,比如大米草Spartina anglica。总的说来,这种策略在进化中非常重要。但到目前为止,科学家还没有发现任何头足类动物(包括巨乌贼)的全基因组复制的证据。


巨乌贼怎么会长这么大,仍然是一个没有答案的问题

○ 巨乌贼与人类对比图。图片来源PeerJ


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巨乌贼的大脑也很巨大,我们暂时还只能假设它们的大脑和其他头足类一样复杂。事实上,研究人员发现了100多个原钙粘蛋白(protocadherin)家族的基因。这些基因在无脊椎动物中并不常见。


“很长一段时间以来,我们认为只有脊椎动物才有大量的原钙粘蛋白基因,它们被认为是脊椎动物的一种创新。所以当我们在章鱼基因组中发现超过160个原钙粘蛋白的基因时,我们真的感到很惊讶,”Albertin在谈到她在2015年进行的研究时说。


在新的研究中,科学家在巨乌贼中也发现了许多原钙粘蛋白基因。原钙粘蛋白被认为是正确连接复杂大脑的重要因素。科学家尚不清楚这些基因的具体作用,但这可能是一个与复杂的大脑有关的线索。


Albertin说,在巨乌贼身上发现的大多数基因都与其他动物的基因一样,比如章鱼、蜗牛、蠕虫、苍蝇和人类。巨乌贼的基因组现在将成为科学家在与其他头足类和动物进行比较时的重要参考,也将成为研究它们独特特征的重要依据。


虽然头足类有许多复杂而精细的特征,但它们一直被认为是独立于脊椎动物进化而来的。通过比较这些动物的基因组,或许我们可以了解头足类和脊椎动物的异同。


对巨乌贼的探索仍在继续,值得庆幸的是,现在科学家拥有了一种强大的新资源,可以指引他们走向问题的答案。


参考来源:
https://gizmodo.com/how-scientists-filmed-a-giant-squid-in-north-american-w-1835806926
https://gizmodo.com/newly-sequenced-giant-squid-genome-raises-as-many-quest-1841026840
https://www.mbl.edu/blog/the-mysterious-legendary-giant-squids-genome-is-revealed/


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