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第二种智力:编辑RNA与软智力
第二种智力:编辑RNA与软智力
来源:ScientificAmerican | 10/9/2018 5:52:07 AM | 浏览:173 | 评论:0

在动物世界里,章鱼显得独树一帜。它们虽然只是软体动物,却有着超乎想象的智力水平。更为神秘的是,没有人知道它们的智力从何而来。甚至有科学家猜想,它们可能起源于地球之外……通过基因层面的研究,科学家找到了章鱼大脑复杂性的三条线索……

2008年,德国科堡市海洋之星水族馆里的工作人员遇到了一件怪事。接连两个早晨,他们上班时都发现水族馆异常安静,整个水族馆的电力系统都短路了。他们重启系统后,第二天早上迎接他们的都是同样的寂静。因此,在第三天,几个员工决定在水族馆守夜,轮流在地板上休息。

果然,罪魁祸首出现了。一只六个月大的章鱼奥托(Otto)爬出水族缸,将出水孔对准了头顶的灯。或许是灯光使它感到恼怒,或者只是出于无聊。正如主管ElfriedeKummer所言:“奥托一直渴望得到关注,它总是会有新的惊人之举。有一次,我们看到它在水缸里戏弄一只寄居蟹。”

关于章鱼恶作剧的趣闻轶事比比皆是。据报道,已经有章鱼能够走出迷宫,拧开药瓶,甚至分辨不同的人类。解决问题、使用工具、做计划……这些都是复杂灵活的智力的标志,我们通常将这些特征与脊椎动物,尤其是哺乳动物相联系。

但这些又湿又软的章鱼,是如何拥有智力的?

智力的第二种起源?

一些学者研究章鱼及其聪明的近亲——墨鱼和鱿鱼,他们提出了“智力的第二种起源”,而这是一种与哺乳动物大相径庭的奇特构造。

章鱼有一个很大的中央大脑,它的每一条触手也都有一个独特的小型“大脑”网络。它们需要协调复杂到令人难以置信的八只触手和数百个灵敏的吸盘,更不必说伪装在珊瑚礁背景中的能力了。通过改变像素色块和纹理,以及腕足的扭曲,这些身体艺术家可以瞬间融入背景,只在威胁对手或吸引配偶时再次出现。

第二种智力:编辑RNA与软智力

章鱼触手上密布的吸盘(来源:pixabay)

“它们的行为就像聪明的动物一样,即使他们是牡蛎的近亲,”芝加哥大学的神经学家Clifton Ragsdale说,“我想知道的是,它们是如何以区别于脊椎动物的方式组织较大体积的大脑的。”

那么,进化是如何产生这种第二种智力,也就是电影制片人Jacques Cousteau在上世纪70年代所称的“软智力”的?

过去的几年中,越来越多的学者都被这些神秘的生物吸引。自2015年以来,研究人员们已经获得了章鱼的DNA蓝图、基因组信息以供仔细研究。这些资料提供了一些引人注目的线索。

编辑RNA

事实证明,章鱼有大量与脑部形成相关的基因,这些基因先前仅在脊椎动物中发现。但是章鱼智慧的秘密武器可能不是我们已知的基因。

复杂的大脑需要一种方法来储存复杂的信息。令人吃惊的是,在遗传密码快速而自由的组合中,章鱼可能已经拥有了这种复杂性。

在构建生命体的过程中,DNA的解码过程通常有极度的保真度,也就是我们所知的“中心法则”。全部的DNA序列中,只有一小部分会被复制,得到的副本被称为信使RNA(mRNA)。然后,mRNA能够精确指导一种特定蛋白质的合成。

但是,一些惊人的例子并没有遵循中心法则。章鱼能够修改它们的mRNA。这种调整被称为“RNA编辑”。在人类中,只有少量的大脑蛋白质的mRNA会被编辑,而在章鱼的大脑中,大部分mRNA都会被编辑。

“这个过程让章鱼大脑的复杂程度超出了我们的想象。或许这种复杂性与它们的记忆有关。”特拉维夫大学的计算生物学家Eli Eisenberg这样说。尽管他很快补充道:“我必须强调,这只是个推测。”

毫无疑问,将章鱼的智力和RNA编辑相互联系属于边缘科学,但是好消息是,这是一个可检验的假说。借助最先进的工具,如基因编辑技术CRISPR、新型脑电波记录仪和严谨的行为学测试,研究人员正在检测RNA编辑是否确实是章鱼智力的关键。

章鱼如何变得这么聪明?

大约在4亿年前,头足类生物统治着海洋。这些动物因头与足直接相连而得名,它们体型巨大,甚至能够生长到6米。它们以虾和海星为食,用螺旋型的贝壳在海洋中漂浮并保护自己。

后来,鱼类的时代到来了。头足类不再位于海洋生物链的顶端。大多数有螺旋型贝壳的物种都灭绝了,现代鹦鹉螺则作为少数的例外存活至今。

但是,一些头足类生物摆脱了壳。因此,它们可以不受妨碍地探索与更聪明、灵活的鱼类竞争的方法。这些生物进化成为章鱼、鱿鱼和墨鱼——也就是我们所知的蛸亚纲。

这些生物进化中的创新令人目眩。它们的足分开,形成了八条高度灵巧的腕足,每条腕足上都有数百个吸盘,这使得它们的腕足就像拇指一样灵活。为了说明这种灵敏,Mather讲述了一位同事的故事,他发现他的章鱼在手术后自己把缝线拆掉了。

但对于捕食者来说,章鱼柔软的肢体是一顿美味的大餐。所以章鱼进化出了“能够思考的皮肤”,能够在0.2秒内融入背景。这些快速变色的艺术家不仅用皮肤内的色素改变自己的颜色,还能够用光滑的皮肤纹理和身体与腕足的弯曲来完成它们的表演。当它们静静地摇摆自己的两条腕足时,或许可以伪装成一棵海草。

第二种智力:编辑RNA与软智力

擅长伪装的章鱼(来源:pixabay)

“这不是由简单的反射能够协调的,”在伍兹霍尔海洋研究所研究伪装行为的RogerHanlon说,“这是基于特定情境,在大脑多个层面进行的快速决策。”这种反应还依赖于形同相机的敏锐双眼。

章鱼需要强大的计算能力来控制腕足、吸盘、皮肤和双眼。因此,相对于章鱼的体型,它的大脑非常大。章鱼的大脑中有5亿个神经元,是大鼠大脑中神经元数量的2.5倍。

第二种智力:编辑RNA与软智力

不同动物神经元数量对比(单位为百万,从左至右依次为海蛞蝓、大鼠、章鱼与人类)

但它们大脑的解剖结构非常特殊。哺乳动物的大脑类似于一个中央处理器,能够通过脊髓发送或接收信号。但是对于章鱼来说,只有10%的大脑处于高度集中的折叠状态,这部分大脑分为30叶,以甜甜圈状围绕食管分布。两个视神经叶占30%,剩余的60%大脑则分布在腕足中。

以腕足为例。人们认为腕足有自己的“微型大脑”,这不仅仅是因为腕足中存在神经元,还因为腕足有独立的处理能力。举例来说,章鱼在逃离捕食者时可能会自断腕足,而离体后最多十分钟内,这条腕足还能够继续蠕动爬行。

直到2011年,冲绳理工学院的Michael Kuba及其同事通过实验证明,章鱼腕足的运动并非独立于中央大脑。更确切地说,似乎是大脑给出了高级命令,八条腕足中的一条则会自主执行任务。

然后是它们“会思考的”皮肤。仍然是大脑,主要是视神经叶,控制着皮肤颜色的变化。这项反应的证据来自Hanlon和JohnMessenger1988年在谢菲尔德大学进行的研究。他们证明,新孵化的失明墨鱼不能融入背景。

虽然它们依然能够改变身体颜色和形态,但似乎是以一种相对随机的方式进行。解剖学证据同样表明,大脑下部的神经直接与色素体周围的肌肉相连。

就像是在调色板上挥毫的艺术家一样,激活这里的肌肉可以将色素囊打开,将色素分散到色素体内组成薄的色盘。但是章鱼并不是在作画。Hanlon的墨鱼实验表明,这些生物有三个预存的模式,分别是统一、杂色和混乱:通过部署其中的一种模式,墨鱼能够伪装融入不同的背景。

不合作的受试者

20世纪90年代,Kuba加入了希伯来大学神经学家BenyaminHochner的实验室。Hochner毕业于EricKandel实验室,后者是诺贝尔生理学或医学奖得主、研究海蛞蝓如何学习的先驱。

所有的行为都发生在两个神经元的间隙,也就是突触中。显微镜下,突触可能看上去十分空旷,但这里实际上非常拥挤。这个针尖大小的微处理器中装配了上千种蛋白。如果每个神经元都是一根电线,那么这个微处理器就要决定信号能否从这根电线传入下一根。当海蛞蝓吸取了教训,例如学会在尾部被电击时缩回鳃,就是因为新的突触连接方式改变了突触。

然而,Kuba发现,章鱼远不如海蛞蝓顺从。因为章鱼触手上灵活的吸盘,他在章鱼大脑中插入的任何电子探针都会被快速拔出。Kuba希望有一种能安装在大脑表面的新型微型脑电波记录仪,这样这些吸盘就无法再拔除仪器,这也将开启章鱼大脑研究的新时代。

具有讽刺意味的是,脊椎动物大脑能够发送信号的观点来源于对鱿鱼的研究。1934年,英国神经科学家J.Z Young发现,鱿鱼的一个巨大的神经元控制着覆盖于其神经鞘上的肌肉的收缩,这些肌肉是眼球后方的球状肌肉囊,同时也覆盖在眼球上,并可以通过虹吸作用喷水。

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和哺乳动物的神经元一样,鱿鱼神经元最显著的特征就是线状轴突。但鱿鱼轴突的直径可达1毫米,是哺乳动物轴突直径的1000倍。如此巨大的尺寸能够允许研究人员插入金属电极,对神经冲动沿轴突传导时电压的变化进行测量。

所有这些基础知识都在脊椎动物中得以阐明,但是关于鱿鱼大脑信号传递的细节大部分还都不为人所知。

打破中心法则

开启“软智力”理解前沿的人,是另一位神经学家。

20世纪90年代初,斯坦福大学的JoshRosenthal在研究巨型鱿鱼运动轴突。但Rosenthal有新的目标。他没有测量轴突的电学性质,而是想要分离轴突的一个关键部件:“制动”开关。这是一种被称为钾离子通道的蛋白。

鱿鱼的神经元可以根据其DNA中所含信息合成这种蛋白,它们会被暂时储存在细胞核中。为了获得合成的配方,细胞会转录出mRNA。Rosenthal想要分离这些mRNA,并读取合成这个通道蛋白的碱基序列。

但他遇到了一个问题。每次他读取钾离子通道的碱基序列时,所得结果都有微妙的不同。这只是一个错误吗?如果是的话,这个错误出现的频率太高了。这些变化不是随机的,总是精确地发生在序列中的一个或多个位置。而且,不变的是,碱基对A总是会变成G。

Rosenthal不知道的是,海德堡大学的PeterSeeburg当时正在因为人类大脑中谷氨酸受体蛋白的碱基序列中类似的小故障而苦苦思考。1991年,当Seeburg的论文发表时,Rosenthal回忆道,“每个人都非常兴奋。”

在人类(或小鼠)中,编辑谷氨酸受体会改变钙离子进入大脑细胞的数量。在小鼠中,失败的编辑是致命的,因为此时流入的钙离子水平对小鼠有毒。也有证据表明,人类的神经退行性疾病(如肌萎缩性侧索硬化症)就与其编辑能力的缺失有关。

一种名为ADAR2的酶可以对RNA进行关键的编辑。而为什么进化没有提前一步,在DNA序列中“修正”谷氨酸受体的碱基序列仍然是个未解之谜。

至于鱿鱼体内的钾离子通道,Rosenthal有一种预感。一个电子信号通过神经元后,神经元需要重置以接收下一个电子信号。钾离子通道在其中起到了至关重要的作用。在低温中,重置可能需要更长时间,这会使动物变得迟钝。RNA编辑是一种动物用于应对温度变化的微调方式吗?为验证自己的想法,Rosenthal花费几年时间,收集了生活在热带、温带和极地气候的章鱼。结果如他所料,在生活在极地的章鱼体内,钾离子通道的编辑最活跃。

钾离子通道只是冰山一角。Rosenthal与特拉维夫大学的极客EliEisenberg合作,借助mRNA数据库确认了鱿鱼有多少基因进行过这样的编辑。在人类中,这种编辑是罕见的,仅限于少量大脑蛋白基因序列。而在鱿鱼中,大部分大脑蛋白基因的序列都会被编辑。其中的很多基因都与突触间隙中发现的蛋白有关。

此类mRNA编辑能力对软智力很重要吗?这是一个诱人的想法。“对蛸亚纲动物来说是这样的,但是对它们蠢笨的近亲鹦鹉螺来说,则并非如此。鹦鹉螺就像其他软体动物一样,并没有软智力。”Eisenberg说。

Rosenthal说:“蛸亚纲动物编辑的蛋白与我们所知的有关学习和记忆的蛋白相同。或许是因为编辑了这些蛋白,这些生物更加灵活和复杂,但这并不能证明这个假说。”

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DNA中的证据

在芝加哥,另一位章鱼神经学家Cliff Ragsdale也把他的注意力转向了章鱼的DNA。

2015年,通过与冲绳理工学院的DanielRokhsar和OlegSimakov合作,Ragsdale实验室成功地对加亚双斑章鱼进行了基因组测序。

结果表明,章鱼有3.3万个基因,多于人类的2.1万个。但是基因数量本身与大脑的能力并没有很大联系,因为水蚤也有大约3.1万个基因。事实上,章鱼的大多数基因与他们的近亲帽贝(一种海螺)并没有很大区别。不同基因中的一组被称为原钙粘蛋白。这组蛋白参与了大脑环路的构建,它们允许正确的神经元相互连接。帽贝和牡蛎有17至25种原钙粘蛋白,脊椎动物有70种原钙粘蛋白,以及至少一百种相关的钙粘蛋白。这些参与回路建造的蛋白一直被认为是脊椎动物聪明的关键。

令人震惊的是,章鱼的体内含有168种原钙粘蛋白。

章鱼基因组中另一个引人注目的地方在于一组名为“锌指”的基因。这组基因编码的蛋白中的一个链状结构由锌离子连接,形成一系列指状结构,这也是这些基因得名的原因。这些指状结构与DNA缠绕成的卷结合,以调节基因的转录。

帽贝有约413种锌指,人类有764种,而章鱼有1790种!或许章鱼体内丰富的锌指参与了调节大脑基因网络的工作?

迄今为止,人类已经揭示了章鱼大脑复杂性的三大线索:章鱼参与环路构建的原钙粘蛋白和参与网络调节的锌指基因数量倍增,此外,还通过RNA编辑在转录中增加更多的复杂性。

或许人们会在进一步研究中发现第四种机制。

现在,世界各地的团队都在进行类似的研究。经历了几十年对这个领域的又爱又怕后,软智力的神秘面纱可能很快就会被硬科学揭开。

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