千里挑一的「真男人」，為什麼要躺著走？

園藝 08-25

嗯，在了解今日主角之前

先蟲恐預警吧_(:з」∠)_

如果被問到地球上數量最龐大的生物類群是什麼，你大概會猜到是某些單細胞的微生物。

如果不考慮單細胞生物，個體數量最多的多細胞動物又是哪一類呢？是線蟲。雖然你可能說不出這個答案，不過這一類群可是出了一種屢獲諾獎的實驗動物——秀麗隱桿線蟲Caenorhabditis elegans。

嗯？線蟲是什麼？又怎麼秀麗了？怎麼還能斬獲諾獎呢？

顯微鏡下的秀麗隱桿線蟲。圖片：kdfj / wikimedia

它們無處不在

秀麗隱桿線蟲屬於線蟲動物門，門內包含了超過兩萬五千種無脊椎動物。在適宜的環境里，每一平方米就有可能生活著數以千萬計的線蟲。按個體數量計算，地球上80%的動物都是線蟲——全世界的動物們排排站好，你和下一位「非線蟲」之間平均隔著四條線蟲。

一種根結線蟲正試圖鑽進番茄的根。圖片：William Wergin & Richard Sayre / Wikimedia

這類平時少有人注意的生物，是地球生物圈中分布最廣的類群，兩極、高山、沙漠、大洋海底，都能見到它們的身影。美國線蟲分類學先驅納丹·科布（Nathan Cobb）曾說，如果宇宙中除了線蟲之外的所有物質都瞬間消失，那麼虛空中漂浮的線蟲將會是一個地球表面的復刻——山川湖海，城鎮鄉村，甚至樹木和動物，恐怕都可以通過分布其中的特定種類的線蟲還原出輪廓。

然而線蟲不光是「地表最強」。2011年，科學家們在南非地下幾公里深的金礦表面，發現了以細菌為食的線蟲。另外，還有相當一部分線蟲是寄生性的，比如我們最熟悉的蛔蟲。

線蟲動物門的多樣性，其中a是一種蛔蟲，b是秀麗隱桿線蟲。圖片：Blumenthal & Davis /Nature Genetics（2004）

相比於體長可達30厘米的麵條蛔蟲，秀麗隱桿線蟲可謂體態嬌小，成熟個體不過1毫米長，頭尾尖尖，中間是一段可以自由彎曲的圓柱體。它的屬名Caenorhabditis中包含了「桿狀的」詞根（rhabditis），而種本名elegans是「秀麗、優雅」的意思。看看秀麗隱桿線蟲正弦波一般的運動方式，你大概就會明白這個全身透明沒有顏色的「小蟲子」是如何得到這個名字的了。另外與蛔蟲不同的是，秀麗隱桿線蟲是非寄生性線蟲。

秀麗隱桿線蟲「優雅」的前進方式。圖片：Bob Goldstein / wikimedia

線蟲就是躺呀躺著走

線蟲雖小，「五臟」俱全。作為發育上和人類一樣擁有三個胚層的動物，秀麗隱桿線蟲的外胚層發育成了多個細胞融合的「合胞體」，正是這層結構分泌的膠原蛋白組成了覆蓋全身的「皮」，它是能夠隨著蟲體生長而蛻落更新的「外骨骼」。這也是線蟲動物門的特徵之一，表明它們和同樣蛻皮的節肢動物門親緣關係相近。

箭頭所示為線蟲身體不同部位融合形成的「外骨骼」。圖片：wormatlas.com

皮層下方是中胚層形成的四條縱貫身體的肌肉帶，由一套相互連接的神經細胞控制。由於肌肉的收縮方式，動圖中看到的其實是背腹方向的「彎腰」，所以正常的秀麗隱桿線蟲總是在側躺著走路。

免疫熒光染色技術，勾勒出了秀麗隱桿線蟲的肌肉束。圖片：wormbook.org

肌肉內側則是一個充滿液體的假體腔，再往裡就是一條直來直去的消化道——口後方是附有肌肉細胞、可以碾碎食物的咽部，再往後就是腸道；腸道前後各有一小圈環狀細胞組成兩個「閥門」，可開可關，相當於我們人類的賁門（食道進胃的入口）和肛門。長長的生殖腺就貼在消化道旁邊。

千里挑一才有「真男人」

從人類的角度來看，秀麗隱桿線蟲的生殖方式比較奇特，分為「雌雄同體」和「雄性」兩個性別。正常生長的群體中絕大部分個體是雌雄同體：在發育未完全成熟的階段，雌雄同體產生精子並儲存在生殖腺中；發育成熟的個體產生卵子，和準備好的精子結合形成受精卵。

雌雄同體的內部結構。圖片：wormatlas.org

雌雄同體嚴格來說是一種雌性，基因組中包括五對常染色體和兩條X性染色體。生成的精子和卵細胞都包含一套五條常染色體和一條X染色體，所以結合之後產生的胚胎自然絕大部分都是雌雄同體（5*2+2X）。

不過受精卵有極小概率隨機丟失一條X染色體，就會轉而發育成雄性個體，可謂千里挑一的「真男人」（5*2+X）。雌雄同體自體授精能產生大約300個受精卵，而雄性個體給雌雄同體授精後，後代數量可以超過1000個。

遇到雌雄同體後的雄性與對方「親密接觸」，用尾部的扇狀結構找到生殖腺開口進行授精。圖片：Kbrugman / wikimedia

諾獎三殺是如何完成的

秀麗隱桿線蟲最重要的身份就是科研模式生物了。在生物遺傳學研究初現繁榮的20世紀50年代，南非生物學家西德尼·布倫納（Sydney Brenner）為分子生物學的發展做出了巨大貢獻，不過隨後他轉而把興趣放到了生物體的神經發育機制上。然而人類的神經系統由一千億個神經元組成，要怎麼研究呢？布倫納找到了「身懷絕技」的秀麗隱桿線蟲。

首先，秀麗隱桿線蟲體型小，吃得簡單，長得快，生命力頑強——在實驗室常用的瓊脂平板上養好一層大腸桿菌後放上線蟲，線蟲就能愉快地邊吃邊繁殖，室溫環境下三四天就能繁殖一代，壽命大約三周。實驗人員想放假？沒問題。把平板直接放進-80℃的冰箱凍上，出門浪完回來解凍一下，線蟲照樣活蹦亂跳。雌雄同體自體授精的它們可以很方便地傳代，而雄性的存在又為不同基因型的雜交提供了便利。

培養皿中間是大腸桿菌菌落，周圍一圈黑黑的是含有秀麗隱桿線蟲的土壤樣本（A）；以細菌為食的線蟲被食物吸引如土壤中鑽出，挑出這些具有活性的線蟲個體，以進行下一代繁殖（B）。圖片：Antoine Barrière & Marie-Anne Félix / wormbook.org

其次，線蟲簡單又完整的身體構造是很好的研究起點。1983年，英國科學家約翰·蘇爾斯頓（John Sulston）研究了秀麗隱桿線蟲的發育過程。在沒有先進儀器的年代，蘇爾斯頓靠著在光學顯微鏡下肉眼觀察透明蟲體，繪製了線蟲全部細胞的發育圖譜——從受精卵第一次分裂開始，線蟲的每次細胞分裂、每個細胞的功能和命運是完全確定的。這是世界上首個多細胞生物的細胞發育譜系。

以點表示神經細胞胞體，以線表示神經細胞的樹突與軸突，科學家繪製出了線蟲的神經細胞圖譜。圖片：The OpenWorm

今天，幾乎所有發育生物學課本中都會提到，雌雄同體線蟲在發育過程中會產生1090個細胞，其中有131個會在產生後啟動一個正常的凋亡程序而死去，只留下959個。2002年，諾貝爾生理學及醫學獎頒發給了布倫納、蘇爾斯頓和霍維茨（Howard Robert Horvitz）三位科學家，表彰他們在器官發育調控和程序性細胞凋亡研究中的貢獻。線蟲在諾獎名單上拿下一血。

左起依次為布倫納、霍維茨和蘇爾斯頓，遺憾的是蘇爾斯頓已於2018年3月逝世。圖片：nobelprize.org

僅僅四年之後，諾貝爾生理學及醫學獎頒發給了安德魯·法厄（Andrew Fire）和克雷格·梅洛（Craig Mello），以表彰他們闡明了線蟲的RNA干擾機制——兩人從不符合預期結果的空白對照組中，發現了生物體可以探測病原體雙鏈RNA，並以此為「嚮導」攻擊病原體基因組。現在，RNA干擾機制已經成為了生物學研究的常用工具。線蟲當之無愧拿下了諾獎雙殺。

2008年諾貝爾化學獎，三位獲獎人之一的馬丁·查爾菲（Martin Chalfie）正是把綠色熒光蛋白用在了線蟲研究中。線蟲完成諾獎三殺。

被插入了編碼綠色熒光蛋白基因的秀麗隱桿線蟲。圖片：Dan Dickinson，Goldstein lab，UNC Chapel Hill

事實上線蟲在生物學研究中有著更廣泛的應用。1998年，通過人類基因組計劃的一個「預實驗」，秀麗隱桿線蟲成為世界上第一種被全基因組測序的多細胞生物。而截至2012年，由302個細胞連接組成的線蟲神經網路，也完成了「連接組」測定。

體態優雅的秀麗隱桿線蟲，將繼續為人類揭示生命機制的奇妙。

生命充滿奧秘，如同另一個宇宙。圖為對細胞核進行了熒光染色後呈現出的秀麗隱桿線蟲。圖片：queensu.ca

本文是物種日曆第4年的第237篇文章，來自物種日曆作者@盧平。

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