管虫,“自然的眼睛工厂”,几乎可以粘在任何地方

需要是发明之母

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


事实上,管虫确实在通常的位置——头部——长有眼睛。但由于这些虫子现在居住在可爱、舒适的粘液管中,只有一圈色彩鲜艳的触手伸出来,这意味着它们也无法真正看到任何东西。这是一个问题。

触手冠由称为辐射枝的结构组成,对管虫的游戏计划至关重要:这是它们进食和呼吸的方式。唯一的问题是,这种壮观而必不可少的附件也是饥饿的捕食者寻找美食(比如肥美的蠕虫晚餐)的方便把手。

因此,管虫不得不发挥创意。而且,根据斯堪的纳维亚科学家团队最近在《整合与比较生物学》上发表的一篇综述,它们确实做到了。这些蠕虫像孩子们贴上活动眼珠贴纸一样,增加了眼睛。不同的物种在它们的胸部、腹部,甚至屁股上都长出了眼睛——或者至少是被称为眼点的简单光感受器。


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图片来源:Bok et al. 2016

许多许多物种还找到了在辐射枝的各个位置和组合中应用眼睛的方法,包括尖端的大型复眼簇,它们的外观类似于螃蟹的眼柄,但更奇怪。

管虫辐射枝触手尖端的两个复眼(箭头)。右图是复眼的特写。比例尺 = 100 微米。图片来源:Bok et al. 2017

在这张图片中,您可以看到管虫触手眼睛的复杂程度范围,从没有到很多。橙色斑点是眼点,但在右下方,它们开始聚集成分类为眼睛的结构。昆虫的复眼也由眼点组成。

12 种管虫新鲜解剖的辐射枝眼睛的侧视图,按复杂程度从左上到右下排列。左上角的管虫缺少辐射枝眼睛。图片来源:Bok et al. 2016

这里还有更多的可能性。左边的小棕色球是眼点。中间的黑色斑点和右边的黄色斑点是疑似眼睛。

Sabellomma cupoculata (H) 中的分散眼点,Stylomma palmatum (I) 中的有柄眼睛,以及Parasabella bioculata 中可能成对的眼睛。图片来源:Bok et al. 2016

这就像 1980 年代早期的吉姆·汉森工作室获得了设计管虫视觉系统的许可,而且他们没有保留。

除了它们在眼睛位置和设计方面的非传统想法外,管虫还构建了一些对于无脊椎动物来说从根本上来说很奇怪的眼睛。尽管它们表面上类似于无脊椎动物的眼睛,但所涉及的微观结构和分子似乎与——在所有事物中——脊椎动物的眼睛更相似。我们人类的眼睛。

要理解这种生化上奇异的光学自由放任主义是如何产生的,需要了解一点关于管虫的进化。管虫是从环节动物(也产生了低等蚯蚓的节肢动物群)进化而来的。因此,它们的祖先不是定居的,也不住在管子里。它们更像今天在海洋中爬行的多毛纲蠕虫。而且它们肯定在头部有眼睛。

在早期的侏罗纪的某个时候,当第一批管虫决定放弃它们漫游的习性,建造一个漂亮的粘液管,它们可以在上面拍打一些防御性的沉积物闪光,并在和平中筑巢时,这种情况发生了变化。但现在它们的头安全地塞进了管子里,只有羽毛状的摄食和呼吸触手伸入海洋,这使得它们实际上是盲的,并且显然很脆弱。

选择压力,委婉地说,随之而来。

结果似乎是,眼睛在许多不同的绝望幸存者群体中多次进化,它们来自手头的任何感光色素和结构。

屁股上的眼睛——更准确、更不粗俗地说,是尾节眼——非常简单,它们的作用似乎是在蠕虫被赶出家园后找到最黑暗的地方建造新管。

胸部的眼睛似乎会提醒那些尴尬地暴露自己的蠕虫爬回管子里。

连同大脑的眼睛——现在只不过是简单的色素杯,埋在管虫的大脑内部——所有这些眼睛的作用仅仅是检测光线。而且它们在结构和生物化学上与其他无脊椎动物的眼睛相似。

另一方面,触手眼睛是用非常不同的布料剪裁而成的。光感受器可以由两种类型的细胞突起构成:微绒毛纤毛。微绒毛是手指状的细胞膜突起。我们的小肠内壁就布满了这些(它们帮助我们吸收营养)。纤毛是跳动的毛发。我们的气管内壁就布满了这些(它们帮助我们排出肺部污物)。

无脊椎动物的光感受器倾向于由共同选择的微绒毛构成。脊椎动物的光感受器倾向于由重新利用的纤毛构成。管虫的触手眼睛也是由纤毛构成的。在至少一个蛋白质已被测序的案例中,正如去年在《当代生物学》杂志上揭示的那样,它们还使用了与脊椎动物纤毛光感受器中使用的相同类型的感光分子——C-视蛋白(无脊椎动物类型的受体使用 Gq-视蛋白)。

此外,将触手眼睛的外观和复杂性映射到管虫的家谱上表明,这些眼睛很可能是从类似脊椎动物的成分进化而来的,而不是一次,而是两次或三次独立的进化。由于这种眼睛对阴影——尤其是移动的阴影——做出反应,因此它们似乎是为了充当安全系统而进化的。当被触发时,蠕虫就会消失。

事实上,这可能是这些眼睛从相同成分进化多次的原因:与对阴影敏感的 C-视蛋白不同,无脊椎动物风格的 Gq-视蛋白是由光线增强触发的,对于家庭安全来说,这是一个不太有用的功能。

对一种管虫 C-视蛋白的测序表明,尽管它与脊椎动物的 C-视蛋白有关,但它似乎并非通过水平基因转移——即基因的直接传递或盗窃——从它们那里获得的。相反,无脊椎动物似乎从一个共同的祖先那里继承了它们自己的简单 C-视蛋白,称为 InvC-视蛋白。它们远非唯一使用它们的无脊椎动物。海生沙蚕 Platynereis dumerilii 在它们幼虫的大脑中使用一种这样的 InvC-视蛋白,用于感知环境光照水平。但它们似乎是唯一使用它们构建高度复杂眼睛的无脊椎动物。

在管虫中发生的情况似乎是,一些简单的、纤毛的光感受器碰巧位于辐射枝触手附近,管着自己的事,这时管虫抓住了它们,并给了它们一份新的工作,作为瞭望员。

或者更确切地说——能够利用这些光感受器来帮助探测捕食者的管虫存活下来并繁殖,并且具有更好版本的这些眼睛的后代一代又一代地留下了更多的后代。一些由此产生的复眼类似于甚至可以媲美节肢动物制造的复眼——但它们是建立在光学亚单元上的,这些光学亚单元与用于构建我们眼睛的光学亚单元更密切相关。

这些眼睛可能只提供阴影检测。但也可能复眼版本可能能够进行基本的运动检测和图像形成,并且管虫因此具有类似“视觉”的东西。

滤食性蠕虫触手上这些眼睛的丰富性和奇异分布引发了一些其他令人费解的问题:如何防止每次一个触手漂浮在另一个触手前面时,防盗警报器都会响起?如何整合分散在许多触手上并指向疯狂方向的大量眼睛的视觉信号?眼睛太多可能吗?(管虫:不。)

美国通常被称为民主实验室,因为美国各州拥有如此大的自由来试验它们的法律。管虫是眼科学实验室,对于那些有兴趣研究当动物抛弃现有的眼睛规则手册并重新开始时,什么才是可能的人来说,这是一个成熟的目标。

参考文献

Bok, Michael J., María Capa, 和 Dan-Eric Nilsson. "到处都是:管虫(环节动物门,Sabellidae 科)的辐射枝眼睛。"整合与比较生物学, 56: 5 (2016): 784-795.

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