2023年，在城倉圭美國海洋生物實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家注意到水箱里有一個(gè)與眾不同的櫛水母個(gè)體。

與眾不同的櫛水母個(gè)體。圖片來源：Mariana Rodriguez-Santiago

它的體型比其他櫛水母都大，而且它竟然有兩個(gè)嘴！城倉圭推測，它是不是由兩個(gè)受損的櫛水母在不經(jīng)意間合體而成的？

淡海櫛水母（Mnemiopsis leidyi），也稱“海核桃”，是一種廣泛分布于大西洋和黑海的浮游生物，以其透明的身體和發(fā)光的櫛板而著稱，它們的身體呈橢圓形，約手掌大小，通體透明，帶有微微的彩虹色光澤。

淡海櫛水母。圖片來源：ocean

櫛水母身體兩側(cè)有八排縱向排列的櫛板，由許多纖毛組成，當(dāng)這些纖毛擺動時(shí)，會折射出美麗的彩虹光。它們的頂端有兩個(gè)感官器官，稱為頂器，用于感知水流和重力，頂器通過櫛板的擺動進(jìn)行游動，看起來就像在水中發(fā)出光芒。

為了驗(yàn)證合體的觀點(diǎn)，研究人員在不同的時(shí)間從不同的地點(diǎn)采集了十只淡海櫛水母，并將這些個(gè)體分為多組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組由兩個(gè)個(gè)體組成?？茖W(xué)家們切下它們的部分葉狀結(jié)構(gòu)，并將這些切割的葉片對接在一起，然后用解剖盤固定過夜。

第二天，當(dāng)科學(xué)家們檢查這些個(gè)體時(shí)，他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，其中有九組成功融合，它們的切口邊界已經(jīng)逐漸消失，上皮和中膠層完美地連接在了一起，仿佛從未被分開過，整個(gè)合體過程大約持續(xù)了 12 到 18 小時(shí)。

驚訝！神經(jīng)系統(tǒng)竟融合在了一起！

合體后，科學(xué)家們對這些櫛水母進(jìn)行了進(jìn)一步觀察。為了驗(yàn)證它們是否真的合二為一，研究團(tuán)隊(duì)對其中一個(gè)葉片進(jìn)行了機(jī)械刺激，整個(gè)融合體都表現(xiàn)出了驚嚇反應(yīng)，輕微地顫抖了一下，這意味著兩個(gè)櫛水母的神經(jīng)系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了整合。

受到刺激的合體水母。圖片來源：Kei Jokura

這種驚嚇反應(yīng)是一種典型的神經(jīng)反射，由櫛水母的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。當(dāng)一個(gè)葉片受到刺激時(shí)，信號通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳遞到整個(gè)融合體，導(dǎo)致全身的肌肉收縮和反應(yīng)。這表明，融合后的神經(jīng)系統(tǒng)已經(jīng)能夠有效地協(xié)同工作，這使得兩個(gè)原本獨(dú)立的個(gè)體能夠作為一個(gè)整體進(jìn)行反應(yīng)，它們不再是兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，而是一個(gè)共享信息的整體。

為了更好地了解融合過程，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了延時(shí)成像。在最初的一小時(shí)內(nèi)，兩個(gè)櫛水母的葉片運(yùn)動是完全不同步的，但令人驚訝的是，在一個(gè)小時(shí)后，它們的運(yùn)動逐漸同步了；兩小時(shí)后，95% 的葉片運(yùn)動已經(jīng)完全同步，仿佛它們之間心有靈犀。

圖中顯示了六次獨(dú)立移植實(shí)驗(yàn)中葉片同步率的變化情況?；疑€表示單次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，藍(lán)色線表示平均值。可以看到，在移植開始后的最初20-40分鐘，同步率較低，但隨著時(shí)間的推移，同步率顯著提高，在 100-120分鐘時(shí)達(dá)到95%，這說明融合后的櫛水母逐漸實(shí)現(xiàn)了生理和行為的同步。圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]

這種現(xiàn)象讓人聯(lián)想到一些科幻作品中的神經(jīng)同步劇情，如角色們通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共享意識和協(xié)同作戰(zhàn)的設(shè)定。

奇妙！消化系統(tǒng)也融合在了一起！

不僅是神經(jīng)系統(tǒng)，研究人員還想看看它們的消化系統(tǒng)是否也發(fā)生了融合。

研究團(tuán)隊(duì)給合體后的櫛水母喂食了帶有熒光標(biāo)記的鹵蟲，并通過顯微鏡觀察食物顆粒的移動。有了熒光標(biāo)記，科學(xué)家可以在顯微鏡下清晰地看到食物顆粒的運(yùn)動路徑，驗(yàn)證兩個(gè)消化系統(tǒng)是否真正實(shí)現(xiàn)了功能上的整合。

圖中展示了標(biāo)記為熒光的鹵蟲顆粒在櫛水母消化系統(tǒng)中的移動情況。圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]

鹵蟲（Artemia）是一種小型甲殼類動物，體型通常只有幾毫米長，大約是一粒米大小，與人類食用的蝦類有一定的親緣關(guān)系，它們屬于同一大類的甲殼綱，但體型較小，通常不會被人類直接作為食物。櫛水母則以浮游生物為食，鹵蟲正是它們的典型食物來源之一。

科學(xué)家們驚訝地發(fā)現(xiàn)，食物顆粒能夠在兩個(gè)消化系統(tǒng)之間傳遞，從一個(gè)個(gè)體的消化道進(jìn)入另一個(gè)個(gè)體的消化道，說明它們的消化系統(tǒng)在功能上也是整合的。

研究人員通過觀察熒光標(biāo)記的鹵蟲如何在這些管道間流動，證明了兩個(gè)櫛水母個(gè)體在合體后，消化系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了功能上的整合。圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]

然而，研究人員也發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)肛門的排泄時(shí)間并不同步，這表明某些功能仍然是獨(dú)立的，也許這是融合初期的跡象，或者是它們保留了一部分各自的獨(dú)立性，以應(yīng)對不確定的環(huán)境變化。

淡海櫛水母可能無法進(jìn)行“異體識別”

城倉圭的研究團(tuán)隊(duì)意識到，淡海櫛水母可能缺乏一種叫做“異體識別”的機(jī)制。對于大多數(shù)動物來說，異體識別是一種保護(hù)機(jī)制，它們可以用來識別和排斥“非自我”組織，以防止被外來個(gè)體侵占。

在人體器官移植的過程中，正是因?yàn)榇嬖谶@種強(qiáng)烈的異體識別機(jī)制，人體的免疫系統(tǒng)會將移植的器官視為“外來入侵者”，從而產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)。這也是為什么人類在進(jìn)行器官移植時(shí)需要非常匹配的供體，以及在手術(shù)后需要長期服用免疫抑制藥物，以防止排斥反應(yīng)的發(fā)生。

但是櫛水母似乎沒有這種能力，這也許是因?yàn)樗鼈冊谧匀画h(huán)境中不太可能與其他個(gè)體長期保持緊密接觸。自由生活的櫛水母更關(guān)注如何在廣闊的海洋中獨(dú)自生存，因此它們進(jìn)化出了更為簡單的“合作”機(jī)制，而非“拒絕”機(jī)制。

不止櫛水母，其他生物也能“合體”

其實(shí)，不止櫛水母，在自然界中，有許多其他生物也展示了類似的合體現(xiàn)象。

管水母就是其中之一。世界上最大的巨型管水母（Praya dubia），其長度可達(dá)到約 46 米，比藍(lán)鯨還要長。

管水母。圖片來源：Smithsonian Magazine

它實(shí)際上并不是單一的個(gè)體，而是由無數(shù)個(gè)叫做“水螅體”的小型生物組成的群體，這些水螅體各司其職，共同組成了完整的生物體。每個(gè)水螅體都有特定的功能，例如捕食、消化、繁殖或運(yùn)動，這些不同的水螅體互相合作，維持著整個(gè)群體的生存。

另一個(gè)就是我們所熟悉的海綿。海綿是一類非常古老的生物，它們也具有融合的能力。在 2016 年的研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)基因相近的鈣質(zhì)海綿（Clathrina aurea）個(gè)體接觸時(shí)，它們的細(xì)胞可以相互融合，最終形成一個(gè)更大的個(gè)體。

鈣質(zhì)海綿。圖片來源：oeco

研究發(fā)現(xiàn)，海綿具有一種原始的免疫系統(tǒng)，可以用來識別“自己”和“非自己”（判斷基因是否相同），從而決定是否進(jìn)行融合。這種異體識別機(jī)制與人類的免疫排斥反應(yīng)相似，通過這種方式，海綿能夠擴(kuò)大自己的生存空間，同時(shí)維持遺傳上的同質(zhì)性。這種融合策略有助于它們更好地適應(yīng)環(huán)境。

回到我們的櫛水母，它們是現(xiàn)存后生動物中最早分支的一類，它們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他動物截然不同，但卻能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的行為整合，這為我們提供了關(guān)于神經(jīng)系統(tǒng)如何演化的寶貴線索。

在自然界中，“合體”不僅是生物間的巧妙協(xié)作，更是生命進(jìn)化的奇跡之一，它向我們展示了生命如何通過合作而非競爭，突破個(gè)體的局限，獲得更大的生存優(yōu)勢。這些奇妙的地球生命，讓我們再一次領(lǐng)略到自然奇跡的魅力……

參考文獻(xiàn)

[1]Jokura, Kei, et al. "Rapid physiological integration of fused ctenophores." Current Biology 34.19 (2024): R889-R890.

[2]Padua, André, et al. "Fragmentation, fusion, and genetic homogeneity in a calcareous sponge (Porifera, Calcarea)." Journal of Experimental Zoology Part A: Ecological Genetics and Physiology 325.5 (2016): 294-303.

策劃制作

出品丨科普中國

作者丨蘇澄宇

監(jiān)制丨中國科普博覽

責(zé)編丨董娜娜

審校丨徐來 林林