图片来源：Wallpaperup
全身可再生，不止是科幻电影里的场景。
撰文 | 栗子
审校 | clefable
古希腊神话里，有一种刀枪不入、巨毒无比的怪兽，名叫“海德拉”（Hydra）。按照大部分典籍的记载，这怪兽有九颗头，所以人们也叫它“九头蛇”。除此之外，海德拉还有一项令人胆寒的技能，它每次被砍掉一颗头，便会立刻生出两颗新的头，很难被打败。
在现实世界中，也有一些动物的头部可以再生，比如水螅（Hydra）。于是，它们顺理成章地继承了邪恶怪兽海德拉的名号。相比之下，蚯蚓被截成两段，有头的一段可以再生出其他部分，没有头的一段却无法变成一条完整的蚯蚓了。
而水螅包含头部在内的所有部位基本都能再生，这代表它们在生物学上是不死的。除非通过饿死等等其他方式杀掉水螅，不然它们几乎可以无限制地自我更新。因此，许多科学家为之着迷，好奇水螅头部再生的机制究竟是怎样的。
现在，加利福尼亚大学欧文分校的一支研究团队，找到了一些头绪。
不止一种方法能长出头部
水螅属于刺胞动物（Cnidaria），约有20-30种。它们身材小巧，短的体长大约1毫米，长的也只有20毫米左右。
要形容水螅的外观，那大致就是一根圆管。管子的一边是头部，那里有嘴（学名垂唇，Hypostome），嘴旁边围绕着一些带刺的细长触手，用来捕食。和我们的嘴不太一样，水螅的嘴还起到肛门的作用。管子的另一端则是基盘，能牢牢附着在岩石或其他坚硬的表面。
上为头部，中为身体，下为足部，头部中间是嘴（图片来源：doi:10.1002/dvdy.10225 & Anna Klompen/University of Kansas）
只是，水螅头部并没有真正意义上的大脑，它有的是50-300个细胞组成的细胞团，可以叫头部组织器（head organizer） ，长在嘴的近旁，负责安排一些发育过程：比如要长出一颗新头时，这个细胞团会发出信号来决定其他细胞的命运，谁变成嘴的一部分，谁变成触手的一部分等等。
不过通常来说，水螅要长出新头不是因为头掉了，而是在孕育后代。它们的一种主要繁殖方式是出芽生殖（budding），就像树干上长出新的枝杈那样：由一个小小的芽体，慢慢变为一只成熟的子代，等到不再依靠母体营养也可以独立生活的时候，它便与母体脱离开来。
出芽生殖，产生和母亲几乎一样的后代（图片来源：A.houghton19）
这个过程属于无性繁殖，后代水螅的基因与母体几乎一样，也就是“克隆”。之前科学家们猜测，水螅被断头时，可能也要借助同样的机制来生成新的头。
但这一次，研究团队在普通水螅（Hydra vulgaris）身上，仔细观察DNA的工作情况后，却发现在无性繁殖时与断头再生时，活跃表达的基因有很大区别。也就是说，水螅有两种不同的途径来制造头部，一种用来生产后代，一种用来拯救自己。
那么，科学家是如何观察DNA的？一个基因要表达，得先转录出mRNA（信使RNA），随后mRNA会在核糖体里被翻译成蛋白质。而要进行转录，需要先让DNA致密的双链变得松散一些，这个过程叫“染色质重塑”。所以，在水螅断头再生期间，只要看DNA双链的哪个部分出现重塑，就能找出活跃表达的片段。
基因转录，DNA双链打开（图片来源：Genome Research Limited）
另外，转录过程需要启动子（promoter），使特定的基因能被转录，也会需要增强子（enhancer），来加强某些基因的转录。启动子和增强子不属于基因，只是调控基因表达的元件，但也是DNA上的片段，位在基因上游或下游。研究团队就是要观察这样的区域有无反应在进行，来确定哪些基因参与了断头再生。
结果科学家发现，在他们观察的9998个启动子和3018个增强子样区域当中，确实有一部分在水螅断头再生过程中经历了“染色质重塑”，或者说参与了再生任务。团队还发现，负责与这些启动子/增强子结合的转录因子，在断头再生期间的含量更丰富了。而一些跟发育有关的转录因子就在其中。
如此一来，科学家确认了参与水螅头部再生的一些基因。当他们把这些基因，和水螅无性繁殖过程中活跃的基因放在一起，便发现很不一致。换句话说，与无性繁殖中制造头部相比，断头再生是另一个独特的过程。
它的大部分细胞，都是干细胞
基因组本身没有改变，只是换成一种与平常不同的基因调控方式，水螅就能完成断头再生的壮举。这在生物学上就表观遗传学（epigenetics）的范畴。
你还可能记得，水螅头上有个名叫“头部组织器”的细胞团。在制造新头的过程中，这个细胞团会告诉其他细胞，要成为嘴还是触手还是别的部分。而当科学家切掉水螅的头，水螅依然可以借助表观遗传活动，调控基因表达，依靠其他部位的细胞生成新的“头部组织器”，然后利用剩余的任何细胞造出完整的新头。
并且，水螅断头再生只需要大约48小时，而无性繁殖中长出一个新头需要72小时左右。至于速度差距从哪来，今年3月的一项研究认为，水螅被断头后迅速重组嘴部，是紧急情况下的生存机制。而如今，科学家们将自己的成果与前人的研究结合起来，认为也是紧急情况令治疗进程获得了更高优先级，而生殖属于日常活动，可以按照原有的速度进行。
不只限于头部被砍，身体任何一个部位受到损伤时，水螅几乎都可以在几天内让它们长回来。就算一只水螅被拦腰砍成两半，它还可以变成两只水螅。
人类的时间是有限的（图片来源：pixabay）
水螅身体里的大部分细胞都是干细胞，它们的自我更新几乎不受任何限制，也就很难遇到衰老相关的问题。而在人类身上，同样全能的细胞可能只存在于胚胎早期。
曾经有其他科学家，用另外一种水螅——大乳头水螅（Hydra magnipapillata）做过估算，认为在实验室严格控制的条件下，有5%的水螅能活到1400年以上。
还有一些科学家不信邪，比如美国波莫纳学院的生物学家丹尼尔·马丁内兹（Daniel Martinez）就说过：“我曾经企图证明水螅逃脱不了衰老，但我后来用自己的实验数据，不止一次证明了那个想法是错的。”
谁来组成头部？
原论文：
https://academic.oup.com/gbe/article/13/12/evab221/6455029
参考链接：
https://www.eurekalert.org/news-releases/936568
https://elifesciences.org/articles/60562
https://www.the-scientist.com/news-opinion/how-hydras-regenerate-decapitated-heads-69523
https://www.nature.com/articles/nature12789/
https://www.insidescience.org/news/how-hydra-regrow-their-heads
发表于 2021-12-19 16:52
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