神奇！斑馬魚(yú) “聞” 出水體咸淡
斑馬魚(yú)是研究魚(yú)類感知水體咸度的理想材料。
圖源：https://www.flickr.com/photos/thierrymarysael/5546556947
撰文 | 張婉瑩
責(zé)編 | 計(jì)永勝
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眾所周知，魚(yú)是離不開(kāi)水的。對(duì)于魚(yú)來(lái)說(shuō)，鹽度水平是環(huán)境是否宜居的關(guān)鍵因素。日常生活中，我們就籠統(tǒng)的把魚(yú)分為淡水魚(yú)和咸水魚(yú)。
陸地動(dòng)物和海洋哺乳動(dòng)利用它們的味覺(jué)系統(tǒng)來(lái)識(shí)別食物和液體中離子濃度的高低。我們通過(guò)飲一口就知道液體的咸淡。那么，你知道魚(yú)是如何感知所處水體的鹽度水平的嗎？
2月22日，哈佛大學(xué)分子與細(xì)胞生物學(xué)系教授克里斯蒂安·埃雷拉（Kristian J. Herrera）團(tuán)隊(duì)在《當(dāng)代生物學(xué)》（Current Biology）發(fā)表文章稱，斑馬魚(yú)幼魚(yú)可以通過(guò)嗅覺(jué)系統(tǒng)感知水體中鹽（NaCl）的濃度梯度，進(jìn)而避開(kāi)高鹽環(huán)境 [1]。
“該項(xiàng)研究揭示了斑馬魚(yú)幼魚(yú)感知水體鹽度的感覺(jué)系統(tǒng)和逃離高鹽環(huán)境的行為策略，提供了進(jìn)一步研究這種不尋常的化學(xué)感受系統(tǒng)的關(guān)鍵線索和可能出現(xiàn)的難點(diǎn)?！?加州大學(xué)圣迭戈分校神經(jīng)生物學(xué)系教授馬修·洛維特·巴倫（Matthew Lovett-Barron）在同期《當(dāng)代生物學(xué)》雜志發(fā)表評(píng)論指出 [2]。
該研究所使用的斑馬魚(yú)是一種體長(zhǎng)5厘米左右的熱帶魚(yú)，原產(chǎn)于喜馬拉雅山南麓的印度、巴基斯坦、孟加拉和尼泊爾等南亞國(guó)家，也是生物學(xué)研究中常用的模式生物。印度和孟加拉國(guó)的恒河小支流水質(zhì)偏軟，離子含量很低，但在旱季，局部水域的鹽度會(huì)急劇升高。而斑馬魚(yú)可依靠自身對(duì)水體鹽度的感知能力向適宜區(qū)域巡游，得以存活。因此，斑馬魚(yú)就成為研究魚(yú)類感知水體咸度的理想材料。
在該研究中，科研人員首先讓斑馬魚(yú)幼魚(yú)在特定的 “泳道” 自由游動(dòng)。與普通“泳道”不同，某些 “泳道” 中水的NaCl濃度呈梯度變化。有趣的是，與無(wú)鹽 “泳道” 相比，NaCl “泳道” 中的斑馬魚(yú)幼魚(yú)離高濃度區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)的，并且長(zhǎng)時(shí)間停留在低濃度區(qū)域，以遠(yuǎn)離高鹽危險(xiǎn)環(huán)境。
圖1. 斑馬魚(yú)幼魚(yú)通過(guò)感知水體鹽度梯度來(lái)避開(kāi)高鹽環(huán)境。（圖源：參考文獻(xiàn)[1]）
以上結(jié)果和我們?cè)诖笞匀恢杏^測(cè)到的現(xiàn)象一致。那么，到底是哪些部位的神經(jīng)參與了斑馬魚(yú)幼魚(yú)對(duì)高鹽環(huán)境的感知呢？
隨后，研究人員將斑馬魚(yú)幼魚(yú)頭部固定后置于顯微鏡下進(jìn)行鈣成像觀測(cè)，以確定感受鹽度梯度的神經(jīng)細(xì)胞的部位。
圖2. 斑馬魚(yú)嗅覺(jué)系統(tǒng)。（圖源：參考文獻(xiàn)[3]）
結(jié)果顯示，嗅覺(jué)系統(tǒng)（包括嗅上皮、嗅球和后端腦）中的神經(jīng)元和側(cè)線（魚(yú)類和水生兩棲動(dòng)物所特有的感覺(jué)器官）神經(jīng)元對(duì)NaCl刺激的反應(yīng)最為強(qiáng)烈和持久。更有趣的是，研究人員用硫酸銅溶液抑制了側(cè)線神經(jīng)的反應(yīng)后，斑馬魚(yú)幼魚(yú)的嗅覺(jué)初級(jí)中樞嗅球對(duì)NaCl依舊有反應(yīng)。這說(shuō)明斑馬魚(yú)幼魚(yú)的嗅覺(jué)系統(tǒng)，尤其是嗅覺(jué)信號(hào)的輸入在感知水體鹽度變化過(guò)程中角色更加重要。
圖3. 斑馬魚(yú)幼魚(yú)嗅覺(jué)系統(tǒng)對(duì)感知鹽度變化至關(guān)重要。（圖源：參考文獻(xiàn)[1]）
鈣離子信號(hào)成像的方法讓科研人員大致知道了斑馬魚(yú)幼魚(yú)響應(yīng)NaCl濃度梯度的神經(jīng)所在的部位。但到底對(duì)NaCl敏感的神經(jīng)元是由什么驅(qū)動(dòng)的呢？
科研人員用更加精確的雙光子顯微鏡對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行了觀測(cè)。結(jié)果有點(diǎn)出乎意料，研究人員統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)只有不到5%的神經(jīng)元對(duì)實(shí)驗(yàn)所用濃度的NaCl有反應(yīng)。并且，不管是將NaCl換成KCl還是NaI，這一小撮神經(jīng)元的反應(yīng)性并沒(méi)有發(fā)生明顯變化。研究人員推測(cè)，這種神經(jīng)元的敏感性是由鈉離子和氯離子驅(qū)動(dòng)的，并至少響應(yīng)一種單價(jià)離子的存在。但將魚(yú)暴露在等單或更高濃度的二價(jià)陽(yáng)離子（氯化鎂）中時(shí)，這些細(xì)胞的反應(yīng)明顯弱于NaCl。根據(jù)這些結(jié)果，研究人員提出斑馬魚(yú)對(duì)NaCl敏感的神經(jīng)元主要適應(yīng)鈉和氯的存在，對(duì)鈉的敏感性可能稍高一些。
圖4. 少數(shù)神經(jīng)元響應(yīng)水體環(huán)境NaCl的濃度變化。（圖源：參考文獻(xiàn)[1]）
該研究讓我們初步了解到斑馬魚(yú)使用嗅覺(jué)系統(tǒng)感知水體鹽度，以遠(yuǎn)離高鹽環(huán)境，但作者最后指出，嗅覺(jué)神經(jīng)元感知NaCl濃度的具體信號(hào)仍未明確。正如馬修·洛維特·巴倫在評(píng)論文章指出，此研究引發(fā)了更多的開(kāi)放問(wèn)題，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析、單細(xì)胞電生理學(xué)等方法的結(jié)合可能有助于揭開(kāi)謎底。
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