渦蟲：你們搞研究就搞嘛，一定要把我切來切去的嗎

渦蟲：你們搞研究就搞嘛，一定要把我切來切去的嗎？

作者：氪羅鋇路斯

編輯：明天

渦蟲大概也算是當今生物界的網紅之一瞭。渦蟲綱的生物最為人所熟知的就是它們誰強誰攻、自攻自受無限再生的性質：切頭長頭，切尾巴長尾巴，切成 279 份，就能長出 279 隻完整的蟲子 [ 1 ] ；不要說切出一隻足球隊瞭，大概連觀眾都能切出來，因此，渦蟲也被稱為 " 刀鋒下永生 " 的生物。

圖 1. 這個 1898 年的實驗展示瞭如何把渦蟲切成小碎塊並重新獲得好幾隻渦蟲。圖左為切割示意圖。12 月 20 日，一條渦蟲被切成瞭 9 段。圖右自上而下是為編號 I-V 的渦蟲碎片逐漸長成完整渦蟲的過程，從左向右分別繪制瞭 1 月 4 日，1 月 11 日，1 月 17 日，2 月 5 日，2 月 19 日，以及 3 月 13 日的生長情況。圖片來源：參考文獻 2

渦蟲無限再生的能力源自它們強大的成體幹細胞庫。在特定條件的刺激下，幹細胞能夠增殖、分化為具有專門功能的細胞，例如神經細胞、肌肉細胞等。近幾年來，研究人員通過調節渦蟲體內決定幹細胞分化的信號分子濃度，結合切切切大法，慘無人道地制造出瞭兩個頭、三個頭乃至四個頭的渦蟲（圖 2）。

圖 2. 單頭，雙頭，三頭與四頭渦蟲，以及它們經過染色的中樞神經系統。上圖為渦蟲，下圖中綠色為中樞神經。圖片來源：參考文獻 3

最近，又有實驗室利用渦蟲可以不停長頭的特性研究起瞭視覺進化與視覺形成——科學傢的好奇心和破壞力大概能夠與一個五歲小男孩一較高下。

一些科學傢相信，所有兩側對稱動物（看起來軸對稱的動物都屬於兩側對稱動物）的視覺系統都是從相同的簡單視覺感受系統進化而來 [ 4 ] 。從渦蟲到人類，都是通過感光細胞中的視蛋白實現光子到生物信號的轉換，從而完成視覺響應的第一步。隻不過，人類可以通過不同的視蛋白區分顏色（光線波長），也可以利用復雜的神經系統將外部世界的二維投射重構為三維世界；而渦蟲的感光細胞內隻有一種視蛋白，神經系統也十分簡單，隻能對光線做出趨避性響應，即在光線的照射下，做出趨向光源或者躲避光源的反應。

圖 3. 渦蟲視覺感受系統示意圖。左上：渦蟲眼點與投射入視覺中樞的神經。左下：渦蟲眼點剖面圖，覆蓋在表面的為色素細胞，細長的為感光細胞。右上：經過染色的感光細胞。右下：渦蟲神經系統示意圖。圖片來源：參考文獻 5

渦蟲是一種避光性生物，當光線照射在渦蟲一側的時候，渦蟲就會選擇向沒有光線的方向躲避。主流觀點一直認為，單視蛋白感光系統僅僅能感受到光線的存在與否，並不能夠實現顏色的區分。

然而實驗發現，渦蟲能夠對光線做出更為復雜的響應。當兩種不同波長的光從左右兩側同時照射渦蟲時，大部分情況下，渦蟲會有選擇性地向一側躲避。如果兩側光線的波長差超過 25nm，渦蟲便能夠區分出兩者的差異，並向 " 偏好 " 的那一側運動；而渦蟲最不喜歡藍色和青色的光（波長 450nm – 500nm），如果這兩種顏色的光同時出現，渦蟲就開始懷疑蟲生，自暴自棄 [ 5 ] 。

雙側光照實驗。視頻中，左側光照波長 500nm，右側光照波長 545nm。被放置於兩種光線交界處的渦蟲顯著地展示出瞭向右側選擇性躲避的行為。遺憾的是，原文中並沒有附上渦蟲在 450nm/500nm 雙側光照實驗中無選擇性遊動的視頻。視頻來源：參考文獻 5

那麼渦蟲是如何區分光線波長的呢？Gulyani 實驗室猜測，渦蟲並不能真正區分入射光線的波長長短。隻不過，由於視蛋白對於不同波長的光子吸收能力不同，導致不同光線照射轉化出的生物信號強度不同，渦蟲對不同強度的生物信號做出不同的反應，才造成瞭能夠分辨顏色的假象。

為瞭驗證這個假說，研究者們在實驗中引入瞭入射光線強度的變量。真正能夠識別特定光線波長的視覺感受系統，對於顏色的判斷並不會隨著光線強度的改變而改變。例如，人類的視覺系統中有三種分別對紅光、綠光、藍光波長敏感的視蛋白，如果一束藍光射入人的眼睛，不管這束藍光是強是弱，都會特異性地激活藍光敏感視蛋白所在的細胞，並被人類大腦識別為藍色。

然而實驗發現，對於渦蟲來說，在同等強度的綠光和藍光的照射下，渦蟲會堅定地選擇向綠光的方向運動，但當綠光強度增加到藍光的 8 倍時，渦蟲就會放棄綠光，轉而向藍光方向躲避 [ 5 ] 。這一結果證實瞭 Gulyani 實驗室的假說，由於渦蟲視蛋白對於藍青光最為敏感，它們對於藍青光的躲避行為也最為明顯。

利用單一視蛋白的視感受細胞，分辨不同波長的光照並進行趨避，這一套視覺系統已經比僅能區分有光和無光的生物不知高到哪裡去瞭。一般的項目進行到這裡，大概就可以收尾瞭；然而渦蟲的研究者們是這麼想的：

把渦蟲的頭切掉，讓它的腦子、眼睛和神經重新長一遍，不就能知道渦蟲的視覺系統是怎麼形成的瞭？

渦蟲學傢們簡直對這一套流程輕車熟路：第 0 天，切斷渦蟲的頭，開始觀察記錄；第 4 天，可以觀察到渦蟲重新長出的眼點結構；第 5 天，腹神經線、頭神經節（即大腦）發育並連接完成，渦蟲可以在有光 / 無光實驗中做出避光性響應。然而，直到第 8 天，渦蟲才能在波長相差 100nm 的雙側光照實驗中表現出選擇性躲避反應；第 12 天，才完全重建起能夠區分波長差為 25nm 的光線的視覺神經系統 [ 5 ] 。

圖 4. 渦蟲神經系統的重構。自上而下，第一行：渦蟲頭部生長；第二行：渦蟲避光性從全盲、到能識別光、再到能區別不同波長的光線，逐步恢復；第三行：頭神經節突觸數目逐漸恢復（此圖一出水熊蟲網紅老大的位置難保）。圖片來源：參考文獻 5

為什麼渦蟲分辨 " 顏色 " 的能力恢復的這麼緩慢呢？

為瞭解釋這個疑問，研究人員利用染色技術觀察瞭大腦恢復實驗中渦蟲頭神經節的發育。實驗發現，盡管渦蟲大腦的神經通路在斷頭後的第 5 天已經基本建立，但是此後的幾天內仍然可以觀察到大量神經突觸的形成，發達的神經突出則是復雜神經反應發生的基礎。因此，渦蟲的大腦在重新發育時首先形成瞭能夠區分光線有無的簡單視覺，進而隨著神經系統的發展，建立起對於顏色（光強）的分辨能力。這樣分步式的視覺恢復也提供瞭渦蟲視覺系統進化自原始視覺系統的證據。

渦蟲還具有一種神奇的能力，稱為眼外視覺 [ 6 ] 。很多研究證實，在移除渦蟲頭部之後，渦蟲的身體其它部分能夠感知長波長紫外光的照射，並做出反射性躲避反應。大腦恢復實驗顯示，隨著眼腦系統的重建，低等的眼外視覺反應會被大腦介導的視覺響應所壓制，在同時照射紫外光與可見光時，渦蟲會從躲避紫外光，轉變為躲避可見光 [ 5 ] 。這也顯示瞭隨著神經系統的發展，多層級的復雜神經調控得以逐步實現。

圖 5. 即便是被移除頭部的渦蟲，也能通過身體的其他部分感知、躲避紫外光的照射（視頻中照射的並不是可見光，而是 385nm 波長的紫外線）視頻來源：參考文獻 [ 5 ] 。