新材料：研究發(fā)現(xiàn)甲殼類(lèi)動(dòng)物的遺傳物質(zhì)可以制造絲綢

　　幾千年來(lái)，人們一直驚嘆于蜘蛛結(jié)實(shí)的絲網(wǎng)的復(fù)雜性，并珍視蠶紡出的絲綢的奢華柔軟。其他一些昆蟲(chóng)種類(lèi)，如蜜蜂和蒼蠅，也會(huì)產(chǎn)絲。但很少有人，甚至是生物學(xué)家，知道各種各樣的甲殼類(lèi)動(dòng)物也會(huì)制造這種多功能且有價(jià)值的蛋白質(zhì)纖維。現(xiàn)在，兩名研究生認(rèn)為，這些鮮為人知的絲綢生產(chǎn)者應(yīng)該得到應(yīng)有的重視了。

　　兩人合作收集并分析了數(shù)十種稱(chēng)為片腳類(lèi)的甲殼類(lèi)動(dòng)物的遺傳物質(zhì)，其中一些可以制造絲綢。其中一名學(xué)生，佛羅里達(dá)自然歷史博物館的Brittany Cummings，拼湊出了一個(gè)家譜，揭示了這個(gè)群體多次獨(dú)立開(kāi)發(fā)出產(chǎn)絲功能——這是所謂趨同進(jìn)化的一個(gè)例子。另一位是加州大學(xué)圣巴巴拉分校的Siena McKim，她發(fā)現(xiàn)至少有一種兩棲動(dòng)物產(chǎn)生這種纖維，其基因與蠶相同。

　　上周，在西雅圖舉行的綜合與比較生物學(xué)學(xué)會(huì)年會(huì)上，兩人都報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)表明，某些片腳類(lèi)動(dòng)物在失去了制造絲綢的能力后，形成了奇怪的身體情況或附肢。

　　威廉瑪麗學(xué)院的無(wú)脊椎動(dòng)物動(dòng)物學(xué)家喬納森·艾倫沒(méi)有參與這項(xiàng)工作，他說(shuō)，這項(xiàng)研究表明，絲的進(jìn)化有很多目的，可能推動(dòng)了生活方式和體型的多樣性。“隨后絲生產(chǎn)的損失導(dǎo)致了更奇怪的變化。”

　　在會(huì)議上，麥基姆描述了利用一個(gè)多世紀(jì)前的科學(xué)文獻(xiàn)來(lái)確定哪些甲殼類(lèi)動(dòng)物制造絲。她報(bào)告說(shuō)，絲在甲殼類(lèi)動(dòng)物中可能至少進(jìn)化了六次，其中兩足類(lèi)、梭子蟹(又稱(chēng)種蝦)和tanaids(生活在咸水和淡水中的小蝦類(lèi)動(dòng)物)各有兩次起源。

　　一些參加麥金演講的絲綢生物學(xué)家感到驚訝。阿克倫大學(xué)研究蜘蛛絲的博士后Angela Alicea Serrano說(shuō)：“我不知道甲殼類(lèi)動(dòng)物有能力制造絲綢。”。

　　即使在生物學(xué)家中，片腳類(lèi)動(dòng)物也往往被忽視，或者更糟的是，被誤認(rèn)為是長(zhǎng)相怪異的蝦。豆?fàn)睿ǔ２槐葯烟掖螅鼈冊(cè)诤Ｑ蟆⒑恿鳌⒑春统靥林蟹浅ＸS富，是魚(yú)類(lèi)、其他無(wú)脊椎動(dòng)物甚至鯨魚(yú)的主要食物。到目前為止，McKim和Cummings已經(jīng)將重點(diǎn)放在了形態(tài)最多樣的片腳類(lèi)——蛇尾類(lèi)上。幾種海蛇科植物是吐絲植物。此外，許多物種都經(jīng)歷了巨大的變化，從爪子和觸角的增大到頭部、后端的減少和缺失，或者兩者兼而有之。

　　正是這些形狀奇特的蛇冠吸引了卡明斯研究片腳類(lèi)動(dòng)物中的絲。大約20年前，其他研究人員認(rèn)為，蛇尾科的多樣性起源于該分支的成員，該分支包括21個(gè)科，進(jìn)化出絲腺、長(zhǎng)觸角和抓握腿。

　　Cummings和McKim一起收集了從不列顛哥倫比亞省到加利福尼亞州南部和南美洲的片腳類(lèi)動(dòng)物。她還檢查了運(yùn)往她的大西洋、加勒比海和南極洲沿海地區(qū)的保存標(biāo)本。這些生物為不同的目的制造絲。有些用它來(lái)捆綁沙粒和糞便，有時(shí)在泥中制作柔軟的保護(hù)管，或是用來(lái)抽水收集食物的硬管。其中一種甚至在海膽的脊椎末端建造絲狀的“桿”，當(dāng)它們用觸角伸出去捕捉食物時(shí)，這些桿被用作支撐。(棘為海膽和片腳類(lèi)提供保護(hù)。)有些人用它們的絲創(chuàng)造了可移動(dòng)的圍欄，身體在絲管內(nèi)游泳，拍打觸角四處移動(dòng)。

　　兩人一起從代表七個(gè)蛇尾科的新捕獲的片腳類(lèi)物種中收集了遺傳物質(zhì)。到目前為止，他們已經(jīng)對(duì)九個(gè)物種的活性基因進(jìn)行了編目。Cummings在會(huì)議上報(bào)道稱(chēng)，這些早期數(shù)據(jù)為兩棲類(lèi)進(jìn)化提供了一些令人驚訝的線索。

　　研究人員認(rèn)為，所有的絲管制造者都聚集在一起，所有不再制造絲管的物種都屬于兩棲綱家譜的另一個(gè)分支。但Cummings的初步分析表明，絲的產(chǎn)生發(fā)展了多次，也可能已經(jīng)消失了多次。片腳類(lèi)動(dòng)物中最早的用絲制造軟管的物種。他們中的一部分失去了產(chǎn)絲的能力，而是在沒(méi)有任何管道的情況下，緊緊抓住巖石、貝殼和其他表面。

　　她報(bào)道說(shuō)，后來(lái)在某個(gè)時(shí)候，產(chǎn)絲再次進(jìn)化，但這些物種建造了堅(jiān)硬的管道，因此可以生活在流動(dòng)更快的水中。最近，這些物種中的一些再次用它們產(chǎn)絲的能力換取了在這些更快的水域中自由生活、依附的生命。艾倫說(shuō)：“她希望講述的故事并不像最初看起來(lái)那么簡(jiǎn)單。”。

　　對(duì)甲殼類(lèi)動(dòng)物的絲進(jìn)行更深入的分析，也許有一天會(huì)有實(shí)際應(yīng)用。研究人員已經(jīng)將蜘蛛絲用于生物醫(yī)學(xué)和工程，用作縫合線和再生組織的支架。通過(guò)研究其特性，研究人員正在學(xué)習(xí)如何制造同樣堅(jiān)固的合成材料。

　　Alicea Serrano說(shuō)：“兩棲類(lèi)動(dòng)物生活在海洋環(huán)境中，所以這種絲有一些獨(dú)特之處，“使它能夠在鹽水中發(fā)揮作用”。“我們也許可以用這些材料為自己制造材料。”

　　麥基姆只關(guān)注了產(chǎn)絲生物，比較了它們某些腿部的活性基因，這些腿可以生產(chǎn)絲綢，而它們的其他的腿沒(méi)有絲腺。她報(bào)道說(shuō)，在蠶身上發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)產(chǎn)絲雙足類(lèi)腿的活性基因。她在會(huì)議上說(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)“讓我們相信它們使用的基因與飛蛾非常相似”。但為什么以及如何產(chǎn)生這些相似的基因——它們不太可能追溯到一個(gè)共同的祖先——“是讓我徹夜難眠的原因。”