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再生功能极为强大的涡虫:四肢被切可快速生长,人类可以吗?导语再生生物‍涡虫实验‍再生功能的秘密‍人类离重生还差什么‍结语‍

作者:坐景观天

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人们常常认为自己不在刀上,死而活,或者可以再生四肢,这样他们就可以做很多自己想做却不敢做的事。

"再生"听起来像一个咒语。其实,在我们的日常生活中,有很多动物具有再生能力,比如壁虎在折断尾巴后会自动长出新的尾巴。

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壁虎

那么,我们人类也能再生四肢吗?答案是否定的。由于体内基因和细胞类型的差异,我们具有与动物相同的愈合能力,但再生能力没有那么强。

再生过程实际上比我们想象的要复杂得多,所以让我们先来看看自然界中哪些动物具有神奇的再生能力,然后再知道这一点。

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细胞分裂

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"再生"是生物类别中生物体的自我修复过程。

在生物体的全部或部分器官在外力作用下受到创伤或肢解后,在剩余的生物部分的基础上再次产生与残缺部分具有相同功能和形式的身体结构,即"再生"。

在已知的模式生物中,涡旋是最具再生性的物种。此外,还有许多具有再生能力的生物。

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旋涡

超过85%的与涡旋昆虫具有相同生物类型的扁平动物可以再生。

多孔生物门中的许多物种可以在身体结构破碎的情况下再生断肢,例如海绵。科学研究表明,绝大多数海绵可以在短时间内将身体碎片修复成完整的身体。

蟋蟀和水獭(蚱蜢)等链接动物可以在身体断裂后再生。

章鱼、鱿鱼(墨鱼)等软体动物在肢体受损后可以迅速修复,其中章鱼的触角在缺陷后甚至可以多次产生,超过原来的四肢数量。

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章鱼

节肢动物,如我们常见的螃蟹和龙虾,也具有再生四肢的能力,这就是为什么我们可以龙虾钳子在大小上显得不一致。

海洋中的许多针鼹,如海胆、海参、海星等,可以在四肢断裂的地方再生有缺陷的新肢体,甚至再生内脏器官。

两栖蜻蜓可以再生四肢,并具有再生脊髓和大脑的能力。

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火灾

爬行蜥蜴和壁虎可以在尾巴断裂后再生尾巴,但它们没有再生四肢的能力。

对于我们人类来说,再生能力最强的器官是肝脏,四肢再生的能力体现在身体表中,但仅限于指尖和脚趾等部位。

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人体骨骼地图

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漩涡现在被全世界公认为最强大的再生生物,因为它太强大而无法再生,已经成为科学家实验室的常客。

漩涡在生物学分类中属于扁平动物门——漩涡,体长在3毫米到10厘米之间,虽然很小,但具有完整的嗅觉器官和视觉系统。身体由六个主要组成部分组成:大脑,肠道系统,肌肉咽部,肌肉,原发肾管和成人未分化细胞。

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涡旋结构图

漩涡实验始于1898年,当时来自美国的生物学家摩根在实验室中将漩涡切片,以研究其再生能力。

摩根将一个长约2厘米的漩涡切成279个部分,并在显微镜下观察漩涡的遗骸,令人震惊地将它们再生为279个新的漩涡虫。

也就是说,即使摩根将漩涡切成毛丝,它仍然可以通过其强大的再生能力重生为新生命个体。

此后,摩根进行了多次实验,研究涡旋的再生能力,试图从细胞水平解读涡旋的强大再生机制。

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涡流切片实验

受当时技术手段的限制,20世纪初对涡旋的研究进展缓慢,许多科学家陷入了切割涡流的初级阶段。根据记录,一位德国科学家在1906年使用了100条涡旋蠕虫进行切片测试,并最终完全再生了20,000多条涡旋蠕虫。

随着实验的进行,科学家们越来越意识到涡旋再生的力量。

美国密歇根大学生物学家詹姆斯·麦康奈尔(James McConnell)教授是第一位发现生物记忆在涡旋再生过程中被保留下来的科学家,并在涡旋的切片实验中增加了记忆测试。

实验很简单:在切割漩涡之前,他会训练漩涡记忆,让漩涡在一定条件下产生条件反射,形成记忆。

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美国生物学家詹姆斯·麦康奈尔

他重复了漩涡在身体光线下的条件反射,之后他将漩涡切成薄片并将其分为两组对照组。

在对照组的一侧,身体部位有头部,另一侧没有头部,他发现了一个惊人的事实,即无脑漩涡遗骸在再生后仍然可以对光做出反应,这意味着两组都继承了预先切割的生物特征。

此后,对涡旋再生能力的研究进入了微观和系统化,科学家们开始测试涡旋在各种条件下的再生能力,但得出的结论是,涡旋即使在真空环境中也能再生。

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漩涡的头部是可再生的,以保存记忆

涡旋再生的研究,历经100多年,终于有了突破。2018年,来自美国加州理工学院的一组生物学家在干细胞实验中发现了涡旋再生的关键信息:"涡流中的"成体未分化细胞"。

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漩涡中的"成体未分化细胞"是干细胞,在生物学上被称为"通用细胞",这些具有超强更新和分裂能力的细胞的最大特点是它们能够实现无限的自我更新。

它们可以产生特定的分化细胞,形成生物体中的集体组织和器官,并且它们可以通过不断多分化生物体中的成人器官来修复组织。

当涡旋的身体组织被破坏时,体内的"成体未分化细胞"在感知缺失组织的位置后迅速聚集并开始分裂,在伤口处形成"细菌"。

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涡旋再生过程

这个"胚胎"中的干细胞分化成特定的组织细胞,最终发育出完整的生物组织进行再生。

漩涡已经能够多次进行这种"能量密集型"再生,正是因为它体内含有大量的干细胞,足以支持它在数百次切割后再生新的完整生物组织。

这种干细胞实际上存在于人类中,科学研究表明,超过85%的涡旋昆虫基因与人类相同,在人类中被称为"全能干细胞"。

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人类全能干细胞

全方位的干细胞在人体内也具有无限多向分化的功能,在自主更新的过程中分化形成人体器官和组织中指定的细胞,那么我们人类的再生能力和漩涡相比有那么大的差距呢?

原因在于人类全能干细胞的特殊性,虽然它具有无限分化各种细胞的能力,但发育潜力有限,无法发育成个体。与涡旋中的干细胞不同,涡旋中的干细胞会随着涡旋的发展而吸收身体细胞的很大一部分而不会丢失。

人类全能干细胞只存在于受精卵到阶段,即胚胎发育的早期阶段,这就是为什么所有人类干细胞都被称为胚胎干细胞。

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胚胎干细胞

值得注意的是,对于基因遗传与精子卵结合并发育胚胎的哺乳动物来说,全能干细胞在成年期会减少,直到它们完全消失。换句话说,在我们的胚胎发育之后,人体内就不存在全能的干细胞了。

完成这种再生过程的另一个关键步骤是涡旋如何感知缺陷组织的特定位置。

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同样的问题也发生在身体里,尾巴、腿等四肢断裂后,为什么能在原来的位置迅速再生新的组织呢?

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断尾再生

生物体的再生大致可分为生物体的整体再生和组织器官的再生,而壁虎、涡旋虫等生物体可算作部分再生,即通过干细胞的连续分化来修复或重建组织和器官。

2020年6月27日,麻省理工学院生物学教授Peter Redian在《科学》杂志上发表了一篇名为"肌肉细胞如何帮助涡旋再生眼睛"的论文。Redian教授在他的论文中说,他和他在怀特黑德医学生物学研究所的同事在漩涡中发现了一种新型细胞,即心肌标志物细胞。

在涡旋的眼睛被组织损伤后,肌肉细胞,称为"路标细胞",帮助涡旋重建其光敏神经元系统,引导干细胞在指定部位开始分化,以修复眼睛。

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肌肉路标细胞帮助涡旋眼重生

2020年8月,同样来自怀特黑德医学生物学研究所的科学家Lucila Simone在一项实验中重新捕获了这种"引导细胞",该实验显然将几个不同的细胞引向更接近功能失调的组织,最重要的是,它们通常不会相互接近,但现在处于相同的位置。

Lucila Simone在研究中说:

"我被这些细胞所吸引,它们并不经常在一起,它们在肌肉细胞的指导下聚集在一起,并分为两种方式,朝着等待再生的组织发展。这是令人惊讶的,因为肌肉细胞在大多数动物中不起这样的作用。"

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人体肌肉细胞

这些细胞在漩涡中并不多,根据这个实验的结果,正常大小的漩涡会有4-6个"肌肉引导的细胞"。

在开始修复受损组织之前,细胞被分离,部分靠近受损组织,另一部分负责引导干细胞。通过比较肌肉引导细胞与干细胞运动的路径,Lucila Simone确定正是这些引导细胞帮助再生细胞完成组织重建。

研究结果为研究人类再生基因的产生和运作提供了新的思路,科学家现在将更加关注在干细胞研究中具有指导和调控作用的特殊基因。

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干细胞

我们无法像漩涡一样再生组织,直到我们真正找到人类再生的关键。因为我们不仅缺少全能的干细胞,还缺少引导细胞,也许在未来,会有更多的细胞类型,这需要进一步的研究。

<> h1类"pgc-h-arrow-right-"数据轨道"的结论</h1>

通过特殊的基因开关和编码,以涡旋昆虫为代表的神奇动物可以很容易地利用干细胞来修复身体组织和器官。人类仍需使用干细胞来实现的组织修复,但并不明显。

例如,在我们的人体中,伤口止血后会出现疤痕,这实际上是骨髓中的造血干细胞,帮助我们在分化后修复皮肤和肌肉。

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造血干细胞

人类基因是一个动态和不断变化的系统,全能的干细胞是再生能力的来源,还有很多东西需要研究。

如今,代表干细胞研究最高水平的诺贝尔生理学或医学奖,仍属于基因编码的范畴,还不足以实现人体器官和肢体的再生。

随着科学进程的推进,我们有理由相信,日子离我们解开生物再生之谜的日子不远了。到那时,人类文明可能因为人类再生能力的存在而达到了另一个层次。

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基因编码

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