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被捕获的螽斯 © 甄莹实验室
日落之前,当螽斯出现时,夹竹桃叶子上有啃食的缺口,王田雨的第一个反应是:
“它偷吃了吗?”
王田雨是西湖大学博士生,多年前的这天,他正在转塘高速口采样。云栖校区就在附近,演化生态基因组实验室刚建不久,负责人是甄莹。当时学校的女老师还不多,有一个甄老师,还有一个贾老师——贾洁敏实验室,研究的是中枢神经血管生物学。
假作真时真亦假,自然研究有点像解谜题。
眼前的夹竹桃,就有点迷——花似桃,茎似竹,妖娆芬芳,天赋异禀,对污染极为耐受,可以对付二氧化硫等有害气体。还有,即便全身落满灰尘,它也照长。
不惧红尘,让它从路边野花,成了路边绿化。顽强的另一面是狠毒的心,夹竹桃有毒,人畜皆害,误食可致死。
这位螽斯呢,多少有点走错片场,它本不在采集计划内。全世界,直翅目螽斯亚目螽斯总科下,约有10000种,中国已知的约1000种。偏偏被抓的这种,通体碧绿,背部一条白线贯穿,宛如绿衣绅士。
夹竹桃的主要毒性物质是强心苷,这才是实验室找它的原因。问题是,作为杂食性昆虫,这位绿先生为何馋这一口毒?
就在这一叶一虫一人尴尬之际,王田雨当机立断,把螽斯和夹竹桃叶片带回实验室。两周的独立喂养证实,螽斯可以只吃夹竹桃叶,还活奔乱跳。这事儿算立案了。
强心甾类固醇和背后的毒素耐受机制问题
“嫌疑人”螽斯按下不表,先传唤“证物”强心苷。
强心苷能作用于细胞膜上的钠钾泵,而钠钾泵极为重要,是神经、肌肉等组织产生生物电信号的基础。强心苷作为一种小分子化合物,能精准地“卡”在钠钾泵α亚基(ATPα)上,相当于“掐住”钠钾泵的命门。电影《007皇家赌场》里,詹姆斯·邦德就被人下过强心苷。英国著名女侦探小说家阿加莎·克里斯蒂,也让小说里的一位小女孩,死于此毒。
黑色幽默的是,强心苷获名,不是因为毒性,而是因为药性。1785年,英国植物学家威廉·维瑟林发现,观赏植物洋地黄的提取物具有强心作用,里面的主要成分就是它。
毒和药,没有非黑即白。
这也像,当人类欣赏帝王蝶之美,很少会联想到,这是毒的警告。在美国做博士后期间,甄莹就开始研究有毒的帝王蝶。
帝王蝶会把卵产在马利筋上,幼虫以此为食。马利筋属于夹竹桃科,含有强心苷。甄莹的研究发现,帝王蝶的钠钾泵已经产生“变异”,让强心苷无法起效,并且在体内富集马利筋的强心苷。从幼虫到羽化成蝶,它们就这样带着毒物生活,自己也成了毒物,并表现出强烈的警戒色,告诉每一双饥饿的眼睛:
“别碰我。”
帝王蝶一生只吃马利筋,杀不死它的,终使它强大。从演化的角度来看,产生毒性耐受变化的帝王蝶,活了下来。顺带地,帝王蝶也给马利筋授粉。但即使帝王蝶对毒物耐受,当幼虫咬开第一口毒草,依然可能会被涌出的白色乳汁所淹死。
蝶恋花,相爱也相杀。
卵、幼虫、蛹,成虫——帝王蝶变态的一生
© activewild.com
适应性演化的这些变化,被写在基因里,为“破案”提供线索。在北大读本科的时候,甄莹就在实验室接触到拟南芥,从这种模式生物的抗冻性能“入门”,甄莹对演化问题越发感兴趣。后来为此去美国读博,又在普林斯顿和加州洛杉矶分校做了博士后。
作为一个解谜者,甄莹说,最大的神秘,是生命因何而起。这让人想起海德格尔说的,世界为什么是有而不是无,这是哲学的最基本问题。
而演化是一部自然之书,对甄莹来说,亿万年只不过是阅读的尺度。他们的研究,关乎物种演化,也关乎地球生态。在辽阔和细微之间,毒性问题如同被叠加的波峰,又像在赤道上拔地而起,那是乞力马扎罗的雪。
再回到白色的实验室。现在,螽斯的到来,带来了一抹绿色。
不出所料,这厮确实演化出了对强心苷的耐受机制,螽斯肠道里的钠钾泵,也产生了和帝王蝶相似的位点突变。这种现象,被称为趋同演化,不同生命在面对相同毒素的时候,他们最后都采取了相似的策略,像是数学上的最优解。
但是,这位绿先生没有帝王蝶那般情有“毒”钟。钠钾泵的突变,只在螽斯肠道里发现,其他部位并没有。它身体也没有强心苷留存,强心苷只残留在它的粪便里。
这就有点“渣”了,不走心,也不过脑,只让肠道耐受强心苷,并让毒素排出体外。道济禅师那句,酒肉穿肠过,佛祖心中留,倒也适合它。
随后,研究团队检测到了两种螽斯的钠钾泵基因序列,一种对强心苷耐受,一种不耐受,而对强心苷耐受的基因,只在它的肠道表达。这在基因层面解释了它的耐毒机制。
想象一下,它的祖先在演化中产生了应对强心苷的耐受基因,这部分基因作为副本被保留下来,原先的“脚本”也没有被抹去。无为有处有还无,两种极端正在这绿色的身体里共存。
螽斯体内检测到两种钠钾泵α亚基(ATPα1A和ATPα1B)
侦探小说里,毒常常是一个调查线索,而云栖的自然环境也给实验室提供了最初的调查现场。小镇的夏夜,幽暗无人处,常有萤火虫微光点点。
萤火虫是实验室第二位天外来客。
根据文献报道,部分萤火虫也有会毒,即萤火虫毒素,也属于是强心甾类固醇,作用靶点也是钠钾泵,只不过和帝王蝶和螽斯不同,萤火虫是自己产毒。这种“自产自销”的模式,会有何不同?
地毯式搜索,开始。
萤科下面已知有八个亚科,其中国内报道有五个,实验室首先要找齐所有亚科的样本和文献。除了学校附近,离杭州比较近的天目山,丽水的九龙国家湿地公园,深圳的梧桐山,海南的屯昌,都跑遍了。
确认过萤光,是想要交的那一尾 © 甄莹实验室
博士生朱诚棋是此项研究的主要参与者。有一次他和王田雨搭档,去天目山采集。晚上回来没车了,就转辗坐公交回来。深夜巴士在路上穿行,像是一只硕大的萤火虫,到实验室已是午夜。
还有一批样本,是甄莹托亲戚在河南老家采集的。亲戚们热情高涨,对夏夜精灵重生敬意,用新鲜草木搭了窝,欢送它们前往杭州。
然而,这些取样,在回答问题前,却提出了新问题。
原本,实验室想先探究萤火虫对毒素的耐受机制,但是发现八个亚科中,只有一支亚科自身产生强心甾类固醇毒素,萤火虫毒素的起源只能追溯到该亚科的共同祖先中。此前,有假说认为,萤火虫的萤光最初演化是为作为毒性的警戒信号。但研究发现萤火虫毒素的演化远晚于萤火虫萤光的出现时间,显然推翻了这一假说。
另外,尽管它们用萤光来寻找配偶,但这并不能解释其萤光起源,除开萤光能力退化的品种,萤火虫从幼虫,到蛹以及成虫,都可能会发光。
实验室在海南采样 © 甄莹实验室
在萤火虫闪亮的一生中,幼虫是彪悍的掠食者,可以猎杀蜗牛或田螺,向其体内注入消化液,等猎物化作肉糜,再吸食。但破蛹羽化之后,萤火虫性情大变,只吃少量露水和花蜜,一改凶残的本性,阿弥陀佛。
此时,生命还约有七天。
萤火虫为什么要演化出萤光和毒性,目前依然是迷。甄莹团队的研究也还在继续,强心甾类固醇,只是千丝万缕中的一丝一缕。
写到这里,文章即将结束,但演化的故事还在继续。真正迷人的,在谜题之外——
对螽斯的研究,甄莹团队抛出了一个更大的问题。根据基因推测,大概在12000万年前,露螽亚科的共同祖先已经演化出了对强心苷的耐受。但是,夹竹桃科的共同祖先,大约出现在5800多万年前。
相当于,道已经修炼好了,魔却不知何处。
这种被称为预演化的现象,是演化上的巧合吗?还是说,在露螽亚科的祖先生活的时代,已经存在含有强心苷的植物,只是后来灭绝了。如果是这样,夹竹桃科的祖先又是如何隔了6000万年演化出强心苷?
还有萤火虫。
甄莹团队正在怀疑,萤光的起源,可能和氧气有关。萤火虫的祖先,起源在地球氧气最高峰后的低谷,氧气逐步抬升的漫长岁月中。现在我们知道,萤光素和萤光素酶在氧气的参与下发生反应而发光,相当于萤火虫腹部有一个“燃烧”的光源。萤光素也可以被看作是一种抗氧化剂。
也许是萤光素的出现,帮助萤火虫更好地适应了氧气逐渐增多的环境。其实,过量的氧气,本身是一种“毒”。氧气是强大的氧化剂,无法正常消耗的氧容易形成氧自由基,在生命组织中去四处掠夺电子。
地球上最初的生命都是厌氧的,主要依赖化学反应进行能量代谢。从人类的视角看,当时的地球如同地狱,大气和海洋灼热而无氧。光合生命出现后,氧气逐渐增多,生命向适应氧气的方向演化。
而那些生命最早的先行者,绝大部分被氧气毒死,沉入地壳。
所以,当你读到此处时,一呼一吸,其实都是以亿万年为代价,才将曾经的“毒”投入生命之火。
此时此刻,地球那边,也许一只帝王蝶幼虫正在结蛹。之后,它身体的大部分会溶解,重组新生。羽化成蝶,它是否还是那个过去的自己?
已经无暇多想,就在春天,帝王蝶煽动翅膀向北飞行,大致经过四到五代的繁衍,完成四五千公里的迁徙。
直到北半球太阳高悬,夏日已至,帝王蝶如有所悟,产下超级一代——体格更大,寿命是普通代系的八倍,相当于人类生了寿命600岁的孩子。
然后,向南。
好风凭借力,送我上青云,这次,将是一鼓作气。超低的荷尔蒙水平延缓着衰老,拖住死神。体内的生物钟,加上对太阳方位的判断,形成了一套复合的导航系统。靠着热气流,微弱的身躯开始飞跃地平线,到达200米的高度。
终于,帝王蝶回到祖辈出生的墨西哥山谷之中,成片地栖息在树上,寂静如秋叶。无人知晓,为什么是这里。第二年春天,山谷里“黄叶”纷飞,死之将至,轮回重启。那些穿越八千里路云和月的毒素,也将踏上归途。
这纷乱的毒之色,是向死的凝视,也是对生的骄傲。
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