【转】 把藻类注射到蝌蚪体内，靠光合作用为大脑供氧｜iScience

 把藻类注射到蝌蚪体内，靠光合作用为大脑供氧｜iScience

科研圈

2021年10月27日18:01科研圈官方账号

来源 细胞出版社

青蛙在水里和陆地上过着“双城”生活，它们一生中会使用很多呼吸技巧——借助鳃、肺和皮肤。

现在，德国科学家已经开发出另一种方法，通过将藻类引入蝌蚪的血液为其提供氧气，从而帮助蝌蚪“呼吸”。10 月 13 日，发表在细胞出版社（Cell Press）旗下期刊《交叉科学》（iScience）上的这种方法，能提供足够氧气有效地拯救缺氧蝌蚪大脑中的神经元。

论文通讯作者、慕尼黑大学的 Hans Straka 说：“藻类实际上产生了大量氧气，可以让神经细胞恢复生命。对许多人来说，这听起来像科幻小说，但这只是生物学方案和生物学原则正确结合的结果。”

Straka 当时正在研究非洲爪蛙蝌蚪大脑的氧气消耗情况，一次与植物学家的午餐谈话激发了他将植物生理学与神经科学结合起来的想法：利用光合作用的力量为神经细胞提供氧气。

这个想法似乎并不牵强。在自然界中，海藻和谐地生活在海绵、珊瑚和海葵中，为它们提供氧气甚至营养物。为什么像青蛙这样的脊椎动物没有这种“帮手”呢?

为了探索相关可能性，研究小组将绿藻（衣藻属）或蓝藻细菌（聚囊藻）注入蝌蚪的心脏。随着心跳，藻类缓慢地穿过血管，最终到达大脑，将半透明的蝌蚪变成了明亮的绿色。照射在这些蝌蚪身上的光线促使这两种藻类向附近的细胞泵出氧气。

在使藻类分布到大脑后，研究人员将蝌蚪的头部分离出来，放入一个含有必要营养物质的“氧气泡泡浴”中，这些营养物质能保存细胞功能，从而使研究小组监测头部神经活动和氧气水平。

当研究人员消耗掉“泡泡浴”中的氧气时，蝌蚪头部的神经停止活动并陷入沉寂。然而，用光照射该头部后，在 15 到 20 分钟内，神经活动重新启动，这比在没有海藻的情况下补充氧气要快两倍。恢复的神经也表现得和缺氧前一样好，甚至更好，这表明研究人员的方法是快速和有效的。

“我们成功地证明了这种方法十分可靠和强大。”Straka 说，“当然，这并不意味着你最终可以应用它，但这是启动其他研究的第一步。”

虽然研究人员认为，该发现可能会在某一天为中风或缺氧环境（如水下和高海拔）引发的疾病带来新疗法，但藻类还远没有准备好进入人体血液循环。研究小组计划观察注入的藻类能否在蝌蚪体内存活，并在不引起宿主有害免疫反应的情况下继续生产氧气。

Straka 还表示，该研究将对其他研究分离组织或类器官的实验室有帮助。引入产氧藻类可以让这些组织茁壮成长，并提高它们的存活率，潜在地减少对活体动物的需求。

“你必须有新想法去探索，这也是推动科学发展的方式之一。”Straka 说，“如果你思想开放、思考仔细，突然之间，你就能从一个想法中看到所有的可能性。”

论文信息

【标题】Green oxygen power plants in the brain rescue neuronal activity

【作者】Suzan Özugur, Myra N. Chávez, Rosario Sanchez-Gonzalez, Lars Kunz, Jörg Nickelsen, Hans Straka

【期刊】iScience

【时间】October 13, 2021

【DOI】https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.103158

【链接】https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(21)01126-3

【摘要】Neuronal activity in the brain depends on mostly aerobic generation of energy equivalents and thus on a constant O2supply. Oxygenation of the vertebrate brain has been optimized during evolution by species-specific uptake and transport of O2that originally derives from the phototrophic activity of prokaryotic and eukaryotic organisms in the environment. Here, we employed a concept that exploits transcardial injection and vascular distribution of unicellular green algae or cyanobacteria in the brain of Xenopus laevis tadpoles. Using oxygen measurements in the brain ventricle, we found that these microorganisms robustly produce sizable amounts of O2upon illumination. In a severe hypoxic environment, when neuronal activity has completely ceased, the photosynthetic O2reliably provoked a restart and rescue of neuronal activity. In the future, phototrophic microorganisms might provide a novel means to directly increase oxygen levels in the brain in a controlled manner under particular eco-physiological conditions or following pathological impairments.

蝌蚪变成青蛙，除了去尾长腿，还要……

发布时间：2020-09-27

出品：科普中国
制作：李成 （中国科学院成都生物研究所）
监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　“变态（abnormal）”这个词已经被我们用滥了，它用来指代一切看起来不正常、不合理的事物和行为，用来骂人似乎更入木三分。然而，您了解科学意义上的“变态（metamorphosis）”吗？想要了解科学意义上的变态，我们还要从动画片《小蝌蚪找妈妈》说起。

变态=改变形态

　　小蝌蚪游啊游，见到动物就喊妈。很奇怪，小蝌蚪为什么不认识自己的妈妈呢？因为小蝌蚪和它们的妈妈（青蛙）长相太不一样了（图1），科学家将这种在成长过程中，娃娃和妈妈形态差别很大的现象称为“变态”，意思是变了个形态。

　　

　　图1 饰纹姬蛙的蝌蚪（左，王守红摄）和成体（右，李成摄）

　　很多动物在发育过程中都有变态过程，但该现象主要存在于昆虫和两栖动物中。胖胖的蛹变成美丽的蝴蝶，水里的蝌蚪变成陆上的青蛙，都是典型的变态过程。我们主要说说两栖动物的变态。

　　两栖动物分为3个目，在我国都有分布（图2）。无足目主要分布在热带地区，我国只有1种；有尾目主要分布在温带地区，我国有79种；无尾目则分布在除南极洲之外的所有大陆，我国有395种。从物种数量和分布地域上看，无尾目无疑是两栖纲动物中从水到陆进化最成功的类群。

　　

　　图2 无足目（左：版纳鱼螈，姚锦仙摄）、有尾目（中：文县瑶螈，李成摄）、无尾目（右：经甫树蛙，李成摄）

　　无足目和有尾目动物在变态过程中，形态变化很小；而无尾目动物在变态过程中，形态则会发生明显改变。绝大多数无尾目动物的生活史分为3个不同的阶段：卵、蝌蚪和成体（图3）。无羊膜卵孵化成蝌蚪，类鱼的蝌蚪通过变态成为青蛙，从水生生活方式转变为陆生生活方式，从水生草食动物转变成陆生食肉动物，获得了陆上生活的能力，拓展了分布范围，增强了对各种环境的适应能力。所以，变态对于无尾目动物来说，具有十分重要的意义。

　　

　　 图3 无尾目动物的三阶段生活史示意图 （图片来源：作者自制）

蝌蚪如何变成青蛙

　　那么蝌蚪是如何获得从水到陆的能力的呢？在蝌蚪变态为青蛙的过程中，它们的口和肠、眼、肺、心和足都发生了哪些变化呢？

　　刮食变吞食，吃草变吃肉：蝌蚪也有牙齿吗？有，蝌蚪的牙齿叫唇齿，在光学显微镜下面看，就像一根根的针，放在电子显微镜下面看，像一排匕首。唇齿似乎太细了，咬软的食物没问题，碰到硬的食物怎么办？蝌蚪有办法，它准备了角质颌，就像尖头的锤子，可以敲击坚硬的食物。虽然在电镜下看起来很大，实际上，蝌蚪的唇齿和角质颌都是十分微小的，蝌蚪主要以植物性食物为主（图4）。

　　

　　图4 蝌蚪的口、角质颌及唇齿（李成摄）

　　我们知道像牛、羊等食草动物都有很长的舌头、特殊的胃和很长的肠子，蝌蚪也是这样吗？实际上，蝌蚪的舌还没有完全发育，仅有一个舌原基（图5）；也没有胃，在胃的位置有一个口凹（stomadeum）；起消化功能的是螺旋形的肠子（图6）。

　　

　　图5 舌原基（李成摄）

　　

　　图6 蝌蚪的肠子（李成摄）

　　变态发生后，蝌蚪的唇齿和角质颌都消失了；下颚拉长，口腔扩大；舌肌发达，舌成为主要的捕食工具；胃发育，大到甚至可以容纳整只蝗虫；螺旋状的肠变粗短，由植物性食物为主演变为动物性食物为主。

　　视野定向变为全向：蝌蚪生活在水中，眼睛不突出，几乎与体表平行；没有眼睑，不会眨眼；因为在水内没有眼睛干涩的问题，所以瞬膜和泪腺等湿润眼球的结构也不发育。变态后，眼睛凸出，上下眼睑、瞬膜及泪腺发育（图7）；这些结构可以保护眼球避免干燥，是陆地生活必须的。而且，大大的眼睛扩展了青蛙的捕食范围，捕获猎物的精准度也高。

　　

　　图7 蝌蚪的眼（左，斑腿树蛙，李成摄）和青蛙的眼（右，黑斑侧褶蛙，李成摄）

　　呼吸水中氧气变为呼吸空气：人是用肺呼吸的，肺不能从水中吸收氧气，所以人是容易溺水的。蝌蚪也在水中，怎么解决这个难题呢？刚孵出的蝌蚪有明显的外鳃（图8），过几天，外鳃消失，内鳃发育，水流经过内鳃交换氧气，通过体侧的出水孔排出（图9）。蝌蚪通过鳃完成在水中的呼吸任务。变态后，肺发育完成，就能够交换空气中的氧气。

　　

　　图8 外鳃（峨眉树蛙，李成摄）

　　

　　图9 出水孔（峨眉齿蟾，李成摄）

　　可是，青蛙受惊后，跳入水中，为什么还能蛰伏好久呢？它们的肺能交换水中的氧气吗？当然不能。青蛙的肺构造比较原始，还不能负担全部的呼吸作用，还必须依赖于皮肤呼吸，皮肤下面的毛细血管丰富，是辅助呼吸器官；青蛙潜入水中，就是依靠皮肤呼吸交换水中的氧气，可以在水下待几分钟到十分钟不等，时间一长，还要浮上水面，依靠肺呼吸。也就是说，青蛙有2套呼吸系统，肺呼吸和皮肤呼吸，以肺呼吸为主，一般情况下，皮肤呼吸能承担10%的需氧量；而在冬眠状态下，皮肤呼吸可以承担90%的需氧量。

　　为了支持肺呼吸，蝌蚪的心脏还由一心房一心室的单循环，通过变态，转变成青蛙的二心房一心室，血液循环成为不完全的双循环，以支持肺呼吸。

　　从游泳变为走路：蝌蚪不仅样子像鱼，运动也像鱼，肌肉发达的尾巴提供推力，上下或左右摆动，推动蝌蚪前进。蝌蚪变态时，由于牙都掉光了，不能吃任何食物了，这时候，蝌蚪就会分泌酶消化尾巴，以提供蝌蚪变态所需的能量。变态完成后，蝌蚪的长尾巴就没有了，尾杆骨发育，同时形成五趾型四肢。青蛙在慢速运动时，3肢用力，呈侧体起伏的波浪状前行（图10）；在快速运动时，以较长的跗骨跳跃前进（图11）。

　　

　　图10 爬行（峨眉树蛙，李成摄）

　　

　　图11 游泳或跳跃（高原林蛙，李成摄）

　　总体来说，蝌蚪变态过程中的形态变化，适应了成体登陆后的需求，显示了从水到陆的进化趋势。当然，蝌蚪变态还会经历表皮细胞层数增加，皮肤色素沉着，原肾消失，中肾发育，骨化增强，颅骨重塑，侧线系统的丧失等等过程，这些变化都是为青蛙适应陆地生活而服务的。从蝌蚪的变态发育中我们可以感受到，生物登陆是一项多么庞大的工程，让我们对生命又平添了一层敬畏。

主要参考文献：

1. Lynn WG. 1961 Types of Amphibian Metamorphosis. American Zoologist, 1(1): 151-161.

2. Vitt LJ, Caldwell JP. 2009 Herpetology. An introductoty Biology of Amphibians and Reptiles. Academic Press.

3. Duellman WE, Trueb L. 1986 Biology of amphibians. McGraw-Hill Book Company.

4. 江建平，谢锋，李成，王斌. 2020 中国生物物种名录，第二卷，动物. 脊椎动物. ，两栖纲。北京：科学出版社，1-129。

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