为什么章鱼会有将寿命限制仅几年的基因锁,为何限制如此之短,若无此锁,章鱼是否真会代替人类成地球霸主?
更新于:2025-04-15 10:13:19

感谢@匪鱼nonfish @何忧何惧 的邀请

哈哈哈哈哈哈 这是一个非常不错的问题

完整展示了流行文化和错误的碎片知识如何误导读者。并形成几乎完全错误的认知。

1.前言

作为沿海居民,章鱼是一种十分常见的美食。我前几天刚吃过章鱼腿炒蒜薹。

从渤海、黄海、东海到南海,头足类(Cephalopod)中的蛸类动物都是备受人们喜爱的食物。它们通常肉质饱满、鲜嫩,入口劲道有脆感,常见于各地餐桌。

由于头足类不同物种肌肉纤维排列方式不同,在烹饪时候也会采用不同的手法。

以鱿鱼(squid)和章鱼(octopus)为例来进行对比。

这些可爱的小家伙儿使用外套膜(也称胴体部)排水来进行反方向推进,因此它们的胴体部有坚实的肌肉。这也是除腕之外很重要的可食用部位,胴体部外形可以简单划分成圆润、短粗和细长三种,这也是头足类动物形态分类的主要依据。

章鱼(也称蛸)的胴体部通常是圆润的,其肌肉组织发达,由两层纵肌和位于其间的横肌组成。通过纵肌纤维和横肌纤维的收缩与扩张,来完成运动、捕猎和进食等基础生命活动。

其中横肌占比是最高的,横肌中又存在环肌和放射肌。

鱿鱼胴体部通常是细长型,也被称作“笔管”。肌肉组成与章鱼类似,但其内部的胶原(collagen)更加丰富,并且胶原纤维在多种肌肉内呈网状分布。这使得鱿鱼的肌肉更加紧实。运动能力更强一些。

两种不同的肌肉结构造就了不同的烹饪方式,章鱼通常简单烹饪,而鱿鱼则会整体烧烤或者制成鱿鱼丝。

当我们谈到这里的时候,我们需要将“章鱼”这个概念明确一下。

虽然很少人这样做,但是超广义的“章鱼”会被看成除鹦鹉螺(Nautilidae)以外的所有头足类动物。这种观点并不常见。

公众传播中的章鱼大多数是下图中的octopoda。外形上来看是八条腕,胴体圆润,没有肉鳍的可爱小家伙。

如果具体到物种来看

在国内市场上,最常见的章鱼是中华蛸(Octopus sinensis)、短蛸(Amphioctopus fangsiao )和长蛸(Octopus variabilis)。

而在一些流行的个英电影中,最常出现的章鱼是真蛸(Octopus vulgaris),这是最常见的章鱼,俗称为普通章鱼。

本文将采用蛸类动物叙事,也就是那些胴体圆润,只有八条腕的头足类动物。

2、章鱼基因简述

题目中出现的“基因锁”字眼一直让我很困惑。我好像从来没听说这种表述啊。研究寿命、生死相关的不是应该称作衰老生物学或者死亡学(Thanatology)吗?

后来我使用了搜索引擎,发现这原来是一种小说设定,假定个体拥有一切超能力相关的基因,某天突然机缘巧合或者修炼到一定程度,就开启了一些超能力。就像“打通任督二脉”这种描述,是一种科幻设定,并没有现实依据的浮萍臆测。

事实上在2023年12月,一组来自欧洲的科学家已经对真蛸(Octopus vulgaris)进行了完整测序,发现其基因组由28亿对碱基构成[1]。2022年对扁船蛸(Argonauta argo)的测序结果[2]显示,它的基因组大小为1.1Gb,也就是11亿对碱基。

分子生物家们对头足类基因组的探索还处于早期的阶段,曾经有科研小组对三种头足类基因组进行了比较[3],它们分别是 长鳍近海鱿鱼(Doryteuthis (Loligo) pealeii )、加州双斑蛸( Octopus bimaculoides )和夏威夷短尾鱿鱼( Euprymna scolopes)。

结果发现长鳍近海鱿鱼基因组为4.6GB,远超人类基因组的3Gb。要说明的是,物种基因组大小并不与物种的复杂程度相关,这种现象被称作C值悖论。就像本文之前提到的,蛸类动物之间,基因组也存在较大的数量差异。

研究估算章鱼在2.75亿年前与十腕总目产生分化,而头足类动物基因组的变化与脊椎动物有着极大的区别,它们也经历了剧烈的变化,同样发生了大规模重排,但并没有经历基因组复制。这让它们的基因组看起来有些混乱,也让研究人员迷惑。不过研究人员还是发现了几百个头足类独有的基因,也发现原钙粘蛋白相关的基因异常扩增。

蛸类动物最显著的特征是可以通过酶对mRNA进行编辑,将特定的腺苷(A)转化为肌苷(I)。从而使静态的DNA可以表达出不同的蛋白质。这些编辑位点被划分为神经编辑位点和泛在编辑位点,而神经系统内的编辑位点更加活跃。

也许这种编辑mRNA的能力经历了不靠谱的传播,最终演变成章鱼可以改变自己的基因。

可能章鱼的单次繁殖机制让很多读者以为这是“基因锁”,雌雄章鱼在繁殖行为后会死亡,雄性被雌性吃掉,雌性也会在产卵并守护孵化一段时间后死亡,期间可能会伴随自残行为,并且在孵化完成前死亡。

对这种程序化死亡的研究目前停留在生理层面,有研究[4]表明,章鱼的视腺(optic glands)在这个过程中发挥了重要作用。不过把视腺切除后,章鱼也仅能多活四个月。

在正常繁育的章鱼中,对比繁殖与未繁殖的章鱼,发现至少有三条生化途径产生了变化,其中一条是产生孕烷类固醇,这应该是正常的生殖反应。第二条产生胆汁酸中间体。

最后一条产生7-脱氢胆固醇(7-DHC),它大概是导致章鱼自残的元凶。

7-DHC的过度累积是有害的,人体中如果7-DHC还原酶缺失,则会患上Smith-Lemli-Opitz综合症。表现为发育迟缓、智力障碍、小头或并指。7-DHC可能导致了雌性章鱼的自残。

这种繁殖方式有一定的生态意义,避免了成体与幼体进行资源竞争。这最终由基因来调控,不过具体的机制需要进一步研究,这可能并不能被视作“基因锁”,而是残酷的自然选择让使用这种方式的章鱼留存下来,因为“性食同类”这种机制也会出现在部分螳螂和蜘蛛身上。

3、章鱼的肌苷修饰

高中生物学知识告诉我们RNA里有A、U、C和G四种碱基。但生物体内的大分子存在修饰机制,RNA上有一百多种化学修饰,其中一种被称作肌苷修饰,也被称为A-to-I编辑,A-to-I编辑会改变碱基配对特性,A-U配对转变为I-C配对,从而改变所编码的氨基酸,最终影响新合成的蛋白质。

这种编辑在高等真核生物中是常见的,例如人体B细胞中tRNA的肌苷修饰可以更高效地产生抗体[5]。头足类动物的肌苷修饰更引入注目的原因是——在它们体内,这种修饰常见且活跃,也更容易产生影响最终蛋白形态的编辑。

一些研究人员认为这种编辑mRNA来增加蛋白多样性的能力使得蛸类动物的进化变得缓慢。因为这种编辑能力并不能影响章鱼的遗传物质(DNA),也就是说章鱼并不能改变自己的基因。

目前的研究表明[6],这种编辑机制让章鱼可以适应环境的变化。当温度降低的时候,章鱼体内的RNA编辑百分比上升,最终产物Synaptotagmin-1蛋白和Kinesin-1蛋白都会产生影响功能的结构性变化,温度降低时,Kinesin-1蛋白的运动特性会变发生改变,移速变慢,但移动距离更长;而Synaptotagmin-1蛋白与 Ca^{2+} 离子的亲和力也会产生降低[7]

该研究表明温度诱导的RNA编辑可以改变关键蛸类动物神经元蛋白的结构和性能。有趣的是,蛸类动物的RNA编辑更多的发生在神经系统内,且神经系统内的编辑也更容易重构蛋白质。

目前分子生物学对章鱼的RNA编辑仍处于早期阶段,就目前的研究成果来看,这种编辑机制产生的现实效果也许与受冻大白菜水解大分子为小分子糖来抗寒是一样的。

4、角石与掘足纲

对角石的古生物研究,是建立在形态结构上的。而在现实世界中,有一些生物外形与角石十分类似。它们是掘足纲(Scaphopoda)软体动物,俗称角贝。

这些角贝主要生活在潮下带以及更深的海域中,且是穴居。因此并不广为人知。

由于造型奇特,对它们的生物分类有两种观点,一种被叫做Diasoma假说,该假说认为掘足纲与双壳纲是姐妹群,但是对比对比形态结构和解剖特性,掘足纲可能与头足类是姐妹群。也有研究[8]对比了不同物种的神经形态结构,支持这种观点。

可以看出其神经系统与头足类动物的神经系统类似,左右各一对神经并汇聚在一起。

不过最近的系统发育研究[9]表明,掘足纲与双壳纲是姐妹群。

我们可以看到,关于现生生物的分类依然困难重重,更不要提房角石与章鱼的关系了,古生物学的研究方法通常有极高的局限性。得出的结论也很难被明确证实。

5、结语

在一些有极大影响力的漫改个英电影中,章鱼被视为图腾,然后在公众中广泛传播,并由此引发了良莠不齐的信息爆炸。对章鱼的科学研究也被大范围传达给公众,这些碎片化的知识让读者根据自身阅历得出许多奇怪的结论。

现实生活中,章鱼并没有显示出极高的智商,也无力反抗人类的捕捞,不过它们可以被视作最为发育的无脊椎动物,对它们进行分子生物学研究或许可以观赏到不同的生物进化场景。

如果想要正确地认识世界,读一些基础的自然科学知识或许更为合适。