一只水母 + 一只水母 = 一只水母？

出品：科普中国

作者：苏澄宇

监制：中国科普博览

编者按：为解码生命科学最新奥秘，科普中国前沿科技项目推出“生命新知”系列文章，从独特的视角，解读生命现象，揭示生物奥秘。让我们深入生命世界，探索无限可能。

2023年，在城仓圭美国海洋生物实验室里，科学家注意到水箱里有一个与众不同的栉水母个体。

图1 与众不同的栉水母个体

（图片来源：Mariana Rodriguez-Santiago）

它的体型比其他栉水母都大，而且它竟然有两个嘴！城仓圭推测，它是不是由两个受损的栉水母在不经意间合体而成的？

淡海栉水母（Mnemiopsis leidyi），也称为海核桃，是一种广泛分布于大西洋和黑海的浮游生物，以其透明的身体和发光的栉板而著称。它们的身体呈椭圆形，约为手掌大小，通体透明，带有微微的彩虹色光泽。

图2 淡海栉水母

（图片来源：ocean）

栉水母身体两侧有八排纵向排列的栉板，由许多纤毛组成，当这些纤毛摆动时，会折射出美丽的彩虹光。它们的顶端有两个感官器官，称为顶器，用于感知水流和重力。它们通过栉板的摆动进行游动，看起来就像在水中发出光芒。

为了验证合体的观点，研究人员从不同的地点、不同的时间采集了十只淡海栉水母，并将这些个体分为多组进行实验。每组由两个个体组成，科学家们切下它们的部分叶状结构，并将这些切割的叶片对接在一起，然后用解剖盘固定过夜。

第二天，当科学家们检查这些个体时，他们惊喜地发现其中有九组成功融合，它们的切口边界已经逐渐消失，上皮和中胶层完美地连接在了一起，仿佛它们从未被分开过。整个合体过程大约持续了12到18小时。

神经系统竟然也融合在了一起？！

在合体后，科学家们对这些栉水母进行了进一步观察。为了验证它们是否真的合二为一，研究团队对其中一个叶片进行了机械刺激，整个融合体都表现出了惊吓反应，轻微地颤抖了一下，这意味着两个栉水母的神经系统也实现了整合。

图3 受到刺激的合体水母

（图片来源：Kei Jokura）

这种惊吓反应是一种典型的神经反射，由栉水母的神经网络控制。当一个叶片受到刺激时，信号通过神经网络传递到整个融合体，导致全身的肌肉收缩和反应。这表明，融合后的神经系统已经有效地协同工作，使得两个原本独立的个体能够作为一个整体进行反应。它们不再是两个独立的个体，而是一个共享信息的整体。

为了更好地了解融合过程，研究团队进行了延时成像。在最初的一小时内，两个栉水母的叶片运动是完全不同步的，但令人惊讶的是，在一个小时后，它们的运动逐渐同步了。两小时后，95%的叶片运动已经完全同步，仿佛它们心有灵犀。

图4 图中显示了六次独立移植实验中叶片同步率的变化情况。

灰色线表示单次实验的结果，蓝色线表示平均值。可以看到，在移植开始后的最初20-40分钟，同步率较低，但随着时间的推移，同步率显著提高，在 100-120分钟时达到95%，这说明融合后的栉水母逐渐实现了生理和行为的同步。

（图片来源：文献1）

这种现象让人联想到一些科幻作品中的神经同步设定，如角色们通过神经网络实现共享意识和协同作战的设定。

消化系统也融合在了一起！

不仅是神经系统，研究人员还想看看它们的消化系统是否也发生了融合。

研究团队给合体后的栉水母喂食了带有荧光标记的卤虫，并通过显微镜观察食物颗粒的移动。有了荧光标记，科学家可以在显微镜下清晰地看到食物颗粒的运动路径，验证两个消化系统是否真正实现了功能上的整合。

图5 图中展示了标记为荧光的卤虫颗粒在栉水母消化系统中的移动情况

（图片来源：文献1）

卤虫（Artemia）是一种小型甲壳类动物，体型通常只有几毫米长，大约和一粒米差不多大小，与人类食用的虾类有一定的亲缘关系。它们属于同一大类的甲壳纲，但体型较小，通常不会直接作为人类的食物。栉水母以浮游生物为食，卤虫正是它们的典型食物来源之一。

科学家们惊讶地发现，食物颗粒能够在两个消化系统之间传递，从一个个体的消化道进入另一个个体的消化道，说明它们的消化系统也是功能上整合的。

图6 研究人员通过观察荧光标记的卤虫如何在这些管道间流动，证明了两个栉水母个体在合体后，消化系统也实现了功能上的整合。

（图片来源：文献1）

然而，研究人员也发现，两个肛门的排泄时间并不同步，这表明某些功能仍然是独立的。也许这是融合初期的迹象，或者是它们保留了一部分各自的独立性，以应对不确定的环境变化。

淡海栉水母可能无法进行异体识别

城仓圭的研究团队意识到，淡海栉水母可能缺乏一种叫做“异体识别”的机制。对于大多数动物来说，异体识别是一种保护机制，它们可以用来识别和排斥“非自我”组织，以防止被外来个体侵占。

在人体器官移植的过程中，正是因为存在这种强烈的异体识别机制，人体的免疫系统会将移植的器官视为“外来入侵者”，从而产生免疫排斥反应。这也是为什么人类在进行器官移植时需要非常匹配的供体，以及在手术后需要长期服用免疫抑制药物，以防止排斥反应的发生。

但是栉水母似乎没有这种能力，这也许是因为它们在自然环境中不太可能与其他个体长期保持紧密接触。自由生活的栉水母更关注如何在广阔的海洋中独自生存，因此它们进化出了更为简单的“合作”机制，而非拒绝机制。

不止栉水母，其他生物也能“合体”

其实，不止栉水母，在自然界中，有许多其他生物也展示了类似的合体现象。

管水母就是其中之一。世界上最大的巨型管水母（Praya dubia），其长度可达到约46米，比蓝鲸还要长。

图6 管水母

（图片来源：Smithsonian Magazine）

它实际上并不是单一的个体，而是由无数个叫做“水螅体”的小型生物组成的群体。这些水螅体各司其职，共同组成了完整的生物体。每个水螅体都有特定的功能，例如捕食、消化、繁殖或运动。这些不同的水螅体互相合作，维持着整个群体的生存。

另一个就是我们所熟悉的海绵。海绵是一类非常古老的生物，它们也具有融合的能力。在2016年的研究中，科学家发现，当两个基因相近的钙质海绵（Clathrina aurea）个体接触时，它们的细胞可以相互融合，最终形成一个更大的个体。

图7 钙质海绵

（图片来源：oeco）

研究发现，海绵具有一种原始的免疫系统，可以用来识别“自己”和“非自己”（基因是否相同），从而决定是否进行融合。这种异体识别机制与人类的免疫排斥反应相似。通过这种方式，海绵能够扩大自己的生存空间，同时维持遗传上的同质性。这种融合策略有助于它们更好地适应环境。

回到我们的栉水母，它们是现存后生动物中最早分支的一类，它们的神经网络与其他动物截然不同，但却能实现复杂的行为整合，这为我们提供了关于神经系统如何演化的宝贵线索。

在自然界中，合体不仅是生物间的巧妙协作，更是生命进化中的奇迹之一，它展示了生命如何通过合作而非竞争，突破个体的局限，获得更大的生存优势。

（注：文中拉丁文部分应为斜体）

参考文献：

1. Jokura, Kei, et al. "Rapid physiological integration of fused ctenophores." Current Biology 34.19 (2024): R889-R890.

2. Padua, André, et al. "Fragmentation, fusion, and genetic homogeneity in a calcareous sponge (Porifera, Calcarea)." Journal of Experimental Zoology Part A: Ecological Genetics and Physiology 325.5 (2016): 294-303.