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第26章 动物学家的故事(26)

斑马鱼因体侧有像斑马一样纵向的暗蓝与银色相间的条纹而得名,是一种典型的亚热带水观赏鱼类。斑马鱼体长仅3厘米,1升水里可以容纳上百条、饲养起来很容易。此外,斑马鱼很容易鉴别雌雄而且它的胚胎是透明的,人们可以清楚地看到它的内脏、血管和神经的发育变化。正是由于这些特点,斑马鱼引起了美国俄勒冈大学著名遗传学家乔治博士的注意,这位热带鱼爱好者在20世纪70年代初开始研究斑马鱼的养殖方法,观察其胚胎发育过程。经过近10年的研究,乔治博士的研究组于1981年发表了第一篇具有深刻影响的论文。在这篇论文中,他们报导了斑马鱼的体外受精等许多新技术,接着,又报导了斑马鱼的卵裂特点,不同时期胚胎中细胞的发育命运等,并发现斑马鱼脑中的许多神经元的排列简单而有规律。另外还有科学家发现,斑马鱼的脑部神经元较为简单和可预测。这些研究成果证明了斑马鱼适合用做模式动物。

现在我们已经知道,斑马鱼的基因与人类基因的相似度达到87%,这意味着在其身上做药物实验所得到的结果在多数情况下也适用于人体。此外,雌性斑马鱼可产卵200枚,胚胎在24小时内就可发育成形,这使得生物学家可以在同一代鱼身上进行不同的实验,进而研究病理演化过程并找到病因。

正是通过在斑马鱼身上进行的实验,生物学家发现,包括人类在内的一些脊椎动物之所以产下奇异的双头幼仔是两种基因活动紊乱造成的。令人惊奇的是,这种生活在热带的鱼还能够“再造”被部分切除的器官,从而为从事修复受损脊髓的研究人员打开了方便之门。目前,斑马鱼的使用正逐渐拓展和深入到生命体的多种系统的发育、功能和疾病的研究中,并广泛用于遗传学、肿瘤学、药物学、毒理学等诸多方面。

在药品研发等方面,每年有很多新药进入临床或者临床前阶段,它们是否对人体有害需要进行全面科学的安全评价。“实验新星”斑马鱼再次担当重任,斑马鱼胚胎和幼鱼对有害物质非常敏感,同时用药简单,只需将药物放入养殖胚胎的水中或快速注射,用药量少、测试周期短。而且通常斑马鱼产卵数量大,测试的样本数可以很多,这样一来,可以确保统计学意义上的显著性与数据的可靠性。同时,早期的安全评价还可以评估药物对多种组织器官的伤害程度。因此,可用于测试潜在药物对生物体的毒性评估。此外,科学家们还发现,斑马鱼也是检测水污染程度的优良物种,因为转基因斑马鱼可以根据污染物浓度的变化而发出可看到的荧光。

随着研究的深入,斑马鱼在人类科学史上的地位已不可撼动,这位实验动物中的新星将和那些推动人类进步的科学家们一道永载史册。

在生物科学的发展历程中,模式动物发挥了重要的作用。海胆等低等动物模型的出现催生了现代受精生物学、发育生物学;果蝇模型的建立大大推进了遗传学和发育生物学的进展;线虫模型对基础和应用生物学产生了巨大的推动作用。目前,斑马鱼和非洲爪蟾是最常用的两种模式低等脊椎动物。

海绵的妙用

谁都知道,若在沙发上垫衬一块人工制造的海绵,坐上去会感觉格外柔软舒适。但你知道吗?最早的海绵是从海里发现的。由于它柔软得像棉花,所以取名海绵。

生活在海水中的海绵,多数是灰黄色、褐色或黑色的块状物。假如你是第一个从海里发现海绵的人,你能一眼就断定它是动物还是植物吗?估计不大可能。因为若说它是动物,却看不到它有什么器官和很确定的组织,也看不见它会动;若说它是植物,又不具有植物的明显特征。对这个问题科学家们一直争论了2000多年,直到人们发明了显微镜以后,才看清了它的庐山真面目。那以后,科学家们确认它是动物,并在动物家谱中给它安排了一个合适的位置,叫做海绵动物门。经过仔细研究,人们发现海绵的种类真不少,竟有一万多种,是动物界中的一个庞大家族。

古希腊人、古罗马人和我国古代劳动人民很早就认识和采集海绵动物,特别是浴用海绵,网孔细、弹力强、吸水性好,可以用于洗澡擦身、洗碗等,后来又在工艺、医学和日常生活方面展现了越来越多的广泛用途,如做油漆刷子,用作钢盔的衬垫和其他垫子,烧成灰能治疗脚痛等。

海绵的再生能力特别强,不用说把它撕成小块,就是把不同颜色的海绵放在一起磨碎,用不了多久又会形成许多不同颜色的新海绵。在地中海、红海和美洲沿海等地,人工养殖海绵动物业十分发达,人们将海绵切割成块,用绳系在架上,投入海中,2~3年就可收获大批海绵了。不过,随着人造海绵业的发展,已经使得海绵动物养殖业日趋衰落。但是随着科学技术的不断发展,人们又发现了海绵动物新的价值。

海绵上的每个小孔都是进水孔,都通到体内一个公用的腔里。腔就像一个瓶子,上端是共同的出口,这是海绵的滤水系统。小孔的壁上是领细胞,细胞有鞭毛,鞭毛一起摆就把水从小孔吸进去,经过公共腔,再由出口排出去。在水下停的流动过程中,水中的微小食物颗粒就被领细胞捕捉住吞噬掉,同时水中的氧气也被吸收。如果在水族箱里养有海绵,在水里滴一滴红墨水或黑墨水,不一会儿就会看到海绵的出水口像海底喷泉一样喷出带色的水流。海绵滤水的效率是很高的,一个10厘米高的海绵每天能过滤225升海水。由于海绵具有降解海水污染物的能力,也展示了其在海洋污染方面的应用价值。近年来,已经有科学家提出“海绵生物技术”的概念。

科学家还发现海绵体内的毒素可以用来制药,治疗肿瘤、心血管和呼吸系统等疾病。目前,海绵是发现海洋活性物质最丰富的海洋生物,已经成为海洋药物开发的重要资源。此外,美国科学家已经确认了一种生长在黑暗的海底深处的海绵体可以产生细细的玻璃纤维,这种纤维能够至少像通信工业使用的光纤电缆一样传输光能。这种天然产生的玻璃纤维还较之人工制造的光纤电缆更有柔韧性。

可以预见,随着科学技术的发展,海绵在海洋药物、海洋生物材料、海洋环境保护中将发挥重大作用。

海绵动物门也称多孔动物门,是最原始、最低等的多细胞动物。多孔动物的外形变化很大,除少数种类外,往往没有对称面,在许多方面与低等植物相似,海绵就被称为“海中的花和果实”。

蜘蛛丝变“生物钢”

在希腊神话里,蜘蛛是一位纺织巧匠的化身。的确,蜘蛛是自然界产丝和用丝的“专家”,它们一生都离不开丝,称得上是一流的纺织家。在普通人看来,恼人的“蜘蛛网”只是“灰尘”,需要“一扫了之”。但在科学家的眼里,柔弱的蛛丝,却和人们的生活密切联系在一起。

人类利用蜘蛛丝始于1909年,在第二次世界大战时蜘蛛丝曾被用作望远镜、枪炮的瞄准系统中光学装置的十字准线。随着研究的深入,人们逐渐了解了蜘蛛丝的组成成分、特性并开始大大拓展其用途。

蜘蛛丝是一种骨蛋白,在体内为液体,排出体外遇到空气立即硬化为丝。如果仔细看,你会发现在蜘蛛网上的蜘蛛,它的身体不容易晃动,就是因为蜘蛛丝中含有一种特殊的分子结构,能使蛛丝富有弹性,很容易克服摆动。蜘蛛在结网时,顺序上是先结直丝,再结横丝。直丝有如整片网的骨架,因此强度高。横丝上附有黏球液体,用以粘住比自己身体还大的昆虫,并抵消昆虫的撞击力。国外的科学家通过实验比较发现,蜘蛛网直丝的弹性度只有30%,而横丝的弹性度高达200%,并且蜘蛛丝可以延伸到原长的10倍,而尼龙一旦延展到原长的20%就会发生断裂。人类想把这些优良的性能集中在同一种纤维上是十分困难的,而蜘蛛却做到了。

科学家们注意到了蜘蛛丝非同一般的性能。近年来,美国、加拿大的科学家已经成功地合作开发出人类有史以来比钢还坚硬四五倍的“生物钢”——“人造基因蜘蛛丝”。他们通过将蜘蛛身上抽取的蜘蛛丝基因植入山羊体内,使山羊奶含有蜘蛛蛋白,然后经过特殊的“纺线程序”,把山羊奶中的蜘蛛丝蛋白纺成“人造基因蜘蛛丝”。研究人员称,这种被他们冠名为“生物钢”的人造蜘蛛丝有蚕丝的质感,有光泽、弹性极强,它比钢铁坚硬却又柔软无比,集坚韧与结实于一身,可被广泛地用来柔软的防弹衣,以及极不易磨损的衣物等。如果进一步加以开发,未来可能制成有如晾衣绳粗细的高性能人工蜘蛛丝“蜘蛛网”,更可拦截战斗机。研究人员还特别指出,人造基因蜘蛛丝比目前用来制造防弹衣的纤维材料的韧力还要高出两倍,而且这种“生物钢”的生产流程非常环保。制造防弹衣的纤维材料需要在高压下进行,配以有毒的硫酸才能造成;而“生物钢”只需要在正常室温和压力之下,加入水和蛋白质即成。目前,美国、加拿大科学家已打算大量生产这种人造蜘蛛丝。与此同时,他们也在对目前已开发成功的“生物钢”作进一步的科学改进,以达到未来强度更高的产品。

蜘蛛丝纤维优良的性能也引起了医疗卫生行业的注意,由于蜘蛛丝是天然产品,又由蛋白质组成,和人体有良好的相容性,因而可用作高性能的生物材料,用来制造人工筋腱、人工韧带等人工器官。此外,它还可用作眼外科和神经外科手术的特细和超特细生物可降解外科手术缝合线。专家们相信,人造蜘蛛丝将在未来几年内,逐渐在医学领域扮演重要角色。

天然蜘蛛丝主要来源于蜘蛛结的网,产量非常低,而且蜘蛛具有同类相食的个性,无法像家蚕一样高密度养殖。所以要从天然蜘蛛中取得蛛丝产量很有限。随着现代生物工程发展,用基因工程手段人工合成蜘蛛丝蛋白是一种新突破,不久有可能形成具有一定规模的人工蜘蛛丝纤维生产厂。

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