大自然教給了人們很多東西。近日，《科學(xué)》雜志探討了動(dòng)物、植物和細(xì)菌在面對(duì)稀缺資源、捕食者和其他挑戰(zhàn)時(shí)，如何使用不同的彈性策略生存下去。
再生魔咒
人類應(yīng)該嫉妒蠑螈。人們的再生能力是有限的：骨折、傷口愈合，大部分肝臟可以再生，但僅此而已。但是，一種被稱為“墨西哥行走魚”的大型蠑螈，看起來像一條 20 厘米長(zhǎng)的有腿鰻魚，能夠再生全部肢體，甚至是尾巴，這意味著它能重新生長(zhǎng)脊髓、脊骨和肌肉。
大約有 30 個(gè)研究小組正在探索蠑螈是如何做到這些的。他們發(fā)現(xiàn)，蠑螈不同的組織能合作探測(cè)肢體損失和協(xié)調(diào)再生。在這個(gè)過程中，這種動(dòng)物能激活那些引導(dǎo)在胚胎發(fā)育期間形成結(jié)構(gòu)的基因通路，導(dǎo)致干細(xì)胞分化。
在動(dòng)物王國(guó)中，蠑螈只是具有再生能力的動(dòng)物中的一種。真渦蟲有更強(qiáng)的恢復(fù)能力——在失去 90% 的身體后依然能恢復(fù)。這種 2 厘米長(zhǎng)的水生生物的一小部分就可以再生出大腦、皮膚、腸道和其他所有功能器官。
同樣，干細(xì)胞是關(guān)鍵，而在真渦蟲肌肉中活躍的一組特殊基因會(huì)告訴這些干細(xì)胞做什么，并在正確的時(shí)間激活正確的細(xì)胞生長(zhǎng)和分化。因此，真渦蟲可以幾乎“白手起家”開始重生，而蠑螈只有當(dāng)主體保持完整時(shí)，才可以重生。
今年，研究人員測(cè)序了這兩種物種的基因組，進(jìn)一步研究了其再生能力背后的分子。最終希望：有一天，受傷的人類能進(jìn)行同樣的修復(fù)。
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| 肺炎桿菌 |
偷基因求生
想象一下，一名住院的癌癥患者肺部嚴(yán)重感染。當(dāng)一種強(qiáng)大的抗生素源源不斷進(jìn)入病人時(shí)，肺炎桿菌似乎是注定要失敗的。但它可以部署一種經(jīng)過了數(shù)十億年的恢復(fù)策略：從另一個(gè)細(xì)胞中借用一個(gè)基因，使病原體得以存活。
當(dāng)環(huán)境改變時(shí)，生物體適應(yīng)或死亡。肺炎桿菌和其他細(xì)菌通過從其他地方獲取基因，加速了適應(yīng)過程。這種水平基因轉(zhuǎn)移使這些細(xì)菌獲得了新特性，從在奶酪中茁壯成長(zhǎng)到抗生素抗藥性。
研究人員認(rèn)為肺炎桿菌從另一種尚未被確認(rèn)的細(xì)菌中獲得了它的抗生素破壞基因 blaKPC。帶有這種基因的肺炎桿菌會(huì)產(chǎn)生一種能分解幾種抗生素的酶。
就像自然界的許多恢復(fù)策略一樣，竊取基因也有其代價(jià)。有時(shí)微生物會(huì)吸收有害基因而不是有益基因。就像籃球團(tuán)隊(duì)剛吸納一名新隊(duì)員一樣，從獲得的基因中產(chǎn)生的蛋白質(zhì)可能與細(xì)胞其他蛋白質(zhì)不相吻合。但不幸的是，對(duì)病人來說，肺炎桿菌的策略效果很好：這些細(xì)菌殺死了 40% 到 70% 的感染人群。
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| 地松鼠 |
松鼠的應(yīng)急基金
在南達(dá)科他州大草原上四處奔走，地松鼠會(huì)用狂吃的方式迎接冬天的來臨。當(dāng)一只松鼠在冬眠時(shí)，體重將會(huì)飆升 40%，這要?dú)w功于額外的脂肪。
在干旱、遷徙、寒冷的冬天以及其他挑戰(zhàn)中，生物常常面臨資源匱乏困境。為了解決這一問題，松鼠和其他許多生物一樣，儲(chǔ)存以后要使用的資源。一天之內(nèi)，它能在種子、蚱蜢和其他美味佳肴中獲得超過 2% 的體重。
但這種策略也有缺點(diǎn)。一只矮胖的嚙齒動(dòng)物更容易成為鷹或土狼的獵物。而且，這些應(yīng)急基金也會(huì)提前耗盡。因此，一旦一只松鼠長(zhǎng)到足夠胖，它就會(huì)進(jìn)入冬眠，把能量消耗降低 90%。這時(shí)，它的體溫降至略高于冰點(diǎn)，心率降至每分鐘 5 次，低于通常的 350 到 400 次。
脂肪的堆積需要代謝和行為的調(diào)整。但是，松鼠在某種程度上回避了困擾肥胖人群的健康問題。雖然它發(fā)展出了 2 型糖尿病的一些代謝缺陷，但并沒有生病。到了春天，松鼠會(huì)又瘦又結(jié)實(shí)，準(zhǔn)備重新開始這個(gè)循環(huán)。
野生煙草
植物也能打斗
不像人們有雙腿，植物不能逃避它們不喜歡的東西——但它們?cè)谑艿焦魰r(shí)卻表現(xiàn)出非凡的恢復(fù)力。野生煙草植物是北美地區(qū)一種 1 米高的植物，它能保護(hù)自己不受饑餓昆蟲的侵襲。
這種植物能感知到毛毛蟲唾液中的氨基酸化合物，并通過發(fā)出警報(bào)信號(hào)——即通過其莖和葉發(fā)出的液壓或電脈沖。幾分鐘之內(nèi)，植物細(xì)胞就會(huì)加速產(chǎn)生尼古丁，這種毒素會(huì)干擾動(dòng)物的肌肉功能。
當(dāng)被攻擊時(shí)，野生煙草的一個(gè)葉片就可以產(chǎn)生相當(dāng)于半盒香煙的尼古丁。但是一些毛毛蟲，比如天蛾，已經(jīng)進(jìn)化出了一種讓毒素通過腸道但不吸收它的方式，這就迫使野生煙草挖掘新對(duì)策。這些植物能產(chǎn)生阻礙消化和使毛蟲呆滯的化合物，以能損壞攻擊者口器的粗糙砂輪。
與此同時(shí)，該植物還能通過發(fā)出一種氣味吸引毛毛蟲捕食者，然后發(fā)出化學(xué)信號(hào)引導(dǎo)這些捕食者捕捉已經(jīng)遲鈍的獵物。此外，被圍困的植物還能重定向其資源，推遲開花和生長(zhǎng)，直到毛毛蟲消失。令人驚奇的是，所有這些都不是由植物的中央大腦決定的，而是散布在整個(gè)植物中的決策細(xì)胞。
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| 海鯛 |
魚能切換性別
魚是繁殖恢復(fù)力的主人。在一生中，大約有 450 個(gè)魚類物種能改變性別，以使它們的后代數(shù)量最大化。
魚通過荷爾蒙的變化使它們的器官?gòu)囊环N性別轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N。性別轉(zhuǎn)換的模式因物種而異。大雌魚產(chǎn)的卵比小雌魚要多，因此對(duì)于某些物種，比如小丑魚，最好是在生命的早期階段當(dāng)雄魚，然后再變成雌魚。但是，對(duì)于某些魚而言，雄性為了爭(zhēng)奪雌性或領(lǐng)地而互相爭(zhēng)斗——比如石斑魚、海鯛以及棘鬣魚，雄魚體型過小就意味著沒有后代。因此，這些魚在幼年以雌魚為好。
現(xiàn)在，這種古老的策略允許海鯛等魚適應(yīng)現(xiàn)代的挑戰(zhàn)，這種挑戰(zhàn)也擾亂了性別平衡：過度捕撈。漁民喜歡捕撈個(gè)頭較大的魚。因?yàn)橐环N性別通常比另一種性體型更大，所以更容易被捕撈。但研究人員發(fā)現(xiàn)，海鯛已經(jīng)準(zhǔn)備好了。
為了使雄魚體型不要過大，一些雌魚會(huì)更早出現(xiàn)性別變化，因此兩性的平衡被保留下來。盡管如此，研究人員表示，這只是一種短期策略，而非長(zhǎng)期解決方案。這一趨勢(shì)也意味著海鯛后代數(shù)量的減少。
無論如何，這種恢復(fù)力策略使魚類能夠繁衍后代，但它們不能完全靠自己拯救自己。