南极章鱼的“御寒内功”

撰文/大慧小惠

南极章鱼的“御寒内功”

撰文/大慧小惠

有科学家宣称：生活在南极海域的章鱼拥有改变自身基因的能力以适应恶劣的生存环境。

被冰雪覆盖的南极大陆是地球上最寒冷的地区。南极海域随处可见漂浮着的巨大冰山。在南极的冬天，浮冰面积可达1900万平方千米，即使到了夏天，其面积也有260万平方千米之多。生活在南极海域的章鱼终年生活在寒冷的冰水里，既没有企鹅那样的厚实羽绒服，也没有独角鲸那样的肥厚脂肪，那么它们是如何抵御极地的严寒呢？分子神经生理学家罗森塔尔·约书亚及其弟子，首次从分子遗传、表观遗传学的角度，揭示了章鱼能够在零下几十度低温中生存的奥秘。

一切缘起于一次大胆的假设

之前的研究已经表明，低温会阻碍神经系统内传送信息的特定蛋白质。当一个神经元受到刺激的时候，胞膜上的蛋白质通道会开启或者关闭，以使不同的离子进出。当细胞膜上的跨膜电位恢复正常后，使钾离子流出的离子通道关闭。然而，寒冷的温度会延迟钾离子通道的关闭，阻碍了神经元再次产生兴奋的能力。

关于生活在南极海域的章鱼能够抵抗严寒这问题，罗森塔尔教授这样假设：它们的钾离子通道的基因会因环境而进化，转变成一种在低温下活性更高、略微有所不通过的跨膜蛋白。这些生活在南极海域的章鱼利用RNA编辑的方式，使得神经系统内的蛋白质适应环境。而经过修饰的钾离子通道，能使这种章鱼在寒冷环境中具有更高的活性。

小贴士

RNA，即核糖核酸，是一种重要的生物大分子，因分子由核糖核苷酸组成而得名。

RNA是具有细胞结构的生物的遗传讯息中间载体，除了参与蛋白质合成外，还参与基因表达调控。每个RNA分子都由核苷酸单元长链组成，每个核苷酸单元含有一个含氮碱基、一个核糖苷和一个磷酸基。

对一部分病毒而言，RNA是其唯一的遗传物质。

对比实验验证了之前的假设

为了验证这种假设是否能成立，教授精心挑选了两组章鱼来进行对比实验。一组来自于终年漂着浮冰的南极海域，生活在寒冷刺骨的冰水中；另一组则来自于阳光灿烂的波多黎各，生活在25～35℃的暗礁上。有意思的是，这两组章鱼的生活环境虽然大相径庭，却有着基本一致的DNA序列。

当实验开始时，目的基因被插入到青蛙的卵细胞中，卵细胞制造出了目标蛋白质，实验人员将目标蛋白质嵌合进它们的细胞膜上。这个操纵步骤很重要，因为它能够测定出每个物种膜蛋白通道的活性。当两组章鱼的钾离子通道被蛙卵制造出来后，功能是完全相同的。在正常情况下，南极章鱼的钾离子通道关闭速度要比波多黎各章鱼的慢60倍。这意味着它可能无法正常生存，可事实是这种章鱼仍能安然存活。由此可以推断出：处于不同的生存环境时，它会制造出不同的钾离子通道。

那么，来自南极海域的章鱼是如何保持钾离子通道的兴奋性呢？罗森塔尔教授认为它是通过RNA编辑的方式，生成了适合低温的特性蛋白质，以保持钾离子通道正常闭合。

细胞先通过转录DNA模板产生RNA，并将其作为产生蛋白质的蓝图，进而制造出携带有DNA序列信息的蛋白质。在RNA编辑的过程中，细胞修饰了RNA核苷酸序列，从而改变了后来蛋白质的氨基酸序列，再改变蛋白质功能。

后续的研究揭示出，这种章鱼确实在9个位点修饰了它的RNA序列，从而改变了钾离子通道的氨基酸序列。这些位点的其中之一就在第I321V位，这对于适应寒冷非常重要，因为这个变化将钾离子通道的关闭时间提高了1倍以上。

为了使实验的数据更严谨，罗森塔尔教授也测定了其他种群的RNA编辑数量，实验对象中2个来自热带种群、2个来自温带种群、2个来自极地种群。实验的结果均验证了“种群生存的环境温度越低，它们越可能在第I321V位进行RNA编辑”的结论。

章鱼是“基因大师”的意义很重大

罗森塔尔教授不仅证实了“这种生活在南极海域的章鱼确实能通过RNA编辑的方式，来帮助自己更好地适应环境”，也揭示了生物适应环境的新途径，即生物可以利用重写 RNA，而不是改变 DNA来适应环境。

当然啦，相关研究目前还只是开始而已，后续研究还得解决诸如“是否RNA编辑够改变种群的表型”等一系列亟需解决的问题。不过他的研究已经引发了诸如“其他生活在极端环境中的动物们，是否也是能够改变基因以适应环境的‘基因大师’”的猜想。

或许随着基因技术的发展，人们会发现其实最环保的节能方法就是修改人类自身RNA以适应环境。设想一下，在未来冬天里，人类不再把自己裹得像只粽子似的，也不需要极其耗能的空调，该是多么有趣的事儿啊。

小贴士

基因不仅在功能上多种多样，在结构上也是五花八门。人类对于基因的认识，也仍在不断的进步中。因此，想要给基因下一个非常准确并永远适用的定义是不可能完成的任务。

就目前所掌握的知识，基因可以定义为“能够表达出一个有功能的多肽链或功能RNA分子的核酸序列”。其中“RNA分子”指的是rRNA和tRNA，“核酸序列”主要指DNA。对于RNA病毒来说则指染色体RNA。