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化学与地位

了解小龙虾的尾部翻转如何揭示受社会互动和神经生理学影响的统治行为。

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当小龙虾争夺统治地位时,打斗可能非常凶猛。一名战斗者通常会试图压制另一名,暴露其柔软的腹部,并用撕裂的、类似龙虾的爪子将其肠子取出。地位最高的小龙虾可以优先获得食物和最好的岩石缝隙来躲藏,但它也必须时刻警惕身后的动静。它主要的防御技巧之一就是“尾部翻转”——这是一个爆发性的、反射性的尾部摆动,能推动小龙虾在水中快速游开,远离任何可能悄悄靠近它的篡位者。结果表明,地位高的小龙虾比它们的下属更擅长尾部翻转。

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但据佐治亚州立大学的神经生物学家唐纳德·爱德华兹(Donald Edwards)称,擅长尾部翻转的甲壳类动物并非天生如此,而是后天形成的。爱德华兹和他的研究生叶世荣(Shih-Rung Yeh)发现,小龙虾的神经系统中存在与社会地位变化(升高或降低)相关的变化,这些变化导致了尾部翻转能力的改变。爱德华兹说:“基本上,小龙虾的神经系统正在改变,以适应其新的环境。这就是令人兴奋的部分,而且这是前所未闻的。他解释说,这是社会互动首次被证明直接影响动物的神经生理学。”

小龙虾可以说是所有动物中神经回路被理解得最好的动物,这就是为什么爱德华兹和叶世荣多年来一直在研究它们。爱德华兹说,当小龙虾尾巴上的毛发弯曲时——就像一只小龙虾悄悄靠近另一只时一样——就会触发尾部翻转。弯曲的毛发会刺激动物腹部控制尾巴的神经细胞。为了避免不必要的翻转——比如当动物蹭到岩石时——神经细胞有一个刺激阈值,低于这个阈值它们就不会放电。血清素(serotonin)会提高或降低反应阈值,它会与每个神经细胞表面的受体分子结合。血清素已知会调节从甲壳类动物到人类的各种动物的攻击性和抑郁行为。

在小龙虾身上,爱德华兹和叶世荣发现,血清素似乎就是导致优势动物具有攻击性而劣势动物具有抑郁性——至少在尾部翻转方面是这样。研究人员将两只小龙虾配对放在水族箱中,让它们争夺统治地位。12天后,研究人员杀死这些动物,取出它们的腹部神经,并将血清素施加到神经末梢。然后,他们用电极刺激神经末梢,模拟小龙虾尾部毛发弯曲的情况,并测量通过神经传输的电脉冲。爱德华兹说:“优势动物的反应大幅增强,而劣势动物的反应则大幅下降。血清素显然降低了优势小龙虾触发尾部翻转所需的刺激阈值,却提高了劣势小龙虾的刺激阈值。”

这些结果乍一看似乎表明,优势动物只是天生对血清素有攻击性反应,而劣势动物则没有。但是,当爱德华兹和叶世荣解剖那些被赶下顶位的优势动物时,他们发现血清素减弱了曾经占优势的动物的尾部翻转反应,尽管它曾经增强过这种反应。这向爱德华兹和叶世荣表明,当小龙虾改变其地位时,它的神经系统也会以某种方式发生变化,从而改变动物对血清素的反应。

为什么同一种化学物质会对小龙虾产生如此截然不同的影响?已知许多动物,包括人类,在神经细胞上拥有不同种类的受体,可以与血清素分子结合。事实上,爱德华兹和叶世荣最近发现了证据,表明小龙虾至少有两种类型的受体——一种通过增强触发尾部翻转的神经反应来响应血清素,另一种则通过抑制神经反应来响应。可能增强型的受体在优势动物中占主导地位,而在劣势动物中抑制型的受体占主导地位。这些不同的受体究竟是如何被开启和关闭的,是爱德华兹和叶世荣接下来的研究目标。爱德华兹说:“我们研究的重点将是试图理解神经系统如何适应统治地位的变化。这应该广泛适用于整个动物界,包括人类。”

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