三个基本法则

由“自身不育“的生物工程鱼所想到的!吃了生殖细胞都没有的东西,我们的生育能力是否有影响?。在中国,不孕不育的夫妻正在增多。据政府部门和媒体在2018年10月报道,中国人口协会的调查显示,中国的不孕不育者已经超过了5000万,中国育龄夫妇的不孕不育率从20年前的3%攀升到近年的15%左右(甚至是20%),这个上升率之快令人惊叹。据公开的统计数据看,2018年我国不孕不育率达12%-15%,100人中就有15人(或者是20人)不育,国家卫健委也发布数据称,不孕不育者达5000万,可能还有未统计到的数据,这数据比一般小国的人口还多,并且不孕人数还在不断增加。有专家指出,导致不孕约有50%是男性因素,40%为女性因素,另外还有10%是共同因素或不明因素。

尽管水母看上去可能是水中的流浪者,但它们并不是漫无目的地在海洋中漂流。相反,一项最新研究发现,水母能感知水流并且逆流而上。

软体动物真是巧妙的建筑师,坚固耐用而又不失美观的贝壳正是它们为自己建造的房子,保护自己柔软的肉体免受风吹雨打或遭到捕食。在这些贝壳当中,不少有着引人注目的复杂形状——被分形的棘或其他东西装饰着的对数螺旋体,所有这些都几近完美地遵守着数学规则。当然,软体动物并不懂什么数学,让研究者感到惊奇的是,这些低等的生命体却能如此精确地构建出无比错综复杂的结构,它们到底是怎么做到的?

2018年网上流传《一切不能自留种子的农业模式,都没有存在的价值》一文,文中诉说着杂交水稻的种种不是,刻意去验证“中国人的生育能力急剧下降”与杂交物种“因为生殖细胞不发育,不具备生育能力,……吃这样的食物也就必然导致我们失去生育能力。”听起来似乎觉得也有一些道理,只不过现在是”科技是第一生产力”为主流观点,该文并不受待见,不过,任何事务有利就有弊这是铁律,是不以我们的主观愿望为转移的。

为测量它们的动作,科学家在法国沿海水域将一个加速计系在巨型桶水母身上,并且把该数据同在船上获得的目测数据结合起来。研究人员日前在《当代生物学》杂志网络版上报道称,在静止的水中,水母会朝着所有方向游动。但当有潮汐时,多数水母会顺着潮汐游动,或者逆流而上。

在过去的100多年里,科学家已经意识到,细胞、组织和器官与世界上的其他事物一样,都遵循着同一套物理法则。不过,20世纪的大多数生物学家都将研究重点放在了基因上,想理解基因编码如何指导生物模式的产生,以及弄明白这些生物模式有什么功能。近几十年来,研究人员逐渐开始用以物理学为基础的数学模型,解决与生物形态相关的问题。在这个方向上,我们过去数年的工作为贝壳如何形成提供了一些有趣的见解。

(杂交水稻)

探测并对水流作出反应并非易事,迁移的海龟和鸟类通常会被流动的海水甩出它们的航线。研究人员并不知道水母是如何做到的。当接近海面游动时,水母可能会通过整个身体探测身边的水速变化,或者它们可能利用诸如地球磁场的变化等外部信息。而且,在对大群水母同海洋潮流作战的计算机模拟中,虚拟的水母形成了由几百只到几百万只水母组成的群体,类似于野外见到的水母潮。

微分几何学是数学中研究曲线和面的一个学科,通过这门学科,我们了解到,软体动物在构建自己的家时,只需遵循几条数学法则,就能产生有着精美形状的贝壳。这些法则和贝壳生长时受到的机械力相互作用,就产生了无数种不同的贝壳形状。我们的发现有助于解释,在最大的软体动物类群腹足纲中,众多支系是如何独立演化出棘等繁复的生物特征。对这些不同的生物来说,不需要经历相同的基因变异也能获得相似的装饰形状,因为物理法则决定了很多事情。

本文重点要说的这条鱼,是自上世纪末(可追溯至1979年10月)就有生物工程鱼(主要有鲫鱼和鲤鱼)以来,有品种在2002年通过国家水产原种和良种审定委员会优良品种审定通过并推广普及。对生物工程鱼最初定义是“不繁殖后代、专为人类贡献蛋白质”的工程鲫和工程鲤。生物工程鱼的来源很复杂,也有杂交的因素在里面,它是人工干预运用细胞工程和有性杂交相结合的生物工程技术而培育出来的三倍体新鱼种(类),运用细胞工程远源杂交育成的(鲤或鲫)鱼类因为染色体是单数,不能减数分裂,故而没有生殖能力。该类鱼有一个共同特征大致是:似鲤似鲫又非鲤非鲫,似鲫非鲫,象鲤非鲤,两性不育。目前主要有三倍体工程鲫鱼和三倍体工程鲤鱼这两个品种,这和骡子相同,即有马和驴子双亲的优点,虽然不育但更有比双亲体力好,耐力强的杂交优势。

该项研究可以帮助科学家预测水母潮出现的位置。而水母潮会阻碍渔业作业,阻塞发电厂进水口,并且毁掉游客在沙滩上的美好一天。

三个基本法则

(骡子)

软体动物的贝壳由外套膜来建造:在贝壳开口或壳口处,外套膜这个又薄又软的器官一层层地分泌一种富含碳酸钙的物质。要形成螺类等腹足纲动物特有的螺旋状贝壳,仅需要遵循三个基本法则。

生物工程鱼的最大特点和优势是有鲤鱼(比鲫鱼)的生长优势,并且还自身不孕不育(严重一点说就是”绝育”)的特点,正因为没有孕育性腺发育从而减少消耗营养物质促使长势迅速的工程鲫与普通鲫鱼(自身要繁育需要消耗营养物质来影响生长性能)相比就优势很多,但是,这个“自身不育”生物生理现象是否对人类有影响,至今还没有人去注意。

法则一是扩张:通过均匀地沉积比之前更多的物质,软体动物就能不断制造出比先前略大的开口。在这个过程中,最初的圆形开口变成了圆锥体。

(生物工程鲫)结合近些年的情况,人类不孕不育和到了一定年龄阶段隐性不孕不育(原来是须”结扎安环”才会避孕,现在多数人到了一定岁数后在非绝经期也自然无育了)的概率大增,是否这些高科技生物技术”产品”和人类的这些”败育”有关,目前虽是未知数甚至还是耸人听闻,但仍可以值得去关注和慎重。我们可以这么肤浅去理解:这工程鱼也分雌雄两性,也有少量卵粒产生但都是死卵,也有精液发生但又是死精,表明体内或许有”杀精灭卵”的物质存在,我们吃了它是否有”害”?目前是不得而知的。

法则二是旋转:通过在壳口一侧沉积较多的物质,软体动物就能在最初的壳口的基础上,完全旋转一周,得到一个像甜甜圈或圆环体的贝壳。

(非生物工程鲫的良种鲫鱼)

法则三是扭转:软体动物会使其壳口的沉积位点发生旋转。通过扩张和旋转,你能得到像分室鹦鹉螺那样的平面螺旋贝壳。加上扭转,贝壳的形状就会变成数学上所描述的一种非平面螺旋体。

当然,专家们当然不会这么说,本身人们不孕不育的原因很多,比如:药物,食品,污染,遗传基因,等等有关,殊不知,生物工程鱼的遗传基因也等同于或者就是“绝育”基因,另外,生物工程鱼也是食品,人们吃了它也会吸收或转化。或许,有些事情可能又会拿另外的东西来背”锅”,这和原来曾经专家们大力推广孔雀石绿(举例而已)治疗鱼病相似,但在几十年后的今天又是这一批(些)专家们又提出禁用,唉!可又拿养鱼户来背黑锅了!当然,“亡羊补牢”也是好事。

装饰的形成

生物工程鲤(鲫)

对于一些贝壳建造者来说,故事到这里就已经结束了,它们的居所已经如此整洁、美观。而对于其他建造者,这种居所还需要更多装饰。为了了解棘等装饰结构是如何形成的,我们必须考虑贝壳生长时产生的力。实际上,贝壳的分泌过程是在一种特殊的机械系统中进行。外套膜通过所谓的生成区与贝壳连接,而生成区是由外套膜分泌的、尚未钙化的物质构成。正是外套膜和贝壳之间的相互作用,才使贝壳得以具有各种形状。

我在2016年就对该类型鱼种(类)的”自身不育”因素在人们食用后是否影响人们的”孕育”生理功能,提出过质疑,仅仅是一些想法而已。但是,“不怕一万就怕万一”,犹如上例所言很多年前还是政府推广或允许使用的药物,可在很多年后的现在却又成了禁用药,如有违用甚至还会去坐牢呢,因此,就怕”一切皆有可能”,当今食品这么丰富,可以不必要去刻意去吃这些东西为好

壳口和外套膜之间的任何不匹配都会对外套膜组织本身造成压迫。相较于壳口,如果外套膜太小,它就必须伸展才能贴着壳口。相反,如果外套膜太大,它将不得不压缩自己以适应壳口。因此,如果生成区由于这些压力发生了形变,那么外套膜此时分泌的新的成壳物质将按照这种变形,永久性地固化在贝壳上,并进一步影响外套膜的下一个生长阶段。从根本上来说,只要贝壳的生长速率与软体动物本身的生长速率不完全一致,变形就会发生,形成那些我们称之为装饰或壳饰的特征。

作为养殖人本不应该对本行业的事情(特别是负面的)说三道四,并且还可能带来一定的负面影响和行业冲击,我可能讲的都是错的,但这都是我自己的真实想法而已!因此,本文仅是交流而已,权当饭后闲谈。

棘是贝壳上最显著的一类装饰,一般相对于贝壳壳口方向垂直地向外伸出,通常突出贝壳表面数厘米。伴随着外套膜的爆发生长,这些突起物也就周期性地形成。在一次爆发生长中,外套膜生长得太快以至于长度超过了壳口,无法再与壳口对齐。这时,外套膜就会略微弯曲,它分泌的成壳物质也会跟着弯曲。在下一次爆发增长中,外套膜进一步生长并再次超过壳口,进而将弯曲放大。我们推断,正是反复的生长过程与机械力相互作用,最终形成了贝壳上的一系列棘,并且这些棘的具体样式主要由外套膜的爆发生长速率和外套膜的刚度决定。

(刘文俊 2019年10月7日)

数学模型印证生长模式

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为了检验这一想法,我们开发了一个数学模型来描述外套膜的生长,其中外套膜的生长基础在每次生长过程中都会增加。当我们用典型的生长模式和材料特性进行试验时,模型得到了各式各样的棘,与人们在真实的贝壳上观察到的形状非常相似,因此验证了我们的假设。

棘可不是软体动物有可能往它们贝壳上添加的唯一一种装饰。已灭绝的菊石是今天头足类动物的近亲,人们在它的贝壳化石上发现了另一种壳饰。菊石曾统治海洋长达3.35亿年,约在6500万年前灭绝。除了拥有平面对数螺旋形的贝壳,菊石最显著的特点就是具有与贝壳边缘平行、有规则的肋。这种壳饰的产生机制可能与棘一样,源于生长过程与机械力的相互作用,只不过两者的形状完全不同。虽然作用力一样,但力的大小和几何环境不一样。

菊石的壳口基本呈圆形。当外套膜的半径比此时壳口的半径大,外套膜将会受到压迫,但这种程度的压迫又不足以产生棘。在这种情况下,受到压迫的外套膜向外延伸,使得后面长出来的贝壳半径增加。但与此同时,外套膜的向外运动又会受到正在钙化的生成区的抵抗,后者就像是一个扭力弹簧,保持贝壳的生长方向。

我们猜测,这两种力的拮抗作用形成一个振荡系统:贝壳的半径增加,降低了外套膜受压迫的程度,但当贝壳半径超过外套膜时就对后者产生了张力;“被拉伸”的外套膜开始向内生长以减少张力,并因为超过贝壳半径再次受到压迫。对这种“形态机械振子”的数学描述证实了我们的假说:在软体动物的生长期间,波长和波幅的增加产生了有规律的肋。另外,这些数学模型预测的结果与已知的菊石形状非常吻合。

同时数学模型也预测了,软体动物的壳口半径增加的越快,贝壳上的肋也就越不明显。这可以解释为什么贝壳越弯曲,它的肋就越明显。壳口扩张速率和肋形成之间的关系,也从机械力学和几何学角度,解决了软体动物演化研究当中的一个长期未解之谜:至少从2亿年前开始,分室鹦鹉螺及其近亲——鹦鹉螺科动物,就有着非常光滑的贝壳。一些观察者认为,这个类群显然从那时开始就没怎么演化了。事实上,现今存活的几个鹦鹉螺科动物经常被看作是“活化石”。但是,生物物理学生长模型显示,鹦鹉螺科动物身上的光滑贝壳,纯粹是壳口快速扩张的结果。鹦鹉螺科动物身上实际发生的演化,可能远比它们的贝壳形状表现出来的多。

直到现在,对于软体动物如何构建出令人赞叹的住所,我们还有很多需要研究的地方。比如说,约90%的腹足纲动物都是“右旋的”,即以顺时针旋转的方向构建它们的贝壳,只有10%是从左开始构建贝壳。科学家才刚刚开始研究这一右手螺旋盛行现象背后的机制。另外,还有一些精致壳饰的由来仍然无法解释,就像骨螺科的很多物种身上的分形样棘。作为研究自然界形状产生的模式生物,海洋软体动物身上的贝壳还有很多秘密,对机械力控制贝壳发育的发现,更是增加了贝壳研究的魅力。

(来源:环球科学公众号)