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【论文故事】冻住啪啪啪的果蝇,科学家这是要干嘛?

在刚刚完结的七月新番《没有黄段子的无聊世界》中,为了在信息封锁的世界里揭开“怀孕的秘密”,不破冰果开始了对果蝇交配的观察。此后,果蝇啪啪啪又被教主雪原之青搬上了大礼堂的银幕,借此来给对性一无所知的学生们“开窍”。

截图来自:《没有黄段子存在的无聊世界》

在这里,“果蝇AV”看起来似乎只是荒诞的搞笑元素,毕竟,谁会真的想盯着这些小昆虫的马赛克部位欣赏呢。但其实在生物学界,果蝇交配是个严肃的学术问题,潜心观察果蝇啪啪啪的科学家可不在少数。

前段时间,专攻“果蝇性爱”的一组研究者就进行了一个外人看来丧心病狂的实验:他们在雌雄果蝇共度爱河的瞬间用液氮把它们“速冻”,然后用断层扫描和3D重建技术,把它们交配时的生殖器官内部构造做成了3D模型。报道一出,网友们表示此刻感受到了果蝇情侣不可估量的心理阴影面积,并纷纷感叹“科学家到底是有多蛋疼”。

一对正在交配就被冻住的当事果蝇。图片来源:亚历山德拉•玛泰提供

当然,研究者们这样做,肯定不是因为他们闲得无聊,或者要像FFF团一样消灭情侣。这项研究其实是人类第一次通过直接观察了解了果蝇排卵、受精和产卵的细节。我们能从果蝇啪啪啪中知道些什么?这张3D高清无码图是怎么得到的?果壳科学人对该研究的第一作者、现美国哈佛大学博士研究生亚历山德拉•玛泰(Alexandra Mattei)进行了采访,来看看她怎么说吧。

果蝇:科学家的宠儿

黑腹果蝇在生物学界是一种倍受欢迎的“模式生物”,在过去几十年中,它不断出现在遗传学、基因调控、神经疾病和认知行为等诸多领域。

为什么果蝇备受科学家青睐?一言以蔽之,它们非常适合拿来做试验。用玛泰的话说,“它们体型小巧,生长快速,成本低廉,易于饲养”。果蝇生活周期短而且繁殖迅速,可以让研究者在短时间内获得大量样本,同时进行多项实验。巨大的样本数量也让研究结果在统计学上更有说服力。除此之外,果蝇的染色体数目较少,基因很好理解和操控,“这让科学家在设计实验的时候有了更多选择”。

此外,果蝇的生理、遗传特点其实和人类也有不少相似之处——虽然乍一眼看上去,果蝇和人类一点儿都不像。玛泰介绍说:“我的遗传学教授曾经告诉我们,如果要根据遗传差异来从世界上所有物种里挑出一些典型样本的话,那其实你并不需要刻意区分人和果蝇,他俩中的任何一个都可以作为这一支生物的代表。”它们不单能帮助科学家了解与昆虫和哺乳动物生殖活动有关的基因、蛋白质和分子,也为其他与人类健康和疾病有关的研究提供了宝贵的信息。

玛泰说,果蝇是她的“科学初恋”。她从大学二年级开始,就在康奈尔生物学家玛丽安娜•伍尔夫纳(Mariana Wolfner)的实验室里照顾果蝇,开启自己的生物学研究。果蝇很容易“上手”,而且它们的生命周期就像时钟一样井然有序——我们可以确切地知道从产卵到孵化再到成虫的天数。“因此,我可以根据果蝇的生命周期表,安排课程和实验的时间。” 玛泰认为,计划和时间管理是科学研究的基本能力,而这正是她当年通过研究果蝇学习到的。

近些年来,果蝇在生殖研究领域也大显身手。“研究黑腹果蝇的生殖活动,可以让我们更加了解自己,了解人类的演化历史,还有我们周围的其他生物”。比如科学家发现,果蝇体内的精液蛋白,也同样存在于包括人类在内的几乎所有已经被研究过的生物体内,它们对于这些物种的繁殖来说必不可少。果蝇的生殖研究可以让我们更好地了解人类自身的生殖活动,或许还能帮助我们改善现有的辅助生殖技术。钻研果蝇的生殖活动,还可以帮助科学家研究如何提高授粉昆虫的生殖能力,减少蚊子的数量——它们会传播疟疾、登革热和基孔肯雅病。换句话说,观察果蝇的性生活可不是无聊之举,它能为现实生活中的诸多问题找到新的解决之道。

拍片现场:如何为果蝇拍张3D交配照?

科学家已经知道,生殖活动会让雌性动物出现一系列生理变化,从而增强繁殖能力。在昆虫和哺乳动物体内,精液的某些成分会引起雌性生殖道肌肉收缩、促进排卵、协助精子在雌性生殖道内移动和储存,甚至还能调节雌性交配后的免疫反应。为了了解这些复杂的生理机制,科学家们就希望能够对果蝇交配前后的生理变化进行细致的观察。

但是,想要直接进行观察可不容易。果蝇的体型小巧,但生殖系统的内部结构可丝毫不简单。它由很多不同的功能区域构成,对交配产生反应的时间、方式也各不相同。直接看的话,只能了解到表面信息,而要想深入了解系统中各个部分的反应,用液氮“定格”再3D扫描就是最合适的方法了。

有了观察手段,下面就是设计实验的时间了。研究者依据果蝇的性生活“时间表”,分三个阶段多次用液氮将正在交配的果蝇瞬间冷冻,让它们的身体停留在当时的模样。冷冻之后,研究者会对果蝇进行固定处理,用碘酒染色,再通过断层扫描技术得到多角度的图像。最后他们利用分析软件,对雌性果蝇的生殖系统进行了3D重建,以了解其交配前后和交配过程中的生理变化。

计划听起来很完美,不过在实验中研究者们还是遇到了一些小麻烦:冷冻果蝇们都漂浮在固定剂表面,无法完全浸没。为了解决这个问题,玛泰用自己的头发给果蝇们来了个“捆绑”,把它们成功拖到了离心管底部。

研究者的独创:头发固定果蝇。图片来源:亚历山德拉•玛泰提供

经过种种尝试,研究者们成功观察到了交配前后雌性果蝇生殖系统的细节变化,包括身体里的各个器官如何应对生殖刺激,以及它们如何相互作用。他们发现,交配活动和精液蛋白会在交配过程中弯曲输卵管,在交配结束后疏松和矫直输卵管;交配活动和精液蛋白还会调节子宫的体积、形状和位置。上述种种变化,都有助于果蝇排卵、受精和产卵。

果蝇交配的高清3D影像。视频由亚历山德拉•玛泰提供

研究者还观察到一些有趣的现象。例如在交配的过程中,雄性果蝇生殖器附近的刺状细毛会和雌性阴道入口处的结构搅和在一起,它们用这样的方式来确保合适的交配姿势。

这一切说起来都很轻松,但整个研究项目其实也花费了一年半的时间。研究者需要培育大量果蝇(正常果蝇和有特殊变异的果蝇)用于实验,决定在何时取样最有说服力,最后还得分析不同角度拍摄的大量3D数据。“最重要的一点是,我们必须以毫无偏见的眼光来看待我们得到的图像,不能先入为主,寻找自己期望的结果……必须让图像来讲述自己的故事,告诉我们果蝇在交配和生殖的过程中发生了什么。”(编辑:窗敲雨)

题图来自:《没有黄段子存在的无聊世界》

参考资料:

  1. Mattei, Alexandra L., Mark L. Riccio, Frank W. Avila, and Mariana F. Wolfner. "Integrated 3D view of postmating responses by the Drosophila melanogaster female reproductive tract, obtained by micro-computed tomography scanning." Proceedings of the National Academy of Sciences 112, no. 27 (2015): 8475-8480.
  2. Markow, Therese Ann. "Drosophila reproduction: Molecules meet morphology."Proceedings of the National Academy of Sciences 112, no. 27 (2015): 8168-8169.
The End

发布于2015-09-23, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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