哥倫比亞大學:夏季害蟲還是科學奇跡？
今年夏天，當你粉碎入侵廚房的果蠅時，請花點時間尊重它們。
黑腹果蠅（來源：哥倫比亞祖克曼研究所）
打蒼蠅的季節(jié)到了。您剛將新鮮草莓放在廚房柜臺上，只果蠅就會到達。一排果蠅小伙伴很快就會在戰(zhàn)利品周圍徘徊。
如果您選擇拍打、滑動、拍打、反手或以其他方式追求您的殺蟲傾向，請不要浪費學習時間。你需要做的就是接受那句永恒的格言：了解你的敵人。作為實驗室的主食，果蠅已被證明是生物靈感和關于大腦和身體如何發(fā)育和功能的知識的源泉。
課：果蠅存在的時間比我們長得多——長得多！
有可能的是，您將在您擺脫內部果蠅的熱情中慘遭失敗。這并不是說你不擅長排列你的致命一擊。大約 4000 萬年來，進化一直在磨練蒼蠅微小的大腦、翅膀、感覺系統(tǒng)、肌肉組織和內臟器官。這比我們智人從我們的南方古猿祖先進化而來的時間還要多 3800 萬年。果蠅進入進化學校的時間比人類長得多。
第二課：果蠅在科學界有追隨者。
20 世紀初，哥倫比亞大學遺傳學史上的巨人托馬斯·亨特·摩根（Thomas Hunt Morgan）是早接受這一不知情的科學禮物的研究人員之一。1910 年，在阿姆斯特丹大街的 Schermerhorn Hall，摩根注意到他可以很容易地發(fā)現突變，例如白色的大眼睛，而不是蒼蠅通常的紅色大眼睛。他和他的實驗室伙伴學會了如何將這些物理突變與位于昆蟲染色體上的特定基因片段聯系起來。
從那時起，這些小型節(jié)肢動物一直是深受喜愛和富有啟發(fā)性的研究伙伴。對于我們對遺傳學、遺傳、生物發(fā)育、感官科學、許多疾病和無數其他生物學方面的了解，我們要感謝果蠅。近對果蠅研究界的一項調查表明，估計有 6,000 多名“全球果蠅工作者似乎很保守”。
第三課：果蠅是小胡迪尼。
當面臨威脅時，果蠅幾乎可以立即做出反應。為了做出基本的回避動作，即使在幼蟲階段，昆蟲也必須跟蹤其身體在太空中的位置。這種所有動物共有的身體位置感覺被稱為本體感覺。例如，它可以讓人類在不直視的情況下知道他們的四肢在哪里，并在任何運動中進行微調，比如伸手去拿草莓。
熒光標記揭示了蒼蠅幼蟲的感覺細胞。（來源：格魯伯實驗室；祖克曼研究所）
哥倫比亞 Zuckerman 研究所的Wesley Grueber 博士和他的同事發(fā)現，果蠅中的一組感覺細胞使其能夠在運動過程中跟蹤不同身體區(qū)域的位置。
Grueber 博士指出，當蒼蠅做出那些讓你在廚房里咒罵的航空逃生序列時，類似的細胞和電路可能會啟動。也就是說，除非你巧妙地反手擊碎逃跑的果蠅，否則它們先前華麗的形式和功能結合會變成熵無功能的污點。
第四課：果蠅有 1,600 只眼睛，差不多。
如果你能從被拍過的果蠅的580,000 個左右的細胞中挑選出來，你會發(fā)現至少有 800 個捕光面或小眼，構成了一只果蠅的每只眼睛。您可能還會發(fā)現構成果蠅神經系統(tǒng)的 200,000 個神經元的殘骸，以及它用來觀察世界的電路。
您還將徘徊在 Zuckerman 研究所的首席研究員Rudy Behnia 博士的領域。除其他外，Behnia 博士一直在梳理 構成果蠅色覺基礎的細胞電路和計算。Behnia 博士說：“世界上的光譜信息非常豐富，蒼蠅可以將其用于物體識別”，以及確定中的時間并根據天空顏色的太陽位置線索進行導航。
從你可怕的擊飛平均擊球率可以看出，你的昆蟲敵人知道你的兇手即將到來。該信息來源于果蠅視覺系統(tǒng)中內置的信號延遲電路。如果初的感覺信號在小眼之間發(fā)生變化，就像當你的手在蒼蠅的視野中掃過時那樣，在蒼蠅大腦深處產生的信號模式會攜帶關于你的手移動方向的信息。
現在加上蒼蠅的趨光性，它發(fā)揮了探測和移動紫外線的訣竅，你就有了逃生計劃的神經生物學基礎。“由于自然界中的大多數物體反射而不是吸收紫外線輻射，因此天然紫外線的主要來源是開闊的天空，”Behnia 博士解釋說。這意味著，如果你是一只果蠅，并且你察覺到不祥之兆正在向你襲來，你只需要跟隨那條紫外線到達開闊的天空。
第五課：果蠅做令人費解的數學，全在他們的腦海里。
為了在世界上規(guī)劃它們的路線，并在危險時期逃離軌跡，果蠅使用外部參考點，例如太陽的位置，以及嚴肅的心算。
“蒼蠅正在做三角學，”祖克曼研究所理論神經科學中心的聯合主任拉里·阿博特博士說。“這太不可思議了?！?/span>
蒼蠅的心理計算從表示向量開始，數學箭頭的角度和長度本身代表運動的方向和速度。Abbott 博士和他的同事發(fā)現，果蠅使用大腦活動的波狀模式來編碼這些向量。這些神經波模式的幅度和相位與實際空間中相應向量的長度和角度相匹配。
“蒼蠅執(zhí)行通常在物理入門課程中分配的矢量計算類型，但它們以此類課程中通常不教授的方式執(zhí)行此操作，”Abbott 博士說，并補充說他期待著今年夏天晚些時候的到來，致祖克曼研究所的新同事格溫妮絲·卡德博士。她將研究蒼蠅使用的神經回路，以準確決定采取何種逃避反應，例如，當一只具有威脅性的人手侵犯了它們的個人空間時。
第六課：讓人類長出蒼蠅的基因。
一只蒼蠅包含 50 萬個細胞，分布在 200 多種細胞類型中，并組織成從頭部前部的觸角到后部的毛發(fā)的身體部位。得益于Hox家族中僅有的八個基因：發(fā)育的主要指揮者，這種復雜的身體計劃從受精卵中出現。
熒光標記區(qū)分特定 Hox 基因的幼蟲位置。（來源：曼恩實驗室；祖克曼研究所）
經過多年的研究，另一位研究果蠅的 Zuckerman 神經科學家Richard Mann 博士一直在梳理Hox基因、轉錄因子和許多其他基因和蛋白質如何根據生物發(fā)育的精彩邏輯來協調它們的飛行壯舉. 曼恩博士說，科學家們從果蠅等模式生物中了解到的這種邏輯通常指向人類的類似發(fā)育邏輯。他強調，人類和果蠅的遺傳共同點超出了發(fā)育基因。Mann 說：“在果蠅中也發(fā)現了如此多的人類基因，而且在果蠅中也發(fā)現了大多數人類疾病基因。”
第七課：果蠅是遺傳和細胞音符的交響曲。
Zuckerman Institute 首席研究員Minoree Kohwi 博士從果蠅基因中提取更多生物學見解。她一直在確定發(fā)育基因在生長果蠅的連續(xù)幾代細胞中變得活躍的特定地點和時間。
“把每個基因想象成一個單一的音符：一個音符本身就是一個孤立的聲音，但在正確的時間播放每個音符，持續(xù)正確的時間，你就會得到一首優(yōu)美的交響樂，”科維博士說。
綠色染色顯示成神經細胞，它們是成為神經元的前體細胞，特別是在蒼蠅胚胎的神經索中；洋紅色染色點亮了位于神經索內外的成神經細胞。（來源：Kohwi 實驗室；祖克曼研究所）
她打算回答的一個大問題是：“成千上萬種不同的細胞類型是如何以如此有組織的方式產生的，以允許正常的大腦功能?！?/big>
Kohwi 博士的實驗室正在揭示蒼蠅大腦中許多不同細胞類型的起源，從而幫助揭示她自己大腦中類似細胞多樣性的起源。她的研究通過揭示發(fā)育基因如何以及何時遷移到細胞核內的不同位置，深入挖掘生命的分子基礎。這些遷移調節(jié)特定發(fā)育基因何時活躍以及何時被抑制。Kohwi 博士說，這些開關序列“終決定了在發(fā)育過程中何時可以制造出每種腦細胞類型?！?/span>
擠壓奇跡
很少有果蠅研究人員會三思而后行地用致命的力量保護他們桌上的新鮮水果。但是因為他們對果蠅的奇妙了解，當你聽到thwap的聲音時，你可能會看到他們臉上閃過一絲對蒼蠅的欽佩。
