神奇！斑馬魚 “聞” 出水體咸淡
斑馬魚是研究魚類感知水體咸度的理想材料。
圖源：https://www.flickr.com/photos/thierrymarysael/5546556947
撰文 | 張婉瑩
責編 | 計永勝
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眾所周知，魚是離不開水的。對于魚來說，鹽度水平是環(huán)境是否宜居的關(guān)鍵因素。日常生活中，我們就籠統(tǒng)的把魚分為淡水魚和咸水魚。
陸地動物和海洋哺乳動利用它們的味覺系統(tǒng)來識別食物和液體中離子濃度的高低。我們通過飲一口就知道液體的咸淡。那么，你知道魚是如何感知所處水體的鹽度水平的嗎？
2月22日，哈佛大學分子與細胞生物學系教授克里斯蒂安·埃雷拉（Kristian J. Herrera）團隊在《當代生物學》（Current Biology）發(fā)表文章稱，斑馬魚幼魚可以通過嗅覺系統(tǒng)感知水體中鹽（NaCl）的濃度梯度，進而避開高鹽環(huán)境 [1]。
“該項研究揭示了斑馬魚幼魚感知水體鹽度的感覺系統(tǒng)和逃離高鹽環(huán)境的行為策略，提供了進一步研究這種不尋常的化學感受系統(tǒng)的關(guān)鍵線索和可能出現(xiàn)的難點?！?加州大學圣迭戈分校神經(jīng)生物學系教授馬修·洛維特·巴倫（Matthew Lovett-Barron）在同期《當代生物學》雜志發(fā)表評論指出 [2]。
該研究所使用的斑馬魚是一種體長5厘米左右的熱帶魚，原產(chǎn)于喜馬拉雅山南麓的印度、巴基斯坦、孟加拉和尼泊爾等南亞國家，也是生物學研究中常用的模式生物。印度和孟加拉國的恒河小支流水質(zhì)偏軟，離子含量很低，但在旱季，局部水域的鹽度會急劇升高。而斑馬魚可依靠自身對水體鹽度的感知能力向適宜區(qū)域巡游，得以存活。因此，斑馬魚就成為研究魚類感知水體咸度的理想材料。
在該研究中，科研人員首先讓斑馬魚幼魚在特定的 “泳道” 自由游動。與普通“泳道”不同，某些 “泳道” 中水的NaCl濃度呈梯度變化。有趣的是，與無鹽 “泳道” 相比，NaCl “泳道” 中的斑馬魚幼魚離高濃度區(qū)域遠遠的，并且長時間停留在低濃度區(qū)域，以遠離高鹽危險環(huán)境。
圖1. 斑馬魚幼魚通過感知水體鹽度梯度來避開高鹽環(huán)境。（圖源：參考文獻[1]）
以上結(jié)果和我們在大自然中觀測到的現(xiàn)象一致。那么，到底是哪些部位的神經(jīng)參與了斑馬魚幼魚對高鹽環(huán)境的感知呢？
隨后，研究人員將斑馬魚幼魚頭部固定后置于顯微鏡下進行鈣成像觀測，以確定感受鹽度梯度的神經(jīng)細胞的部位。
圖2. 斑馬魚嗅覺系統(tǒng)。（圖源：參考文獻[3]）
結(jié)果顯示，嗅覺系統(tǒng)（包括嗅上皮、嗅球和后端腦）中的神經(jīng)元和側(cè)線（魚類和水生兩棲動物所特有的感覺器官）神經(jīng)元對NaCl刺激的反應最為強烈和持久。更有趣的是，研究人員用硫酸銅溶液抑制了側(cè)線神經(jīng)的反應后，斑馬魚幼魚的嗅覺初級中樞嗅球對NaCl依舊有反應。這說明斑馬魚幼魚的嗅覺系統(tǒng)，尤其是嗅覺信號的輸入在感知水體鹽度變化過程中角色更加重要。
圖3. 斑馬魚幼魚嗅覺系統(tǒng)對感知鹽度變化至關(guān)重要。（圖源：參考文獻[1]）
鈣離子信號成像的方法讓科研人員大致知道了斑馬魚幼魚響應NaCl濃度梯度的神經(jīng)所在的部位。但到底對NaCl敏感的神經(jīng)元是由什么驅(qū)動的呢？
科研人員用更加精確的雙光子顯微鏡對神經(jīng)元進行了觀測。結(jié)果有點出乎意料，研究人員統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)只有不到5%的神經(jīng)元對實驗所用濃度的NaCl有反應。并且，不管是將NaCl換成KCl還是NaI，這一小撮神經(jīng)元的反應性并沒有發(fā)生明顯變化。研究人員推測，這種神經(jīng)元的敏感性是由鈉離子和氯離子驅(qū)動的，并至少響應一種單價離子的存在。但將魚暴露在等單或更高濃度的二價陽離子（氯化鎂）中時，這些細胞的反應明顯弱于NaCl。根據(jù)這些結(jié)果，研究人員提出斑馬魚對NaCl敏感的神經(jīng)元主要適應鈉和氯的存在，對鈉的敏感性可能稍高一些。
圖4. 少數(shù)神經(jīng)元響應水體環(huán)境NaCl的濃度變化。（圖源：參考文獻[1]）
該研究讓我們初步了解到斑馬魚使用嗅覺系統(tǒng)感知水體鹽度，以遠離高鹽環(huán)境，但作者最后指出，嗅覺神經(jīng)元感知NaCl濃度的具體信號仍未明確。正如馬修·洛維特·巴倫在評論文章指出，此研究引發(fā)了更多的開放問題，單細胞轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學分析、單細胞電生理學等方法的結(jié)合可能有助于揭開謎底。
制版編輯 | 盧卡斯
