在展示大自然魔鬼般的創(chuàng)造力方面，很難有什么能打敗蜘蛛。以隱居的鬼面蜘蛛為例，它們長(zhǎng)著很大的尖牙以及凸起且超大的中眼。在整個(gè)熱帶地區(qū)，這些八條腿的怪獸掛在樹枝上，并在前腿中間撐起一張可伸展的絲網(wǎng)，以便它們能以閃電般的速度將網(wǎng)罩在獵物上。相比之下，艷麗的孔雀蜘蛛到處?kù)乓屎缟母共恳晕愋裕鼈兂蟮难劬δ芸匆娂?xì)小的事物和顏色。流星錘蜘蛛則擅長(zhǎng)模仿。夜晚，尾巴上拖著一個(gè)黏球的雌性流星錘蜘蛛會(huì)散發(fā)出雌蛾的氣味來引誘并捉住雄蛾。
美國(guó)史密森學(xué)會(huì)國(guó)家自然歷史博物館(NMNH)蜘蛛研究人員Hannah Wood表示，在蜘蛛當(dāng)中，“每個(gè)種群都有著不可思議的故事”。蜘蛛產(chǎn)絲的通用能力幫助解釋了它們?cè)诘某晒?mdash;—據(jù)估測(cè)，有9萬個(gè)蜘蛛物種繁盛于除了南極的其他每個(gè)大洲。用于捕捉獵物的蛛網(wǎng)從高處像繩索一樣降落，并且建造了蜘蛛的卵囊和住所。它們本身就擁有令人難以置信的多樣性，其構(gòu)成更是在每個(gè)蜘蛛物種中都不同。蜘蛛的另一個(gè)通用屬性——毒液也是如此。它們產(chǎn)生的毒液混合物zui多可由1000種不同的化學(xué)物質(zhì)構(gòu)成。
直到zui近，試圖闡明蜘蛛廣泛的適應(yīng)性如何產(chǎn)生的節(jié)肢動(dòng)物學(xué)家，才基于形態(tài)和行為建立了蜘蛛的家族樹。但zui近，基因和蛋白質(zhì)研究為蜘蛛生物學(xué)開啟了新的時(shí)代。研究人員對(duì)3個(gè)蜘蛛物種——金球織網(wǎng)蜘蛛、非洲絲絨蜘蛛和常見家蛛的完整基因組進(jìn)行了測(cè)序，并且對(duì)很多其他蜘蛛開展了相對(duì)有限的基因和蛋白質(zhì)研究。分析凸顯了蜘蛛演化錯(cuò)綜復(fù)雜的路徑，并且引發(fā)人們對(duì)蛛網(wǎng)和毒液復(fù)雜性的關(guān)注。“基因組學(xué)影響了幾乎所有事情。”在阿拉巴馬州奧本大學(xué)研究蜘蛛的Jason Bond表示，“它改變了人們可以問的問題類型。”
強(qiáng)大的基因組工具
研究人員試圖通過蜘蛛的尖牙、性器官形狀以及其他方面的外表或行為進(jìn)行分類。他們還利用了上世紀(jì)90年代初興起的分子方法。當(dāng)時(shí)，節(jié)肢動(dòng)物學(xué)家辨別出6種短且保守的蜘蛛DNA序列。這些序列在不同的蜘蛛物種間仍擁有足夠多的變異，從而使研究人員推斷它們之間的關(guān)系。不過，NMNH進(jìn)化生物學(xué)家Jonathan Coddington認(rèn)為，這些分析“從未收到應(yīng)有的效果”。如今，更加強(qiáng)大的基因組工具正開始弄清楚復(fù)雜的關(guān)系。“在多年的努力后，非常合理的家族樹突然間出現(xiàn)了。”康奈爾大學(xué)行為生態(tài)學(xué)家Linda Rayor表示。
里程碑出現(xiàn)在2014年。喬治·華盛頓大學(xué)蜘蛛分類學(xué)家Gustavo Hormiga介紹說，當(dāng)時(shí)，發(fā)表于《當(dāng)代生物學(xué)》雜志的兩份報(bào)告“*顛倒了蜘蛛的進(jìn)化”。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)比較了來自40個(gè)蜘蛛物種的上百個(gè)基因，以構(gòu)建將所有織網(wǎng)者包括在內(nèi)的家族樹。和此前的研究相反，這些分析將金球織網(wǎng)蜘蛛分成兩組并將其放在*不同的家族樹分支上。產(chǎn)生帶絨毛的黏性纖維的金球織網(wǎng)蜘蛛zui終被劃分到包括了很多*不織網(wǎng)的蜘蛛的分支上。而產(chǎn)生羊毛狀蛛絲的金球織網(wǎng)蜘蛛自成一個(gè)分支。
在隨后的一項(xiàng)研究中，Bond團(tuán)隊(duì)比較了70個(gè)蜘蛛物種的近3400個(gè)活性基因。研究發(fā)現(xiàn)，和織網(wǎng)蜘蛛相比，諸如狼蛛、跳蛛等基本不織網(wǎng)且生活在地面上的蛛形綱動(dòng)物以更快的速度走向多樣化。這或許是因?yàn)樗鼈儾辉傩枰椌W(wǎng)后能利用更多新的機(jī)會(huì)。
蜘蛛生物學(xué)家希望從完整的基因組中了解到更多內(nèi)容。丹麥奧胡斯大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家Trine Bilde開始對(duì)一種非洲絲絨蜘蛛——隆頭蛛的基因組進(jìn)行分析。這個(gè)物種生活在zui多由1000只蜘蛛組成的巢穴中，其中大多數(shù)是雌性蜘蛛。它們織出的密集網(wǎng)絡(luò)可捕捉15厘米長(zhǎng)的蚱蜢。隆頭蛛是家庭*者，因此往往只在巢穴內(nèi)繁育后代。這一習(xí)慣再加上巢穴有時(shí)會(huì)很快消失的證據(jù)表明，它們可能有著高度的近親繁殖關(guān)系，從而缺少保護(hù)其他生物基免于此類滅絕的基因變異。
為蛛絲研究打開大門
這些zui初的基因組以及同時(shí)進(jìn)行的分子研究正在產(chǎn)生一種不同的回報(bào)：它們正在幫助開啟蛛絲和毒液研究的大門。美國(guó)自然歷史博物館蛛絲基因?qū)W家Cheryl Hayashi被這些物質(zhì)的分子多樣性震驚。
蛛絲基因編碼擁有多次重復(fù)氨基酸片段的大量蛋白質(zhì)。它們自身是長(zhǎng)的，并且充滿很難破譯的重復(fù)DNA。不過，絲絨蜘蛛、金球織網(wǎng)蜘蛛和家蛛的基因組展現(xiàn)出豐富多樣的蛛絲基因。研究人員已經(jīng)辨別出兩個(gè)針對(duì)大壺狀腺絲(蛛絲的一種)的基因。這種蛛絲在蜘蛛網(wǎng)中形成*的牽引線，并且為制造一種商用蛛絲提供了靈感。不過，絲絨蜘蛛的基因組僅揭示了10個(gè)針對(duì)這種蛛絲的基因以及9個(gè)編碼其他蛛絲蛋白質(zhì)的基因。
為了解更多，Hayashi啟動(dòng)了另一個(gè)基因組測(cè)序項(xiàng)目。她和來自賓夕法尼亞大學(xué)的Benjamin Voight、佛蒙特大學(xué)的Ingi Agnarsson以及其他人合作，破譯了金球織網(wǎng)蜘蛛的基因組并描繪了它們的特征。
今年5月1日，該團(tuán)隊(duì)在《自然—遺傳學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版上報(bào)告稱，金球織網(wǎng)蜘蛛的基因組含有28個(gè)蛛絲基因 ，其中8個(gè)對(duì)于科學(xué)界來說是全新的。研究發(fā)現(xiàn)，基因和蛛絲類型之間并非一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且一些蛛絲基因似乎獲得了*不同的功能。例如，金球織網(wǎng)蜘蛛的一種蛛絲基因甚至在蜘蛛的毒腺中被表達(dá)。
掌握蛛絲的分子基因?qū)W
破譯的基因有助于解釋蛛絲屬性的分子基礎(chǔ)。蛛絲基因含有被稱為基序的短DNA片段，而基序的數(shù)量和具體序列在不同物種中有所差別。通過將基因差異和蛛絲屬性的不同進(jìn)行比較，Hayashi團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這些基序似乎影響蛛絲的強(qiáng)度、彈性和其他特征。
對(duì)這種復(fù)雜性進(jìn)行分類或許能幫助生物工程師更好地理解并且zui終利用蛛絲非凡的韌性和靈活性。“在這些序列中隱藏著很多問題的答案。比如，蜘蛛如何使絲液在體內(nèi)保持*的濃度？”Hayashi表示，生物化學(xué)家很難回答這些問題。同時(shí)，她和其他人發(fā)現(xiàn)，絲腺含有或許充當(dāng)了分子伴侶并且?guī)椭a(chǎn)生纖維的非蛛絲蛋白質(zhì)。
對(duì)于試圖制造人工蛛絲的研究人員來說，這些發(fā)現(xiàn)是一座金礦。“突然間，我們掌握了蛛絲的分子基因?qū)W。”Coddington說，“大門打開了。”
研究有著類似復(fù)雜程度的蜘蛛毒液的大門也在打開。蜘蛛毒液或許能提供對(duì)控制昆蟲或緩解疼痛有用的化合物。“毒液混合物擁有zui多達(dá)1000種的不同化學(xué)物質(zhì)，并且差別很大。”位于俄勒岡州的路易克拉克大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家Greta Binford對(duì)褐皮花蛛毒液可摧毀身體組織的奇特屬性進(jìn)行了研究。被這種蜘蛛咬過的人患上壞疽病，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)ナ肿恪inford介紹說，新的基因組和后續(xù)開展的蛋白質(zhì)研究“為確認(rèn)我們正在獲得一系列有著巨大成分差異的毒液提供了更多信心”。
來源：科學(xué)網(wǎng)
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