线虫行为研究探讨古老生物学问题

一个特定性状是由一个生物体的基因（先天）还是其环境（后天）决定的？是生物学中一个古老的问题。大多数时候，答案是“两者兼有”，但是最近，宾夕法尼亚大学的研究发现，有一个特征，通过以上两个因素进行解释，不那么容易。他们在最近的《PNAS》杂志发表论文探讨了这个问题。

　　

生物通报道：一个特定性状是由一个生物体的基因（先天）还是其环境（后天）决定的？是生物学中一个古老的问题。大多数时候，答案是“两者兼有”，但是最近，宾夕法尼亚大学的研究发现，有一个特征，通过以上两个因素进行解释，不那么容易。

这个特征是，常用模式生物秀丽隐杆线虫（C. elegans）会逆流往上游动，这一特征通过物理学可以得到最好的解释。宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院机械工程与应用力学系的Haim Bau教授及其研究生Jinzhou Yuan，连同佩雷尔曼医学院神经病学系的助理教授David Raizen，将这项研究结果发表在最近的《PNAS》杂志。

线虫是生物学研究中最常用的动物模型之一。线虫是一种很有价值的模式生物，因为遗传学在其行为中发挥作用，研究人员可以通过筛选成百上千的线虫，来寻找一种特异行为，然后确定哪些基因对其有影响。相关研究：PNAS揭示酒瘾遗传学机制。

然而，这种研究的前提是，他们看到的特征假设是真正的行为：线虫主动选择做的事情，而不是被动地影响它们的事情。这种区别并不总是那么明确。

例如，在某些情况下，线虫将逆流往上游，但在其他情况下则不会。这种逆流往上游的行为的起源，也被称为“正向趋流性，”是一个有争议的问题，但是，理解这个问题，对于利用这种生物进行的高通量实验，是至关重要的。例如，大多数实验是用成千上万条线虫完成的，研究人员需要能够将线虫分成不同的群体，如较弱的线虫或具有一个特定突变的线虫。

宾夕法尼亚大学的研究人员发现，存在外部流时，只有那些靠近固体表面游动的线虫，才会逆流向上游。远离固体表面游动的线虫，没有一个优先的运动方向。利用这个控制实验，他们能够准确地确定是什么因素决定着这一方向性运动。

Yuan教授说：“靠近一个静止的固体表面，线虫经历了一种短距离的流体动力效应，使动物的头部朝向表面旋转，尾部远离表面。我们把这种现象称为表面吸引或bordertaxis。”

这意味着，当存在与固体表面平行的水流时，更接近表面的那部分线虫，移动速度比远离表面的线虫慢。Yuan说：“因此，外流可旋转动物的身体，向上游游动。”

换句话说，Yuan发现，趋流性是一种被动的行为，并不依赖于基因型。Yuan解释说：“这些结果将有助于指导设计新的分选设备。”这一结果也有助于科学家了解线虫的生命周期，以及线虫向上游游动为什么对它有利。

特别是，科学家们报道称，农业环境中的寄生线虫倾向于逆着水流游动。Yuan说：“这种流性机制，可能帮助线虫停留在作物的旁边，所以，当下雨的时候，线虫不会被冲到缺乏食物的土壤中。这种机制可能会帮助它们在降雨造成的逆流中游泳，停留在土壤表面附近，那里有它们的食物来源。”

Bau说：“这项研究最有趣的一个发现是，环境施加的被动力量，如何影响生命周期，而不需要线虫本身的确定性决策。”

（生物通：王英）
Haim H. Bau教授是美国宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院教授，研究领域集中于：材料力学、计算力学、流体力学、微纳流控技术及其在生物、医学领域的应用。他于1993年当选美国机械工程师协会院士，多次担任ASME国际会议主席，美国物理协会、纳米/生物研究中心、医学与工程研究所等多所机构会员，在Nano Letters, Analytical Chemistry、ACS Nano等多项国际顶级杂志上发表百余篇会议论文、邀请报告等。Dr. Bau专利获权14件，撰写专著7部，完成NSF、NIH研究项目50项，总经费超过1100万美元并获得UPS Foundation Distinguished Educator Chair、Presidential Young Investigator Award、SAE - Ralph R. Teetor Educational Award等多项荣誉。

生物通推荐原文：
"Propensity of undulatory swimmers, such as worms, to go against the flow." PNAS 2015 112 (12) 3606-3611; published ahead of print March 9, 2015, DOI: 10.1073/pnas.1424962112