向后紧缩：涡虫逃离有害刺激、同类相食和捕食

《Journal of Comparative Physiology A》：Backward scrunching: planarians escape from noxious stimuli, cannibalism, and predation

　　

动物已进化出逃避行为以生存。淡水涡虫有许多捕食者，包括同类相食物种（如日本三角涡虫）中的同种个体。当受到刺激时，涡虫通过一种称为“紧缩（scrunching）”的运动行为逃离，在此过程中涡虫周期性伸长和收缩整个身体。目前的理解是涡虫在紧缩时向前移动。然而，当横向切割日本三角涡虫时，研究人员观察到头部碎片向前紧缩，而尾部碎片反而向后紧缩。先前的研究表明，向前紧缩是一种保守的涡虫逃避行为，响应于横切和有害刺激，如低pH值、有害热、过氧化氢（H₂O₂）和异硫氰酸烯丙酯（AITC）。测试这些刺激后，研究人员发现，在完整涡虫和碎片中，向后紧缩比向前紧缩更难诱导。使用电刺激，研究人员表明，当刺激前部时，行为随电压增加从转向到向后紧缩再到挥动逐步发展，证明向后紧缩是对中等强度刺激的响应。此外，研究人员表明，尾部碎片——源自横切或无性繁殖（分裂）——在被完整涡虫攻击时表现出向后紧缩。当涡虫被蜻蜓或豆娘稚虫（涡虫的自然捕食者）咬成碎片时，也观察到尾部碎片的向后紧缩和向后步进。分裂后尾部碎片的生存对于无性涡虫种群的扩张是必要的。因此，研究人员提出，向后紧缩作为一种有效的逃避行为，以保护涡虫尾部不被吃掉。

**论文解读：涡虫后退紧缩行为的系统表征及其在逃避捕食中的功能**

**研究背景**
逃避环境威胁或捕食者是动物生存的关键。淡水涡虫（planarians）栖息于多种捕食者存在的环境，包括鱼类、昆虫幼虫，甚至其他涡虫（如日本三角涡虫*Dugesia japonica*、多触涡虫*Girardia dorotocephala*等）具有同类相食习性。涡虫通过无性生殖（分裂，fission）产生头部和尾部碎片，这些碎片在再生完整个体期间易被同类或异类捕食者攻击。此前已知涡虫在受到有害刺激（如横切、低pH、高温、过氧化氢H₂O₂、异硫氰酸烯丙酯AITC）时，会表现出一种称为“向前紧缩（forward scrunching）”的逃避行为，即周期性伸缩全身向前移动。然而，在横向切割实验中发现，尾部碎片并非向前，而是向后紧缩（backward scrunching）。这一现象最早由Pearl于1903年在博士论文中描述为“后退爬行（backward crawling）”，但缺乏定量数据及功能验证，且其诱导条件、行为参数及生态意义均未明确。为此，本研究旨在系统表征后退紧缩的诱导条件、运动学特征、种间保守性及其在逃避同类相食和捕食中的作用。

**主要技术方法**
研究人员采用以下关键方法：（1）**横切实验**：对不同涡虫物种（日本三角涡虫、多触涡虫、地中海涡虫*Schmidtea mediterranea*、细涡虫*Phagocata gracilis*）在不同位置（前1/3、中1/2、后2/3）进行横向切割，记录头部和尾部碎片的紧缩行为，并量化频率、最大伸长、相对速度等参数（参照Cochet-Escartin等2015年方法）。（2）**局部化学刺激**：用微量移液器向完整涡虫或切割碎片的特定区域（前部、中部、后部）施加20 μL不同浓度的AITC、H₂O₂、酸性水（pH 2.0–3.0）或热水（60–70°C），记录初始行为反应。（3）**电刺激**：通过银电极向完整涡虫前部、中部、后部施加10 Hz、1 ms脉冲（20–120 V），确定不同电压下的行为转变阈值。（4）**捕食与同类相食实验**：将完整涡虫与切割尾部碎片共培养，或引入蜻蜓、豆娘稚虫，记录攻击行为及尾部逃避反应。所有数据用Mann-Whitney U检验或Fisher精确检验进行统计分析。

**研究结果**

**1. Backward scrunching is quantitatively different from forward scrunching（后退紧缩与向前紧缩在定量上存在差异）**
通过横切日本三角涡虫，研究人员发现头部碎片向前紧缩，尾部碎片向后紧缩（图1b）。对同一涡虫的两部分进行参数比较（n=10），结果显示：后退紧缩的频率（ν_m）显著低于向前紧缩（p=1.83e-4）；伸长时间占总周期比例（f_elong）在后退紧缩中变异更大，且与向前紧缩的对称性不同（图1e–h）；后退紧缩的相对速度（ν_m^*）也显著更慢（p=1.83e-4）。黏蛋白染色（VVA-lectin）显示前后紧缩时黏液沉积模式相似，但后退紧缩速度较慢可能与其尾部形状及黏附力学有关。

**2. Backward scrunching post-transection is not a robust behavior across planarian species（横切后的后退紧缩在不同涡虫物种中并非稳健行为）**
测试三种其他涡虫（多触涡虫、地中海涡虫、细涡虫）在横切后的反应，发现仅5–40%的尾部表现后退紧缩，而日本三角涡虫超过75%的尾部出现该行为（图S2a）。多数物种主要表现为其他伤害性行为（挥动、团缩）。地中海涡虫的尾部常呈现“脉冲式收缩（pulsed contractions）”，即单次后退步进后暂停，而非连续周期性运动。提示后退紧缩并非如向前紧缩那样在涡虫间保守。

**3. Forward scrunching inducers elicit backward scrunching（向前紧缩诱导物也能引发后退紧缩）**
用已知能稳定诱导向前紧缩的四种刺激（AITC、H₂O₂、低pH、高温），分别施加于完整涡虫和尾部碎片的局部区域。结果显示：在完整涡虫前部施加AITC（1 mM）或H₂O₂（3%）时，极少引发后退紧缩（0–12.5%），主要反应为挥动或转向；在尾部碎片前部伤口施用时，后退紧缩发生率略有提高（AITC 25%，H₂O₂ 6.25%，低pH 2.0时30%），但均远低于向前紧缩（图2）。高温（60–70°C）刺激前部时，完整涡虫主要表现挥动，尾部碎片仅偶见后退紧缩（1/10）。表明后退紧缩的诱导窗口窄，需要更精确的刺激条件。

**4. Backward scrunching requires stronger stimuli than forward scrunching（后退紧缩需要比向前紧缩更强的刺激）**
电刺激实验（图3）显示：完整涡虫前部受刺激时，低电压（20–40 V）引发转向，中等电压（80–100 V）引发后退紧缩，高电压（>100 V）引发挥动；而中部和后部刺激在20–120 V范围内均能诱导向前紧缩，但后退紧缩仅在前部且电压>80 V时出现，且电压窗口仅约40 V（80–120 V），远小于向前紧缩的约100 V（20–120 V）。表明后退紧缩是对中等强度刺激的特异性反应，且阈值更高。

**5. Cannibalism and predation trigger backward scrunching in tails（同类相食和捕食引发尾部后退紧缩）**
将完整日本三角涡虫与切割尾部碎片共培养，100%的尾部碎片在被攻击时（攻击者用咽部吮吸伤口）表现出后退步进或后退紧缩（图4，n=10）。平均每个尾部产生两次后退紧缩，有时拖拽攻击者。当多个同种个体同时攻击时，尾部无法逃脱并被完全吞噬。咬食后，头部碎片向前紧缩逃走，而尾部碎片则向后紧缩。此外，日本三角涡虫对多触涡虫、地中海涡虫、细涡虫的尾部攻击也如预期触发后退紧缩，但地中海涡虫无性株尾部20%被完全吞噬。在自然捕食者实验中，蜻蜓稚虫攻击后，头部碎片向前紧缩，尾部碎片（5/11）表现后退紧缩或后退步进（3/11）；豆娘稚虫攻击因体型较小，偶见尾部后退步进随后转向。分裂事件（n=4）后，尾部碎片同样在受到同类攻击时使用后退紧缩逃脱（图S7c）。这些结果证明后退紧缩是尾部逃避捕食的关键行为，对于无性涡虫种群扩张至关重要。

**讨论与结论**
本研究验证并扩展了Pearl一个世纪前的定性观察。后退紧缩与向前紧缩共享相同的刺激（横切、有害温度、低pH、AITC、H₂O₂），提示两者可能部分共享相同的信号通路（如瞬时受体电位TRP通道）。但后退紧缩需要更高强度的刺激，且诱导窗口窄，这解释了为何该行为长期未被详细研究。定量分析表明后退紧缩更慢、更对称，作为逃避机制效率较低，这可能是尾部更易被吞噬的原因。电刺激结果揭示了行为层级：前部刺激下，行为随强度递增从转向→后退紧缩→挥动；中部/后部刺激则从伸长/收缩→向前紧缩→挥动。横切后，尾部立即表现出后退紧缩，提示前部区域移除后抑制信号消失，使得高位行为（后退紧缩或转向）得以执行。捕食实验直接证明后退紧缩在同类相食和异种捕食（蜻蜓稚虫）中保护尾部，且分裂后尾部也用此行为逃避攻击。该研究为后退紧缩的分子机制（如TRP通道的作用）奠定了基础，但需开发更稳健的诱导方法以进行RNA干扰等机制研究。**研究结论**：后退紧缩是涡虫尾部逃避有害刺激和捕食者的一种有效逃避行为，在无性生殖后代存活中发挥关键作用，其诱导需要比向前紧缩更强的刺激，且行为参数存在显著差异，是涡虫伤害性行为谱系中一个被长期忽视的重要组成。论文发表在《Journal of Comparative Physiology A》。