科学松鼠会 » 游识猷 http://songshuhui.net 剥开科学的坚果,让科学流行起来 Thu, 19 Apr 2018 06:53:19 +0000 zh-CN hourly 1 https://wordpress.org/?v=4.3.16 http://songshuhui.net/wp-content/uploads/cropped-songshuhui-32x32.jpg » 游识猷 http://songshuhui.net 32 32 睡着的婴儿微笑时,是梦见了什么呢? http://songshuhui.net/archives/100686 http://songshuhui.net/archives/100686#comments Tue, 17 Apr 2018 22:43:51 +0000 http://songshuhui.net/?p=100686

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baby-sleeped

睡着的小婴儿很容易引发父爱/母爱爆棚,因为真的很萌。大脑袋短手短脚的小娃闭着眼不吵不闹,像海星一样躺成一个“大”字,脸上突然绽出一个无齿的笑容……于是父母就忍不住琢磨了,这小脑袋是梦到啥了呢?好吃的,好玩的,还是梦到了我呢?(痴汉笑)

抱着这种心情去查了一下资料,然后我听到了自己的玻璃心碎掉的声音。

睡着的小婴儿,很可能没有梦到爸妈。

 


 

目前还没办法知道小婴儿做什么梦,不过等他们大点会说话,就可以描述自己的梦了。

研究婴幼儿梦境的专家戴维·福克斯( David Foulkes)是从3岁大的孩子研究起的。他曾经把孩子们带到睡眠实验室,然后瞅准机会把他们唤醒,问他们刚刚梦见了什么。

3~5岁的孩子,做的梦往往……挺无聊的,更像一张照片,而不是一段电影。他们的梦主要有两大主题:①动物,②静止的自己。醒来后他们描述的梦往往是“一只鸟在叫”,“一只狗站着”,“一只小鸡吃玉米”(最后这个梦可能是因为孩子自己饿了)。他们有时也会梦见自己,但自己往往要么很疲倦,要么干脆在睡觉,比如“我在浴缸里睡觉”,“我在理发店里睡觉”,“我在一间陌生的屋子里睡觉”。

这个年龄段的孩子,梦里没有情节,没有多少动作——可能是因为大脑模拟动作如“心理旋转”(mental rotation)这样的能力还不成熟——没有人与人之间的互动,也没有伴随着多少情绪。

孩子明明跟人打交道多过跟动物打交道,为什么却会更多地梦到动物呢?这个问题还没有很好的解释,科学家只是猜测也许跟童话、动画片里出现许多动物有关。

要一直到5~7岁左右,孩子的梦才开始慢慢变长,自己在梦里有动作、有情绪,也有了其他人物出现——从这时候起,孩子的梦才开始接近成年人的梦。

 


 

3岁时的梦都如此单调,之前的“梦”就更不必提了。

小婴儿能经历,能感受,但并不代表他们一定能梦到自己的经历和感受。大脑织造梦境,是需要素材的。小婴儿的大脑还没有存储足够多的记忆与知识,难以构筑出瑰丽曲折的梦境。另一方面,构造梦境可能需要一个稳定的“自我意识”(self-awareness),即使在梦里换了“身份”,也能意识到“那也是我”。对1岁之前小婴儿来说,这种意识几乎还不存在。

有时候小婴儿还会“梦惊”,从睡眠里忽然惊醒,恐惧、尖叫、要安抚许久才能镇定下来。这也不是因为梦到了什么恐怖的事。科学家猜测,这种反应来自大脑里负责处理“遇险反应”的杏仁核。长大后,杏仁核在没事发生时会被大脑皮层抑制,但小时候这种抑制功能还没有发育完善,于是就会突然“大惊”。还有一种可能是呼吸暂停综合症引起,如果孩子太过肥胖或者有扁桃体肥大问题,就可能在睡眠里呼吸暂停,然后惊醒。

 


 

但婴儿睡眠的时间又比成年人长得多,而且他们同样会进入快速眼动睡眠(REM)——成年人的梦境往往发生在这个阶段。

那么,小婴儿的大脑沉睡时,到底在做什么呢?

科学家认为,幼小的大脑要忙的事情很多——整理信息,形成回路,生长发育,形成或去除突触,清除掉累积的代谢废物……但不包括做梦。

梦是一种复杂的高水平认知活动。小婴儿很可能不会做梦,即使会做某种“梦”,但这种“梦”也远比大人的梦更简单,更平淡,更受外在刺激影响(冷了、热了、饿了、尿了)。

总而言之,不论小婴儿在梦里是喜是悲、是手舞足蹈或是尖叫着惊醒,他们都大概率没有梦到你。欢笑也好,皱眉也罢,都只是幼小大脑在试运行时的一点bug而已。

参考资料

  1. Foulkes, D. (2009). Children's dreaming and the development of consciousness. Harvard University Press.
  2. (美)桑德拉·阿莫特,(美)王声宏著;卢春明译. 儿童大脑开窍手册. 北京:中信出版社, 2013.01.
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婴儿有自制力吗? http://songshuhui.net/archives/100503 http://songshuhui.net/archives/100503#comments Sat, 31 Mar 2018 06:09:33 +0000 http://songshuhui.net/?p=100503

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婴儿有自制力吗?

讲真,在连大小便都无法控制的人生阶段,你还能要求多少?嗯?

不过呢,要说自制力(的萌芽),还真是有一点的。

 


 

比如说,当婴儿的脖子能自如转动时,在跟大人玩的过程里,就会出现“突然转头”的行为。转头,避开跟大人的目光对视,其实是因为对婴儿来说“现在太激动了,需要缓一缓”。这就是最早的“自我调节”(self regulate)能力,也是自制力的一部分。在这种情况下,大人就静静等着“缓过来”的婴儿把头转回来,再和她玩就可以啦。

 


 

自制力里面还有很重要的一块,就是控制自己“注意力”的能力。如果一个人能一直专注在手头的任务,边上有干扰也不会分心,就可以算自制力很强了。

而婴儿在9个月之前,这种能力可以说是≈0。只要有个新奇的东西出现,小婴儿的注意力就会完全不受控制地被吸引过去。

这听起来好像很糟,其实……还挺妙的。因为这意味着如果婴儿看上什么不适合她年龄玩的危险物品,你只要把她抱到看不见那个物品的地方,再拿出几个玩具在她眼前晃一晃,基本上她就会忘掉刚才想要啥了。

但是从9个月到1岁间,婴儿开始慢慢拥有一种可怕的“内源性注意力”(endogenous attention)。也就是说,她们的注意力不再完全被外界刺激控制,而是更取决于自身意愿。9个月的啾啾确实开始变得不那么好哄(骗)了,自由意志真是太可怕了……

不过,也正是具备了这种内源性的、可选择的注意力,小孩才能慢慢学会转移自己的注意力,改变自己的行为,在无法改变环境时,转变自己的念头来哄哄自己,也哄哄大人。

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▲如果婴儿专注地玩玩具,可不要打扰ta哦,这是专注力的诞生呢。

 


 

等到一岁多的时候,婴儿的自制力又会有一个飞跃(?)。

华盛顿大学的科学家做过一个很好玩的研究。

让15个月的婴儿跟实验者A呆在一个房间里,实验者A示范玩一个会发出很大声音的玩具,比如拿起一串珠链丢到塑料杯子里。

然后夸张表演者B满脸怒气地冲进来对着实验者A大喊:“真是瞎吵八嚷,嘈杂扰人!教人心烦意乱!”

(↑↑↑ 这种很拗口的对话,是特地用了难词来确保婴儿听不懂句子含义的。)

实验者A平淡脸:“哦?我觉得这还蛮有趣的。”

表演者B继续用表情和声调表现怒火:“那只是你的想法!瞎吵八嚷,嘈杂扰人!”

然后实验者A就把那个会发出声响的玩具往婴儿面前一放,“给。”

婴儿会作何反应呢?

研究发现,婴儿的反应取决于表演者B的状态。

如果B那时候已经转身出门,或者虽然在房间里但背对婴儿,那么婴儿只会犹豫一秒就会去抓玩具。

如果B在房间里而且面无表情地看着婴儿,婴儿就会迟疑不少,基本会等上4秒多才去抓玩具。

虽然只是3秒多的差距,但这差距说明的事情可多了,说明15个月大的婴儿:①能理解看到的社会互动,识别出其他人的情绪,哪怕这种情绪不是冲着婴儿来的;②能推断出因果关系,B生气是因为A玩的玩具;③能举一反三,如果我玩这个玩具,B也可能对我生气;④能抑制自己想玩的冲动,稍微忍耐一会儿(虽然只忍了3秒)。

最后这个④尤其厉害,这就是“执行控制”(executive control)功能,为了达到目标(不被B的怒火波及)而抑制自己本能冲动(好想玩玩具)——是自制力的核心所在。

 


 

这个实验还有个好玩的地方。

如果用18个月大的婴儿,实验结果和15个月大的婴儿会有一点微妙差异。

那就是在B“呆在房间里,面向婴儿,但垂下眼睛看杂志”的情况下,15个月大的婴儿依然会比较迟疑,18个月大的婴儿则会果断伸手抓玩具。

科学家认为,这说明[划掉]小崽子胆子变大了[/划掉]18个月大的婴儿能更好地预估人的视线范围,从而判断自己不在视线范围内。

(但人家听得到啊!18个月大的脑子果然还是很单蠢!)

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▲婴儿都是察言观色的高手呢。

 


 

比起智商,自制力对“人生成败”的影响更大。

有了自制力,我们才能学习、工作,面对自己的失败与痛苦,解决跟他人的矛盾和冲突,忍耐一时的欲望,达到更长远的目标。

怎样才能培养婴儿的自制力呢?

1.找个有自制力的伴侣。

自制力受遗传影响,比如 DAT1基因、 DRD4基因、MAOA基因等都有研究认为跟自制力有关。当然并不是说找个克勤克俭识礼知书的伴侣就一定保证孩子自制力强,但几率总是高那么一丢丢是吧?

2.让孩子的生活有安全感、有规律可循。

研究显示,安全依恋、作息规律、环境变动小的孩子比较容易培养自制力。另外,如果家长比较信守承诺,小孩对家长的信任度高,也更容易有自制力。

3.多关注孩子的所作所为,及时对小孩的情绪、社交、生理需求做出反应。

家长的响应度(parental responsivenes)越高,小孩的自制力也往往越高。还有研究显示,家长如果在旁关注小孩在做的事情,小孩集中精力的时间也会更长。

4.放低期望值,跟自制力相关的前额叶皮质要到20来岁才会完全发育成熟。

还有研究显示,抑制同样的冲动时,小孩需要激活的脑区比成年人更大。小孩要动用更多的肌肉才能跟大人举起同样重的东西,同样道理,他们也需要动用更多“脑力”才能达到跟成年人一样的自我控制(同时也更容易控制失败)。

5.自制力不是靠“蛮劲”,而是靠“巧干”。

很多人都听过棉花糖实验——给幼儿园阶段的小孩面前摆一块巧克力饼干(嗯其实最早的实验用的不是棉花糖),跟小孩说,如果你现在吃就只能吃一块,但如果等到我回来时这块饼干还在,我就再给你一块,你就可以吃两块。

那些忍住不吃的小孩,当然自制力更好——但他们并不是盯着饼干强忍的。

事实上,那些成功抵抗住诱惑的小孩,基本上都用了各种办法——有人蒙住自己眼睛,有人把饼干遮起来,有人干脆背对饼干看着墙,有人坐住自己的手,有人絮絮叨叨地跟自己说话,有人跑到墙角放声歌唱……

能创造性地想出很多办法来克制冲动达到目标,才是真正的自制力。

大人们,你又有多少种办法,能教给孩子呢?

参考资料

  1. Rueda, M. R., Posner, M. I., & Rothbart, M. K. (2005). The development of executive attention: Contributions to the emergence of self-regulation. Developmental neuropsychology, 28(2), 573-594.
  2. Repacholi, B. M., Meltzoff, A. N., Rowe,H., & Toub, T. S. (2014). Infant, control thyself: Infants’ integration ofmultiple social cues to regulate their imitative behavior. Cognitivedevelopment, 32, 46-57.
  3. Colombo, J. (2001). The development ofvisual attention in infancy. Annual review of psychology, 52(1), 337-367.
  4. Colombo, J., & Cheatham, C. L. (2006).The emergence and basis of endogenous attention in infancy and early childhood.In Advances in child development and behavior (Vol. 34, pp. 283-322). JAI.
  5. Yu, C., & Smith, L. B. (2016). Thesocial origins of sustained attention in one-year-old human infants. CurrentBiology, 26(9), 1235-1240.
  6. Ruff, H. A., & Capozzoli, M. C. (2003). Development of attention and distractibility in the first 4 years of life. Developmental psychology, 39(5), 877.
  7. Reynolds, G. D., & Romano, A. C. (2016). The development of attention systems and working memory in infancy. Frontiers in systems neuroscience, 10, 15.
  8. Wass, S., Porayska-Pomsta, K., & Johnson, M. H. (2011). Training attentional control in infancy. Current biology, 21(18), 1543-1547.
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小孩子为什么“特心急”? http://songshuhui.net/archives/100500 http://songshuhui.net/archives/100500#comments Wed, 28 Mar 2018 05:54:45 +0000 http://songshuhui.net/?p=100500

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常常看到家长说自己的小孩脾气急躁,譬如“要个东西必须马上要到”,“稍微等一会就不耐烦哇哇叫”,“等个一分钟都等不了的样子”。其实,大人跟小孩的“时间”,并不是一码事。

图片来自pixabay

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当然本文并不考虑大人或小孩被加速到接近亚光速从而改变时间流速的状况。大人的一分钟也是小孩的一分钟,然而,对这一分钟的“时间感知”却是不同的。

影响生物时间感知的要素包括——

一、体型越小、新陈代谢速率越高的生物,感觉时间流逝得越慢。——小孩√ 。

(为啥很难打到蚊子苍蝇?因为在它们眼里你都是左手右手一个慢~动~作~~)

二、同样时间内处理的信息越多,感觉时间流逝得越慢。——小孩√ 。

小孩在有需求(要喝水/要吃东西/想要玩具)时,需要处理大量内在的渴望信息。同时,他们对于自己的情绪的理解和控制都还不成熟,会急躁是非常正常的。

童年感觉时间过得慢,长大了觉得时间过得快,也是因为童年时世界是新鲜的,接收到的大量新信息让时间变慢了。

三、在任务开始前就对任务完成时间有个预估,会感觉时间流逝得快些。——你√ 。小孩 ×。

对于做过无数次某任务的大人来说,自然心里有数需要耗费多长时间。但对于“心里没数”的小孩,就会觉得格外漫长。

出发的旅途往往感觉比归程更为漫长,也是一样的道理,因为你更擅长估算回程的时间。

四、咖啡因会让人感觉时间流逝得更快。——你√ 。小孩 ×。

总而言之,小孩的时间感知可能是成人的好几倍。你的一分钟,是他们的3分钟甚至更多。啾啾爸出门上8小时班,在啾啾眼里,差不多是“爸爸离家出走一整天可能再也不会回来了咦居然又回来了”?

参考资料

  1. Healy, K., McNally, L., Ruxton, G. D., Cooper, N., & Jackson, A. L. (2013). Metabolic rate and body size are linked with perception of temporal information. Animal behaviour, 86(4), 685-696.
  2. Zakay, D. (1992). The role of attention in children's time perception. Journal of experimental child psychology, 54(3), 355-371.
  3. Angrilli, A., Cherubini, P., Pavese, A., & Manfredini, S. (1997). The influence of affective factors on time perception. Perception & psychophysics, 59(6), 972-982.
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小孩子为什么“特心急”? http://songshuhui.net/archives/100278 http://songshuhui.net/archives/100278#comments Wed, 28 Feb 2018 22:49:33 +0000 http://songshuhui.net/?p=100278

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常常看到家长说自己的小孩脾气急躁,譬如“要个东西必须马上要到”,“稍微等一会就不耐烦哇哇叫”,“等个一分钟都等不了的样子”。

其实,大人跟小孩的“时间”,并不是一码事。

当然本文并不考虑大人或小孩被加速到接近亚光速从而改变时间流速的状况。大人的一分钟也是小孩的一分钟,然而,大家对这一分钟的“时间感知”却是不同的。

很多时候孩子不是“熊”,只是跟你不一样。图片来源:pixabay

很多时候孩子不是“熊”,只是跟你不一样。图片来源:pixabay

影响生物时间感知的要素包括:

一、体型越小、新陈代谢速率越高的生物,感觉时间流逝得越慢。——小孩√

为啥很难打到苍蝇?因为在它们眼里你都是左手右手一个慢~动~作~

另外,养猫狗的人也要明白,宠物眼中的时间跟你眼中的时间也是不同的呢。

二、同样时间内处理的信息越多,感觉时间流逝得越慢。——小孩√

小孩在有需求(要喝水/要吃东西/想要玩具)时,需要处理大量内在的渴望信息。同时,他们对于自己情绪的理解和控制都还不成熟,会急躁是非常正常的。

童年感觉时间过得慢,长大了觉得时间过得快,主要也是因为童年时世界是新鲜的,接收到的大量新信息让时间感觉变慢了。年长后接收到的信息则很多是重复的,神经会直接忽略这些已经适应了的刺激,在无数次忽略里,时间“咻”的一下就过去了。

三、“恐惧”、“受威胁”等情绪会让人感觉时间流逝得慢。——小孩√

饥渴是一种“威胁”。大人的负面反应也是一种“威胁”。而小孩越是感觉恐惧,就会觉得时间过得越慢。

因此,对小孩发火,会让小孩感觉等待更难熬。

四、在任务开始前就对任务完成时间有个预估,会感觉时间流逝得快些。——你√ 小孩×

对于做过无数次某任务的大人来说,任务需要耗费多长时间自然心里有数。但“心里没数”的小孩,就会觉得时间格外漫长。

出发的旅途往往感觉比归程更为漫长,也是一样的道理,因为人们更擅长估算回程的时间。

五、已经度过的人生长度,也会影响对时间的感受。年纪越小,“一天”在人生里占的比例就越大,感觉起来也就越长。——小孩√

一天是一个3岁小孩千分之一的人生,但只是30岁的人万分之一的人生。

大人以自己的正常速度做事,孩子却往往会觉得等不了。图片来源:pixabay

大人以自己的正常速度做事,孩子却往往会觉得等不了。图片来源:pixabay

总而言之,小孩的时间感知可能是成人的好几倍。你的1分钟,可能是他们的3分钟甚至更多。啾啾爸出门上8小时班,在啾啾眼里,差不多是“爸爸离家出走一整天可能再也不会回来了咦居然又回来了”?(编辑:odette)

参考资料

  1. Healy, K., McNally, L., Ruxton, G. D., Cooper, N., & Jackson, A. L. (2013). Metabolic rate and body size are linked with perception of temporal information. Animal behaviour, 86(4), 685-696.
  2. Zakay, D. (1992). The role of attention in children's time perception. Journal of experimental child psychology, 54(3), 355-371.
    Angrilli, A., Cherubini, P., Pavese, A., & Manfredini, S. (1997). The influence of affective factors on time perception. Perception & psychophysics, 59(6), 972-982.
  3. Gil, S., & Droit-Volet, S. (2009). Time perception, depression and sadness. Behavioural processes, 80(2), 169-176.
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世上最丑的动物,拥有不会老的超能力 http://songshuhui.net/archives/100207 http://songshuhui.net/archives/100207#comments Thu, 22 Feb 2018 23:01:40 +0000 http://songshuhui.net/?p=100207

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托马斯·帕克(Thomas Park)觉得自己撑不下去了。

帕克是伊利诺大学芝加哥分校的神经学家,正研究裸鼹鼠在缺氧环境里的反应。这种动物跟仓鼠差不多大,但比仓鼠丑很多。设定的实验条件是5%氧气,在这么低浓度的氧气里,人类大概40秒内就会昏迷,然后逐渐死去。

科学家们把裸鼹鼠们放进去,打算一出现异状就停止实验。

五分钟过去了,十五分钟过去了(跟裸鼹鼠体型差不多的小鼠死了),一小时过去了,五小时过去了……科学家们又累又饿,只想回家。

可“缺氧”的裸鼹鼠们依然清醒,四处爬动,甚至还叽叽喳喳地聊天交流。

“它们甚至都没睡觉,比研究者更有精力。”帕克承认。

为了回家吃饭科学家们直接上了0%氧气环境。

这次有了反应,裸鼹鼠们在30秒左右昏了过去,心跳2分钟内就从每分钟200次降到了每分钟50次。

同时放进去的小鼠心跳则一直降,一直降。

完全缺氧6分钟,小鼠的心跳已检测不到。裸鼹鼠的心跳还稳定在每分钟50次。

缺氧10分钟,4只裸鼹鼠被移回普通空气里,100%复苏。

缺氧18分钟,4只裸鼹鼠被移回普通空气里,100%复苏。

缺氧30分钟,4只裸鼹鼠被移回普通空气里,100%……挂了。

也就是说,裸鼹鼠至少能在完全无氧环境里撑18分钟,而且复苏后一切正常——至少外表上没有明显问题。

 


 

耐缺氧只是裸鼹鼠的绝活之一。除了变漂亮,这种动物简直什么都能做到。

绿豆眼长龅牙、皱皮大肚、四肢细短、全身无毛……对于裸鼹鼠来说,可能只有它亲妈和James Blunt认为“You're Beautiful”。图片来源:ferrebeekeeper.wordpress.com

绿豆眼长龅牙、皱皮大肚、四肢细短、全身无毛……对于裸鼹鼠来说,可能只有它亲妈和James Blunt认为“You're Beautiful”。图片来源:ferrebeekeeper.wordpress.com

裸鼹鼠(Heterocephalus glaber)是种神奇的动物。它们在东非地下挖掘出纵横交错的隧道与洞穴。为了适应东非的干旱气候,当地许多植物会长出大型块茎。然而地底挖掘耗费的能量巨大,大概是行走所耗费能量的3500倍,裸鼹鼠如果单兵作战,很可能在中“块茎大奖”之前就饿死。因此,裸鼹鼠演化出了一套策略——分头寻找,共享食物。100只一起找,总有瞎鼠碰上大块茎的时候。裸鼹鼠平均体重也才35克,每挖到一个几千克甚至几十千克的块茎,整窝就可以吃上数月到一年。

为了节省能量,裸鼹鼠干脆放弃了保持体温。哺乳动物几乎都是恒温的,但裸鼹鼠这个奇葩例外。它们在寒冷时就到近地表的温暖洞穴里挤成一堆,过热时就退缩到深处的寒冷洞穴中降温。

至于生育这件很麻烦很费能的事,索性集中处理,一窝裸鼹鼠可能有几十只到几百只,但其中只有一只“女王”和一到三只“王夫”负责生育,大部分裸鼹鼠不恋爱不生仔,每天只兢兢业业地挖土觅食、打扫洞穴、保卫女王、照顾幼鼠——是不是感觉很像蜜蜂白蚁?的确。分工繁殖、世代重叠、合作照顾幼年后代,这样的真社会性动物里绝大部分都是昆虫,只有两种哺乳类,裸鼹鼠正是其中一种。

裸鼹鼠地下生活示意图,巢穴大的可以延伸到三千米,里面的洞穴各有特定用途,比如专门的厕所洞,专门的育幼洞等等。图片来源:virgoletteblog.it

裸鼹鼠地下生活示意图,巢穴大的可以延伸到三千米,里面的洞穴各有特定用途,比如专门的厕所洞,专门的育幼洞等等。图片来源:virgoletteblog.it

裸鼹鼠的超能力之一,就是耐缺氧环境。地下通风差,氧气含量常会降到9%以下。结果裸鼹鼠不但演化出了超级能抓氧气分子的血红蛋白,甚至还演化出了在无氧情况下利用果糖来供应能量的能力。

别小看这点。绝大多数动物根本就做不到,既不能转运果糖进细胞,也不能无氧代谢果糖,在缺氧时只能勉强将葡萄糖酵解,而酵解反应也很快会因为乳酸等产物堆积而终止。对脑细胞这些耗能高、存储葡萄糖少的的细胞来说,能量断供是灭顶之灾。脑细胞无法维持正常的电化学状态,导致迅速代谢紊乱,进而立刻死亡。

帕克发现,尽管在有氧情况下,裸鼹鼠和其他动物一样规规矩矩地用葡萄糖供能,但在缺氧达十分钟以后,裸鼹鼠就能把自己从“葡萄糖档”调到“果糖档”。裸鼹鼠的心、脑、肝、肾这些重要器官的细胞统统都可以转运并利用果糖,即使遇到缺氧,这些器官在来自果糖的能量支持下也可以多撑一段时间。如果人类有这种天赋,就不会有那么多因为中风而瘫痪或死亡的悲剧了。

 


 

裸鼹鼠的超能力之二,是不得癌症。迄今没有发现任何一只野生裸鼹鼠患癌。

不得癌的原因可能不止一条。首先,裸鼹鼠的基因组里有许多抑癌基因比如ARF基因,而缺少那些跟癌症发生相关的基因。裸鼹鼠的基因组里负责修复DNA的基因拷贝数高,核糖体能制造出基本零差错的蛋白质,还有着大量帮助其他蛋白质正确折叠的分子伴侣(molecular chaperone)蛋白。于是裸鼹鼠的基因组和细胞状态都极其稳定。

其次,裸鼹鼠细胞里有一种透明质酸聚合物,这种分子会触发一个特别强大的机制,“早期接触性抑制”,细胞一旦“感觉太挤了”就会停止分裂。哪怕有细胞癌变,分裂几轮后也会造成细胞挨挤触发这种机制,癌细胞也就无法疯狂增殖了。

另外,裸鼹鼠代谢率低,又长期处在低氧环境中,氧化损伤少。这也降低了裸鼹鼠罹患癌症的几率。

凭着不得癌症这项超能力,裸鼹鼠2013年被《科学》杂志评为“年度脊椎动物”。图片来源:pacscilife.blogspot.com

凭着不得癌症这项超能力,裸鼹鼠2013年被《科学》杂志评为“年度脊椎动物”。图片来源:pacscilife.blogspot.com

在野外,只要不饿死,不患上传染病,不被天敌蛇吃掉,裸鼹鼠轻轻松松就能活上30年。一般来说,动物体型越大,心跳越慢,活得也越长久。根据裸鼹鼠的身型,它的寿命按理该在6年左右。然而裸鼹鼠的寿命足足长出5倍。

而新研究显示,裸鼹鼠不止活得长,似乎还不会老。

 


 

无视时间的裸鼹鼠。图片来源:inverse.com

无视时间的裸鼹鼠。图片来源:inverse.com

裸鼹鼠的超能力之三,不会老。

衰老会导致生理机能减退,更常发生疾病与意外,从而也更容易死亡。衰老的特征之一就是死亡风险上升。青少年的死亡风险远低于老人,这是理所当然的事情。英国数学家本杰明·冈珀茨(Benjamin Gompertz)就发现,在一定岁数后,死亡率会随着年龄增长呈指数型上升。譬如人类就是30岁后每8年死亡风险翻一番。

几乎所有哺乳动物都遵循这条冈珀茨-麦克哈姆法则(Gompertz-Makeham law)。除了裸鼹鼠。

一般来说,100只动物就足以观察到符合冈珀茨法则的死亡曲线。然而研究者罗谢尔·巴芬斯滕(Rochelle Buffenstein)记录了3329只裸鼹鼠30多年来的数据,却发现裸鼹鼠的死亡风险不随年龄增长而上升(甚至还略有下降)。在它们6个月大性成熟后,只要不被实验折腾死,裸鼹鼠的工鼠的死亡风险就基本稳定在每天万分之一,女王的死亡风险甚至更低,在每天十万分之一左右。不管这只裸鼹鼠是1岁大还是15岁大,死亡率都稳定在这个数字附近。如果同样的事情发生在人类身上,就意味着人类哪怕活到几百岁,死亡率也不会明显上升。

即使年纪渐长,裸鼹鼠依然健康活跃,实验室里年龄最大的裸鼹鼠已经活了35岁,而裸鼹鼠女王到30岁仍可生育后代。

四种动物,马、人、小鼠、裸鼹鼠在性成熟(红线Tsex)后的死亡率随年纪变化曲线。图片来源:参考资料1

四种动物,马、人、小鼠、裸鼹鼠在性成熟(红线Tsex)后的死亡率随年纪变化曲线。图片来源:参考资料1

为什么裸鼹鼠不会老呢?还不清楚。我们只知道,这种动物不生癌症不怕痛,社会结构像昆虫,冷血变温像爬行类,利用果糖像植物,逃避衰老像伏地魔……即使地球生态崩坏,裸鼹鼠大概也能跟蟑螂携手坚强活下去。倘若有朝一日人类转了它们的基因,癌症、中风、慢性疼痛、老龄化社会这些问题,没准就解决大半了。

参考资料

  1. Ruby, J. G., Smith, M., & Buffenstein, R. (2018). Naked mole-rat mortality rates defy Gompertzian laws by not increasing with age. eLife, 7.
  2. Park, T. J., Reznick, J., Peterson, B. L., Blass, G., Omerbašić, D., Bennett, N. C., ... & Applegate, D. T. (2017). Fructose-driven glycolysis supports anoxia resistance in the naked mole-rat. Science, 356(6335), 307-311.
  3. Gorbunova, V., Seluanov, A., Zhang, Z., Gladyshev, V. N., & Vijg, J. (2014). Comparative genetics of longevity and cancer: insights from long-lived rodents. Nature Reviews Genetics, 15(8), 531.
  4. Tian, X., Azpurua, J., Hine, C., Vaidya, A., Myakishev-Rempel, M., Ablaeva, J., ... & Seluanov, A. (2013). High-molecular-mass hyaluronan mediates the cancer resistance of the naked mole rat. Nature, 499(7458), 346.
  5. Azpurua, J., Ke, Z., Chen, I. X., Zhang, Q., Ermolenko, D. N., Zhang, Z. D., ... & Seluanov, A. (2013). Naked mole-rat has increased translational fidelity compared with the mouse, as well as a unique 28S ribosomal RNA cleavage. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(43), 17350-17355.
  6. Researchers Find Yet Another Reason Why Naked Mole-Rats Are Just Weird. (2017). NPR.org. https://www.npr.org/sections/thetwo-way/2017/04/20/524511231/researchers-find-yet-another-reason-why-naked-mole-rats-are-just-weird
  7. Naish, D., & Naish, D. (2016). African Mole Rats: So Much More Than Just the Naked Mole Rat. Scientific American Blog Network. https://blogs.scientificamerican.com/tetrapod-zoology/african-mole-rats-so-much-more-than-just-the-naked-mole-rat/
  8. Oxygen and Human Requirements. (2018). Geography.hunter.cuny.edu. http://www.geography.hunter.cuny.edu/tbw/wc.notes/1.atmosphere/oxygen_and_human_requirements.htm
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造福“吃货”的小龙虾?醒醒吧!本地小龙虾都保不住啦! http://songshuhui.net/archives/100102 http://songshuhui.net/archives/100102#comments Thu, 15 Feb 2018 22:42:17 +0000 http://songshuhui.net/?p=100102

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愚蠢的人类制造出了一种能自我克隆、繁殖极快的恶魔生物,然而一个大意,这种生物就逃逸到自然界里,逮谁灭谁,血雨腥风——这种情节曾是科幻恐怖片的最爱,然而科学家们发现,这事早在二十几年前就已经成真了。

主角就是这只看上去平凡无奇的小龙虾。

一只成年的大理石纹螯虾,图中黑线代表现实里的1厘米长度。图片来源:natureecoevocommunity.nature.com

一只成年的大理石纹螯虾,图中黑线代表现实里的1厘米长度。图片来源:natureecoevocommunity.nature.com

能打又能生的怪胎螯虾

1990年代中,德国宠物圈里出现了一种新螯虾,品种不明,起源地不明。饲主们一般根据壳纹叫它“大理石纹螯虾”(Marmorkrebs),也有人管它叫“美国德州螯虾”,还有些比较认真的饲主则会写信给水产研究者,询问这种虾的学名。去信里往往会提到一件事,这种虾即使一个虾孤零零地养在缸里,也会产卵,卵也能孵出后代。

研究界就是这样注意到这种虾的。

德国柏林洪堡大学的动物学家格哈德·舒尔茨(Gerhard Scholtz)试着单独养了一只大理石纹螯虾,她没有配偶,没有藏着此前交配遗留下来的精囊,但她不断产卵,孵出后代。舒尔茨检查发现,这些后代全部是雌性。这是已知的第一种能孤雌生殖的螯虾!舒尔茨测了这种螯虾的线粒体基因,发现和原产美国的龙纹螯虾(Procambarus fallax)非常接近,可能是其近亲。2003年,舒尔茨在《自然》上发表论文首次报告了这种螯虾。在论文的最后一段,舒尔茨写道“这种螯虾……可能对欧洲淡水生态系统造成威胁,哪怕只放一只到野外,就能建立起一个足以胜过本地螯虾的种群。”

只是“欧洲”淡水生态系统?太小看虾啦!

舒尔茨这篇论文,是大理石纹螯虾研究的开端。科学家们很快注意到这种“神秘的孤雌生殖蝲蛄科螯虾”,这一研究不得了,他们发现,如果要用一个词形容大理石纹螯虾,那就是——强到逆天。

首先,大理石纹螯虾长得快,长得大。实验室里同样条件下饲养250天,大理石纹螯虾比龙纹螯虾长出一倍。长就意味着重,重就意味着战斗力和抢食力都强。

左上F图,体长8.4厘米的大理石纹螯虾左钳。右上G图,体长4.7厘米的雌性龙纹螯虾左钳。虽然是亲戚又长得那么像,但一看就知道谁比较能打。图片来源:参考资料[1]

左上F图,体长8.4厘米的大理石纹螯虾左钳。右上G图,体长4.7厘米的雌性龙纹螯虾左钳。虽然是亲戚又长得那么像,但一看就知道谁比较能打。图片来源:参考资料[1]

其次,大理石纹螯虾生得多,每次产的卵平均是龙纹螯虾的6倍,性成熟的速度还不比龙纹螯虾慢。养上一年,一只大理石纹螯虾基本上就会变成几百只。

大理石纹螯虾(红线所示)和雌性龙纹螯虾(蓝线所示)对比。大理石纹螯虾体长平均在35毫米,实验室里甚至发现了长到了103毫米的个体(左上图)。雌性龙纹螯虾则平均仅有18毫米。产卵,大理石纹螯虾每次平均能产300颗卵。雌性龙纹螯虾平均仅50颗卵。图片来源:参考资料[1]

大理石纹螯虾(红线所示)和雌性龙纹螯虾(蓝线所示)对比。大理石纹螯虾体长平均在35毫米,实验室里甚至发现了长到了103毫米的个体(左上图)。雌性龙纹螯虾则平均仅有18毫米。产卵,大理石纹螯虾每次平均能产300颗卵。雌性龙纹螯虾平均仅50颗卵。图片来源:参考资料[1]

此外,这货还特别能适应环境。它能适应很大范围内的温度、盐度、酸碱度,30℃以上的温暖水域里活蹦乱跳,冰面下的水流中也能安之若素。它们能安家于湖泊、稻田或沼泽,既吃素也吃荤,水藻腐叶、蜗牛鱼卵、小虫小鱼,都在它的狩猎范围内,实在饿了,就连木头也吃,反正有消化纤维素的酶。

最后,大理石纹螯虾是美国起源,天生自带“螯虾瘟疫”真菌(龙虾瘟疫真菌,Aphanomyces astaci,欧洲的鳌虾感染之后几个星期就会死去)。这种真菌美国小龙虾倒是比较适应,可欧洲小龙虾不适应啊。一百多年前从美洲传到欧洲,差点灭了欧洲的本土小龙虾。欧洲花了好些力气才灭了这病,欧洲小龙虾也才喘口气——得,这货又带着传染源来了。

总而言之,在野外,大理石纹螯虾绝对立于螯虾界鄙视链上层。

事实也证明,大理石纹螯虾的确能打,短短几年就扩散到了欧亚非三大洲的野外。如今,欧洲的德国、捷克、荷兰、瑞典、乌克兰、意大利、匈牙利、克罗地亚,非洲的马达加斯加,亚洲的日本北海道,都发现了这种螯虾的踪迹。如果考虑宠物市场,形势就更严峻了。美国和中国都不乏养着大理石纹螯虾的宠物主,意味着大理石螯虾距离这些地方的野外,也就一次放生之遥。

已知大理石纹螯虾在野外的扩散范围。图片来源:marmorkrebs.org

已知大理石纹螯虾在野外的扩散范围。图片来源:marmorkrebs.org

这货是个啥,哪来的?

研究了好几年,其实一直都还没给大理石纹螯虾定种。

螯虾定种的常用依据之一,是雄性生殖肢的形态特征,可这新螯虾全是雌性!这就增加了通过形态定种的难度。要说测序吧,这货基因组还挺大。以前基因测序成本高,整个测下来实在测不起。

科学家本来是把这货定为龙纹螯虾里的孤雌生殖特型,不过后来把这货跟公龙纹螯虾放一起,发现二者能交配,最长的据说交配了一个多小时,可惜干打雷不下雨,再怎么交配,生出来的后代还是100%纯的大理石纹螯虾,说明大理石纹螯虾跟龙纹螯虾无法产生任何后代——这都“生殖隔离”了,干脆作为独立种吧。有人就建议把大理石纹螯虾命名为“处女螯虾”(Procambarus virginalis),毕竟人家孤雌生殖不用浪费时间谈恋爱,一只虾就能创造出一整个个大又能打的螯虾军团,完全是螯虾界的圣母玛利亚加圣女贞德。

公龙纹鳌虾(上)和大理石纹鳌虾(下)交配,抱得挺紧,时间也不短,然而……图片来源:参考文献[1]

公龙纹鳌虾(上)和大理石纹鳌虾(下)交配,抱得挺紧,时间也不短,然而……图片来源:参考文献[1]

定了名字后又过了几年,直到最近这篇新论文,德国遗传学家弗兰克·吕科(Frank Lyko)团队花5年时间给大理石纹螯虾彻底测了序,总算弄明白了这货的来龙去脉。

研究者正在检查高性能计算机,用于装配小龙虾基因组。图片来源:Sina Tönges

研究者正在检查高性能计算机,用于装配小龙虾基因组。图片来源:Sina Tönges

首先,这货是龙纹螯虾的三倍体, AA'B基因型。三组染色体里有2组(A与A')几乎完全一样,另一组(B)则有大量基因差异。

其次,这货出现的时间不长于30年。即使是自我复制,时间长了也多少会出现基因突变。然而,大理石纹螯虾不同个体的基因组实在太接近了,这意味着这个物种出现的时间太短,以至于来不及产生多少碱基突变。吕科他们给11只大理石纹螯虾做了测序,其中2只来自德国不同城市的野外,4只来自德国各地的宠物市场,4只来自马达加斯加各地野外,1只来自马达加斯加的一个市场。然而这些天南海北的螯虾里,任何两只的基因组差异最多也就4个非同义单核苷酸!大理石纹螯虾一共276条染色体,基因组有3.5 Gb,比人类基因组还大7%。这么大的基因组,11只个体测下来,一共也就发现了416个单核苷酸差异,算是变异极少了。

科学家在抓大理石纹螯虾。图片来源:Ranja Andriantsoa

科学家在抓大理石纹螯虾。图片来源:Ranja Andriantsoa

最后,吕科团队还发现,从基因变化来看,马达加斯加的种群应该来自德国。德国才是更早的发源地。再结合两条信息,大理石纹螯虾最早出现在德国,美国没找到这种螯虾的野生种群,研究者拼出了这样一个故事——

二十几年前,两只不同产地的美国龙纹螯虾A与B在德国某个宠物店的水族箱里相遇,产下了爱情结晶。 A的不知是卵细胞还是精细胞出错,不慎多保留了一组染色体,于是AB结合后就诞生了一只AA'B三倍体螯虾。产地不同导致A与B的基因差异较大,于是这只三倍体螯虾生来自带杂种优势,个大能生,适应各种环境,还具备了孤雌繁殖功能。于是这只三倍体螯虾在这个水族箱里一只变成几百只,再到很多个水族箱里一只变成几百只,然后被人类随手一丢,进军野外继续一只变成几百只……短短二十几年,欧亚非的溪河湖泊里,处处都是当年那只虾的“克隆虾”。这种虾在德国已经多到什么地步?吕科跟两个同事一起去附近的湖里收集螯虾样本, 3个人在一小时内徒手抓了150只……

一般来说,自我复制是一种短期特别有效、但长期不那么看好的演化策略。优点在于省下了谈情说爱有性生殖浪费的能量,缺点一是缺少基因多样性,容易被疾病或寄生虫一扫而空;二是有害突变可能会不断累积,直致积重难返,所谓“穆勒棘轮效应(Muller's ratchet)”。不过,历史上也有一些自我复制的物种一直繁荣兴旺,比如被称为“演化丑闻”的蛭形轮虫,就这么孤雌生殖自我复制了几百万年。大理石纹螯虾到底是会长盛不衰还是昙花一现?只能拭目以待。

变异螯虾能好怎?

每种入侵生物,必有人问能好怎。不少吃货摩拳擦掌——尽管放马过来,我能大吃一斤!

大理石纹螯虾能吃,但算不上好吃。而且这种动物是请神容易送神难,一旦入侵,绝对不是好事。

前面说到,大理石纹螯虾个子大,不过,这是和龙纹螯虾对比出的结果。如果和我们常吃的小龙虾即克氏原螯虾相比,那么克氏原螯虾体长一般在5.5-12厘米左右,比大理石纹螯虾还要大那么一点。也就是说,这种变异螯虾的肉,还没有普通小龙虾多。

马达加斯加市场上有售卖供人食用的大理石纹小龙虾熟食。图片来源:Ranja Andriantsoa

马达加斯加市场上有售卖供人食用的大理石纹小龙虾熟食。图片来源:Ranja Andriantsoa

现在大理石纹螯虾在马达加斯加已经泛滥成灾,当地的穷人有时会吃这种螯虾,作为一种廉价蛋白质。然而,这种螯虾依然被列为“低经济价值”。而且这种螯虾会吃小鱼,导致鱼类数量下降;在稻田里,它们会啃食水稻,导致稻谷产量下降。马达加斯加当地就发现,这种螯虾导致了稻谷歉收,渔获减少,总体来说,得不偿失。

更不必说这种螯虾入侵造成的物种多样性下降。在马达加斯加,从2007~2017年,十年里大理石螯虾的栖息地范围增加了100倍,从1000平方千米变成10万平方千米,现在“虾口”数以百万计,已经威胁到七种马达加斯加的本土野生螯虾。

马达加斯加的“吃货”,没能阻挡大理石纹螯虾扩张的脚步。

到底应该怎么对待大理石纹螯虾呢?

欧盟和美国的密苏里州与田纳西州已经把大理石纹螯虾列入“禁品”。在欧盟,禁止出售、饲养、扩散或放生大理石纹螯虾。尽管中国还没有这样的禁令,但如果你养着大理石纹螯虾,千万不要把它放生,不要露天饲养因为它可以通过陆路逃走,不要把这种螯虾当成钓鱼用活饵。

这种变异螯虾最理想的归宿,不是野外,不是餐桌,应该是实验室。

它好饲养,长得快,生得多,自己一只就能生出千军万马,基因型还完全一致,简直是理想的模式生物,可以用于研究生态、生理、发育、遗传、表观遗传……另外,这种动物能复制自身,能大量增殖,能迅速扩散,完全是癌细胞翻版。事实上,已经有科学家考虑用这种螯虾来模拟癌症,以研究抗癌策略。也许有一天,“恶魔螯虾”带给我们的知识,会拯救无数人类的生命。(编辑:明天)

参考文献

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