嗯，在了解今日主角之前

先虫恐预警吧 _ ( : з」∠ ) _

10 月 7 日，诺贝尔生理学或医学奖揭晓。今年这一荣誉颁给了维克托 · 安布罗斯（Victor Ambros）和加里 · 鲁夫昆（Gary Ruvkun），以表彰他们在微小 RNA（microRNA）领域的贡献。（戳详细诺奖解读）

虽然两位研究者今年都是首次获得诺贝尔奖，但他们的研究对象秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）却已经是诺奖常客了。到目前为止，共有四届诺奖都与这种不起眼的小虫子有关。

嗯？线虫是什么？又怎么秀丽了？怎么还能斩获诺奖呢？

显微镜下的秀丽隐杆线虫丨 kdfj / wikimedia

它们无处不在

秀丽隐杆线虫属于线虫动物门，门内包含了超过两万五千种无脊椎动物。在适宜的环境里，每一平方米就有可能生活着数以千万计的线虫。按个体数量计算，地球上80%的动物都是线虫——全世界的动物们排排站好，你和下一位 " 非线虫 " 之间平均隔着四条线虫。

一种根结线虫正试图钻进番茄的根丨 William Wergin & Richard Sayre / Wikimedia  

这类平时少有人注意的生物，是地球生物圈中分布最广的类群，两极、高山、沙漠、大洋海底，都能见到它们的身影。美国线虫分类学先驱纳丹 · 科布（Nathan Cobb）曾说，如果宇宙中除了线虫之外的所有物质都瞬间消失，那么虚空中漂浮的线虫将会是一个地球表面的复刻——山川湖海，城镇乡村，甚至树木和动物，恐怕都可以通过分布其中的特定种类的线虫还原出轮廓。

然而线虫不光是 " 地表最强 "。2011 年，科学家们在南非地下几公里深的金矿表面，发现了以细菌为食的线虫。另外，还有相当一部分线虫是寄生性的，比如我们最熟悉的蛔虫。

线虫动物门的多样性，其中 a 是一种蛔虫，b 是秀丽隐杆线虫丨 Blumenthal & Davis / Nature Genetics（2004）

相比于体长可达 30 厘米的面条蛔虫，秀丽隐杆线虫可谓体态娇小，成熟个体不过 1 毫米长，头尾尖尖，中间是一段可以自由弯曲的圆柱体。它的属名 Caenorhabditis 中包含了 " 杆状的 " 词根（rhabditis），而种本名 elegans 是 " 秀丽、优雅 " 的意思。看看秀丽隐杆线虫正弦波一般的运动方式，你大概就会明白这个全身透明没有颜色的 " 小虫子 " 是如何得到这个名字的了。另外与蛔虫不同的是，秀丽隐杆线虫是非寄生性线虫。

秀丽隐杆线虫 " 优雅 " 的前进方式丨 Bob Goldstein / wikimedia

线虫就是躺呀躺着走

线虫虽小，" 五脏 " 俱全。作为发育上和人类一样拥有三个胚层的动物，秀丽隐杆线虫的外胚层发育成了多个细胞融合的 " 合胞体 "，正是这层结构分泌的胶原蛋白组成了覆盖全身的 " 皮 "，它是能够随着虫体生长而蜕落更新的 " 外骨骼 "。这也是线虫动物门的特征之一，表明它们和同样蜕皮的节肢动物门亲缘关系相近。

箭头所示为线虫身体不同部位融合形成的 " 外骨骼 "。丨 wormatlas.com

皮层下方是中胚层形成的四条纵贯身体的肌肉带，由一套相互连接的神经细胞控制。由于肌肉的收缩方式，动图中看到的其实是背腹方向的 " 弯腰 "，所以正常的秀丽隐杆线虫总是在侧躺着走路。

免疫荧光染色技术，勾勒出了秀丽隐杆线虫的肌肉束丨 wormbook.org

肌肉内侧则是一个充满液体的假体腔，再往里就是一条直来直去的消化道——口后方是附有肌肉细胞、可以碾碎食物的咽部，再往后就是肠道；肠道前后各有一小圈环状细胞组成两个 " 阀门 "，可开可关，相当于我们人类的贲门（食道进胃的入口）和肛门。长长的生殖腺就贴在消化道旁边。

千里挑一才有 " 真男人 "

从人类的角度来看，秀丽隐杆线虫的生殖方式比较奇特，分为 " 雌雄同体 " 和 " 雄性 " 两个性别。正常生长的群体中绝大部分个体是雌雄同体：在发育未完全成熟的阶段，雌雄同体产生精子并储存在生殖腺中；发育成熟的个体产生卵子，和准备好的精子结合形成受精卵。

雌雄同体的内部结构丨 wormatlas.org

雌雄同体严格来说是一种雌性， 基因组中包括五对常染色体和两条 X 性染色体。生成的精子和卵细胞都包含一套五条常染色体和一条 X 染色体，所以结合之后产生的胚胎自然绝大部分都是雌雄同体（5*2+2X）。

不过受精卵有极小概率随机丢失一条 X 染色体，就会转而发育成雄性个体，可谓千里挑一的 " 真男人 "（5*2+X）。雌雄同体自体授精能产生大约 300 个受精卵，而雄性个体给雌雄同体授精后，后代数量可以超过 1000 个。

遇到雌雄同体后的雄性与对方 " 亲密接触 "，用尾部的扇状结构找到生殖腺开口进行授精丨 Kbrugman / wikimedia

诺奖四杀是如何完成的

秀丽隐杆线虫最重要的身份就是科研模式生物了。在生物遗传学研究初现繁荣的 20 世纪 50 年代，南非生物学家西德尼 · 布伦纳（Sydney Brenner）为分子生物学的发展做出了巨大贡献，不过随后他转而把兴趣放到了生物体的神经发育机制上。然而人类的神经系统由一千亿个神经元组成，要怎么研究呢？布伦纳找到了 " 身怀绝技 " 的秀丽隐杆线虫。

首先，秀丽隐杆线虫体型小，吃得简单，长得快，生命力顽强——在实验室常用的琼脂平板上养好一层大肠杆菌后放上线虫，线虫就能愉快地边吃边繁殖，室温环境下三四天就能繁殖一代，寿命大约三周。实验人员想放假？没问题。把平板直接放进 -80 ℃的冰箱冻上，出门浪完回来解冻一下，线虫照样活蹦乱跳 。雌雄同体自体授精的它们可以很方便地传代，而雄性的存在又为不同基因型的杂交提供了便利。

培养皿中间是大肠杆菌菌落，周围一圈黑黑的是含有秀丽隐杆线虫的土壤样本（A）；以细菌为食的线虫被食物吸引如土壤中钻出，挑出这些具有活性的线虫个体，以进行下一代繁殖（B）丨 Antoine Barri è re & Marie-Anne F é lix / wormbook.org

其次，线虫简单又完整的身体构造是很好的研究起点。1983 年，英国科学家约翰 · 苏尔斯顿（John Sulston）研究了秀丽隐杆线虫的发育过程。在没有先进仪器的年代，苏尔斯顿靠着在光学显微镜下肉眼观察透明虫体，绘制了线虫全部细胞的发育图谱——从受精卵第一次分裂开始，线虫的每次细胞分裂、每个细胞的功能和命运是完全确定的。这是世界上首个多细胞生物的细胞发育谱系。

以点表示神经细胞胞体，以线表示神经细胞的树突与轴突，科学家绘制出了线虫的神经细胞图谱丨 The OpenWorm

今天，几乎所有发育生物学课本中都会提到，雌雄同体线虫在发育过程中会产生 1090 个细胞，其中有 131 个会在产生后启动一个正常的凋亡程序而死去，只留下 959 个。2002 年，诺贝尔生理学及医学奖颁发给了布伦纳、苏尔斯顿和霍维茨（Howard Robert Horvitz）三位科学家，表彰他们在器官发育调控和程序性细胞凋亡研究中的贡献。线虫在诺奖名单上拿下一血。

左起依次为布伦纳、霍维茨和苏尔斯顿，遗憾的是苏尔斯顿已于 2018 年 3 月逝世丨 nobelprize.org

仅仅四年之后，诺贝尔生理学及医学奖颁发给了安德鲁 · 法厄（Andrew Fire）和克雷格 · 梅洛（Craig Mello），以表彰他们阐明了线虫的 RNA 干扰机制——两人从不符合预期结果的空白对照组中，发现了生物体可以探测病原体双链 RNA，并以此为 " 向导 " 攻击病原体基因组。现在，RNA 干扰机制已经成为了生物学研究的常用工具。线虫当之无愧拿下了诺奖双杀。

2008 年诺贝尔化学奖，三位获奖人之一的马丁 · 查尔菲（Martin Chalfie）正是把绿色荧光蛋白用在了线虫研究中。线虫完成诺奖三杀。

被插入了编码绿色荧光蛋白基因的秀丽隐杆线虫。丨 Dan Dickinson，Goldstein lab，UNC Chapel Hill

然后就是今年的诺贝尔奖了。获奖者安布罗斯和鲁夫昆分别研究了线虫的两个突变株，这些突变株在发育过程中表现出基因激活时间的异常。他们由此发现了一种全新的基因调控原理，这一机制由微小 RNA实现，这是一种此前未知的 RNA。

现在，我们知道人类基因组编码超过 1000 种微小 RNA。没有微小 RNA，细胞和组织就无法正常发育。而这一重要发现，离不开好用的模式生物——线虫。

生命充满奥秘，如同另一个宇宙。图为对细胞核进行了荧光染色后呈现出的秀丽隐杆线虫丨 queensu.ca

事实上线虫在生物学研究中有着更广泛的应用。1998 年，通过人类基因组计划的一个 " 预实验 "，秀丽隐杆线虫成为世界上第一种被全基因组测序的多细胞生物。而截至 2012 年，由 302 个细胞连接组成的线虫神经网络，也完成了 " 连接组 " 测定。

体态优雅的秀丽隐杆线虫，将继续为人类揭示生命机制的奇妙。

作者：卢平

本文来自果壳自然（ID：GuokrNature）

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