無腦天才：水母的神奇自我修復術

作者：馮加伶
自我修復，對生物而言是非常重要的能力。不小心跌倒擦傷時，我們有能力製造新的細胞來修補受損組織；尾巴斷掉時（如果你是特定種類蜥蜴的話），組織能夠再度增生長出一條新的尾巴。
直到最近，加州理工學院的科學家在月亮水母身上發現了一種全新的自我修復機制，不同於一般生物急著製造新組織，它們先將身上現有的組織重新排列，把恢復對稱性當作首要之務。
許多研究再生能力的科學家，都利用容易飼養和觀察的水螅做為研究對象，但是加州理工學院的生物學家 Lea Goentoro 、學生 Michael Abrams 和研究助理 Ty Basinger ，則對另外一種生物──月亮水母（Aurelia aurita）更有興趣。水族館飼養的月亮水母。圖片來源：Brian & Jaclyn Drum（CC BY-NC-SA 2.0）。
女大18變變變！
月亮水母，又稱作海月水母，分布範圍很廣，從大西洋、太平洋和印度洋都可以見到它們的身影。透明半圓形的水母體直徑大約5～40公分，邊緣有著許多細小的觸手，用來捕食浮游生物，再透過纖毛運動將食物送入口中。
水母體中央有四個指環般的精緻花紋，這些獨特花紋可不是虛有其表，它們其實是水母的生殖腺，肩負著傳宗接代的重責大任，讓公的成熟水母能夠製造精子、母的成熟水母能夠製造卵子，進行有性生殖。
成熟水母聚集在一起時，會將精子、卵子釋放到海水中，成功結合的受精卵會發育成浮浪幼體（planula）。扁平橢圓形的浮浪幼體，有著細小的纖毛、在海中隨波逐流，直到附著於平滑礁石或海床上，就會開始準備大變身，變成水螅體水母（polyp）。這個時期的水母就像是迷你版的海葵，小小的水螅體不停地被複製，無性生殖可以持續好幾個月、甚至是好幾年，只要受到環境因子的刺激就會出芽，變成有如馬車輪子般的碟狀幼生（ephyra），再從碟狀幼生逐漸發展成我們所熟悉的半圓形水母。如此看來，水母真的是標準女大18變的生物呀！
科學家挑選了月亮水母的碟狀幼生進行傷口修復機制的研究，碟狀幼生直徑約3～5mm，只有圓盤狀的身體及八隻對稱的觸手，透明簡單的結構讓科學家更容易觀察自我修復的過程。研究人員先將月亮水母的碟狀幼生麻醉，再用刀片將水母的觸手切除（截肢）變成僅有七、六、五、四、三隻或兩隻觸手不等，再把水母放回人工海水的飼養環境中，定時觀察它們的復原情況。月亮水母的生活史。圖片來源：Te Ara – The Encyclopedia of New Zealand。月亮水母的碟狀幼生。圖片來源：© Norman T Nicoll / naturalvisions.co.uk。
截肢數小時後，水母的傷口就會開始癒合，然而，接下來的發展則出乎研究人員的意料之外。失去的觸手不但沒有長出來，水母反而像追求黃金比例的藝術家，開始重新配置現有的組織，讓僅存的觸手能夠平均地分布。如下圖所示，原本剩下兩隻相鄰的觸手，居然變成了一上一下的對稱排列；剩下四隻相鄰觸手的截肢水母，則變成了十字形。而且無論是斷幾隻觸手，水母所採用的策略都一樣，那就是通通都要恢復對稱！月亮水母利用調整觸手位置，重新恢復輻射對稱性。A. 截肢示意圖。 B和C. 剩有五隻觸手和三隻觸手的水母，在被截肢後的兩天內都沒有再生新的觸手，而是重新恢復對稱性。D. 無論斷幾隻觸手的水母，都採用相同的策略。（照片中的比例尺為1 mm）。圖片來源：Abrams et al., 2015. Self-repairing symmetry in jellyfish through mechanically driven reorganization。
這是一個完全不同的自我修復策略，其他動物會先修復、再增生把失去的部分補回來，但是月亮水母不會製造新的細胞、也不會分解現有的細胞，而是重新排列現有的組織，恢復其輻射對稱性。而且，除了月亮水母，研究人員發現其他水母，如赤水母（Chrysaora pacifica）、倒立水母（Mastigias sp.）和蛋黃水母（Cotylorhiza tuberculata）也有重現輻射對稱性的再生策略。A. 月亮水母、B . 赤水母、C. 倒立水母和D. 蛋黃水母等其他種類的水母被截肢後，也會採用重現輻射對稱性的再生策略。圖片來源：Abrams et al., 2015. Self-repairing symmetry in jellyfish through mechanically driven reorganization。輻射對稱的重要性
不同於人類或其他「兩側對稱」的動物，水母和其他海洋生物，如海膽、海星和海葵，都是屬於「輻射對稱」的生物，它們的身體無法區分左右，上半部和下半部也明顯不同。但是如果把輻射對稱的生物從通過身體中央的縱軸切開，任何剖面皆可以切成相等的兩半。海綿（無對稱）、珊瑚蟲（輻射對稱）和山羊（兩側對稱）的對稱性示意圖。圖片來源：OpenStax CNX。（CC BY 4.0）。
對水母來說，輻射對稱是生活的必需，無論移動，還是攝食都要仰賴對稱性。水母移動時會擺動觸手，而觸手之間有層厚厚的黏液，讓觸手變成有如槳一般的連續表面，能夠增加觸手擺動時的推進力，推進的同時也讓周圍的水和食物進入口中。所以，如果某幾隻觸手之間有個特別大的空隙，天然的槳也就失效了。而對稱性除了有助於游泳和攝食，也是活命的關鍵，如果截肢水母沒有辦法重新恢復對稱性，之後則無法順利發展成正常的水母體。G.具有對稱性的截肢水母，能夠持續發展成正長的水母體。H. 缺乏對稱性的截肢水母，則無法順利生長。（照片中的比例尺為1 mm）。圖片來源：Abrams et al., 2015. Self-repairing symmetry in jellyfish through mechanically driven reorganization。
為了解開水母自我修復術的謎團，中央研究院的郭青齡副研究員也參與此項研究計畫，協助建構演算系統來模擬水母重建對稱性的過程。透過演算系統和實驗，科學家發現「機械力」和「黏彈性」，這兩種特性是水母能重建對稱性的關鍵。
機械力是水母收縮肌肉時所產生的力。科學家在海水中加入肌肉鬆弛劑，讓水母的收縮動作變慢，結果截肢水母恢復對稱性的速度也跟著變慢了。相反的，在鎂濃度較低的特製人工海水中（鎂可以讓肌肉放鬆），水母的肌肉加速收縮，也讓對稱性的恢復速度變快了。加上水母組織的黏彈性，形容構成水母身體的透明膠狀物質，讓組織富有彈性，有助於肌肉收縮 。
沒有大腦、結構簡單的水母，卻擁有如此複雜、有效率的自我修復機制。不同於生物體的細胞增生，這種機械力和黏彈性，能夠轉換成科技技術、應用於生物材料的開發，說不定在不久的將來，就會有效法水母，具有自我修復能力的機器人問世了。
然而自然界中還有許許多多的生物，其中又隱藏了多少奧妙，等著我們去發掘和學習呢？
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【參考資料】
-Abrams et al., 2015. Self-repairing symmetry in jellyfish through mechanically driven reorganization. PNAS. Vol. 112, No. 26, E3365-E3373
※ 本文與 行政院農業委員會 林務局   合作刊登 
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