Science | 神奇透明蛙

2022-12-28 15:18:21, 十一月

撰文丨十一月

透明（Transparency）是一种的常见的全身伪装形式，在水生生态系统中很常见。自然届生物中包括水母以及鳗鱼幼鱼等均是透明的，而实验模型动物中通过两个基因突变得到的Casper基因型的斑马鱼也是透明的。但这一现象在陆地动物中很少见，因为身体透明需要整个动物光散射和吸收最小化，需要一系列细胞和组织特异性机制【1-2】。

图1 Casper斑马鱼与鳗鱼幼鱼

在脊椎动物中获得高透明度更是困难，因为脊椎动物的循环系统中充满了强烈衰减光线的红细胞。但是造物主永远有有趣的主意，分布于中南美洲的一种蛙在睡眠状态时身体会变得像玻璃一样透明，因而又被称为玻璃蛙（Grassfrog）。那么玻璃蛙是如何保持透明的呢？

为了揭开这一问题的答案，美国杜克大学Junjie Yao、Carlos Taboada（第一作者）、Jesse Delia（第一作者）合作在Science发文题为Glassfrogs conceal blood in their liver to maintain transparency，发现玻璃蛙通过将血液循环中80-90%的红细胞集中在肝脏中导致了睡眠静息过程中身体透明的机制，玻璃蛙中无凝血的红细胞堆积现象为代谢、血流动力学和血凝块研究提供了见解。

玻璃蛙肌肉和腹部皮肤高度透明，通过这些组织可以看到骨骼和其他器官。作者们发现这些组织在保持运动等功能的同时，能够传输超过90%到95%的可见光。玻璃蛙的这种透明度是自适应的，可以让玻璃蛙白天在植物上睡觉时不被捕食者捕食（图2）。作者们使用校准彩色摄影反复测量11只青蛙在睡眠、清醒、呼唤配偶、运动后和麻醉下的透明度。与其他情况相比，玻璃蛙在睡眠时平均多透射34 - 61%的光，而在所有其他非睡眠状态下，它们传输的光水平相似。

图2 睡眠状态的玻璃蛙高度透明

玻璃蛙是如何在静息状态下保持透明的呢？作者们观察到玻璃蛙在睡觉的时候循环系统中的红细胞变得稀疏，在醒来时红细胞的浓度迅速增加。通过使用光声成像追踪玻璃蛙体内的红细胞，作者们发现玻璃蛙透明度增加是因为从血液循环中去除了80-90%红细胞，并将这些红细胞集中在肝脏部位。另外，作者们使用高频超声断层扫描反复测量了10只玻璃蛙以及与玻璃蛙进化上相近8只非透明蛙，发现玻璃蛙在睡眠静息状态时肝脏平均增加40%，肝脏中充满了血细胞，但非透明蛙类则不会出现显著的肝体积变化。

作者们认为这一发现有三个主要的应用可能性：其一，脊椎动物通过调节循环系统中血液的定位和密度来提高透明性，需要生理上的特化；其次，玻璃蛙可能提供了预防血管病变的机制，因为大多数脊椎动物中红细胞聚集会造成血栓，因此可以作为研究血凝块等方面的研究；最后，这些天然透明的脊椎动物是进行体内生理研究的绝佳动物，可以对整个身体进行细胞分辨率成像，捕捉自然的血流动力学过程。