進化是修補匠,不是工程師。「進化不會從零開始產生新奇的東西。生物學家們繼續認為這是正確的。
舉個例子:由加州大學聖巴巴拉分校的研究人員領導的一組科學家發現,幾十年來被認為是視覺必需的多種視蛋白,也起著味覺感受器的作用。這一發現發表在《當代生物學》雜誌上,它代表了視蛋白的一種不依賴於光的功能,並對這些蛋白質在古代生物體內的作用提出了疑問。
「這是視蛋白在味覺或任何形式的化學感覺中所起作用的第一個例子,」合著者克雷格·蒙特爾說,他是一位著名的分子、細胞和發育生物學教授。
19世紀末,科學家們發現視紫紅質在感光方面的作用。視紫紅質是一種與視網膜相結合的視蛋白,是維生素a的一種形式。直到最近,研究人員還認為視紫紅質蛋白家族只參與光的接收。然而,在2011年,蒙特爾和他的同事們發現,一種視蛋白可以使果蠅在舒適的範圍內檢測到微小的溫度變化。
動物有多種對外界刺激做出反應的感覺蛋白。有些需要強烈的刺激,如滾燙的熱,才能激活。視紫紅質能夠對非常細微的變化或非常低水平的刺激做出反應——比如在非常昏暗的光線條件下——然後引發分子級聯,放大信號,最終激活感官反應。
蒙特爾實驗室的研究人員使用馬兜鈴酸——在一些植物中發現的一種有毒的苦味化合物——來研究果蠅的味覺感受器。高濃度的這種苦味化學物質通過直接打開一種叫做TRPA1的通道蛋白來激活果蠅的味覺神經元,這種通道蛋白可以讓鈣和鈉進入細胞。這就導致了動物們所避免的苦味。然而,即使是高度稀釋的馬兜鈴酸,果蠅也會避開,因為馬兜鈴酸的信號不足以直接打開通道。
他們懷疑視蛋白分子可能也在通過信號放大過程探測微妙的化學信號。
他們讓果蠅在單糖和摻有馬兜鈴酸的糖之間做出選擇。不出所料,果蠅拒絕了含有這種苦味化學物質的糖,只吃了純糖。
然後,科學家們培育出帶有突變的果蠅,阻止它們合成不同的視蛋白。他們發現,在三種視蛋白中任何一種有缺陷的果蠅都無法檢測到這種小濃度的酸,而且它們攝入的含這種苦味化合物的糖幾乎與純糖一樣多。然而,突變的動物仍然對大量的苦味化合物敏感,他們繼續避免。蒙特爾說,大量的苦味化學物質直接激活了TRPA1通道,這種通道在沒有視蛋白的果蠅體內仍然存在。
研究小組發現,馬兜鈴酸通過與視蛋白結合的方式激活了視蛋白,而視蛋白與視蛋白結合的方式與視蛋白結合的方式相同。就像在非常微弱的光線下激活視蛋白一樣,化學激活的視蛋白隨後啟動分子級聯,放大小信號。這使得果蠅能夠檢測到這種化合物的濃度,否則它們的感覺神經元將不足以產生反應。
蒙特爾說:「視紫質早在19世紀70年代就被發現了,所以在150年後才發現視紫質在味覺上的作用是非常令人興奮的。」
蒙特爾推測,化學感受可能是視蛋白最初的作用。他說,化學物質的接收比光的接收更能滿足生命的基本需求。知道該吃什麼和避免那些危險的化學物質,比探測光線的能力更古老的生存功能。也許是偶然的,他大膽地說,視網膜與視蛋白結合併賦予視蛋白光感。
蒙特爾在2011年發現視蛋白在溫度感覺中起作用後,另一組科學家發現視蛋白在果蠅的聽覺中起作用。現在,隨著視蛋白也是味覺感受器的證明,蒙特爾懷疑它們可能還與其他感官有關。
「在每種情況下,它們都提供了一種機制,通過啟動放大級聯來感應低水平的刺激,」他說。
這一新發現可能不僅僅局限於科學家們研究的果蠅。蒙特爾說:「結果可能是視蛋白在哺乳動物中代表了一種新的味覺受體,包括人類。」蒙特爾的研究小組目前正在研究這一假設。